基于WiFi技术的无线调光日光灯系统设计

李 翔，章曙光，陈 蕴

安徽建筑大学电子与信息工程学院，安徽合肥，230022



基于WiFi技术的无线调光日光灯系统设计

李 翔1，章曙光2，陈 蕴*

安徽建筑大学电子与信息工程学院，安徽合肥，230022

针对当前家庭照明系统采用的主流控制方式有控制不便、灵活性差、经济成本较高等缺点,设计了一种以WiFi技术为基础，可以自由控制通讯范围内任意日光灯照明亮度的智能化照明系统。系统内的各功能模块可以灵活组合实现功能切换，系统可在原有日光灯上进行升级改造，无须更换原有照明设备，具有造价低、施工易、适用性强的特点。用户可以在使用安卓操作系统手机、平板电脑等移动设备上安装本系统的客户端APP，通过APP按自己的喜好改变室内光照亮度，实现按需照明。实验结果表明：系统的整体设计方案可行，系统原型产品的调控输出稳定，灵敏度高，随动性强。

物联网；智能家居；安卓系统；自动调光

近年来，随着物联网技术在家居领域中的广泛应用，智能家居这一名词成为业界内最火热的课题。智能家居使传统的居住环境产生了巨大的改变，居民对家居环境的要求也从传统的“可居”转向“乐居”。照明领域也面临着重大的变革，个性化、可调整成为了照明灯具的发展趋势。目前市场主流的调光灯具的控制方法主要有有线开关调控、红外遥控调控和无线调控三类。而且有线调控和红外遥控具有技术成熟、使用广泛、市场接受度高的特点，无线调控方式具有安装方便的优点，这些控制方式被应用于不少场合，但仍存在明显不足：(1)有线调控和红外遥控都存在兼容性差的问题，而且后期没有扩容能力；(2)有线调控必须在开关面板前进行操作，使用便利性差，尤其对于行动不便的人士和身高不够的儿童等更加不便；(3)红外遥控必须使用专用遥控器来实现控制，所以不得不向家中本已过剩的遥控器队伍中再加入一个或几个新的遥控器，而其功能仅仅是控制灯光；在控制器丢失或损坏时，必须重新购买，而且其控制距离短，易受障碍物影响；(4)无线调控技术对于普通用户来说难以理解和推广，也是是近两年出现的新事物，目前有基于ZigBee、蓝牙等调控方式，但都还处于研究阶段，没有市场化的产品面市[1]。因此，这些因素使它们的推广和应用受到一定的限制。

本文提出了一种成本较低、不增加额外的遥控器、远距离调控不受障碍物阻碍、便于向普通消费者解释其技术，并且可以在现有绝大多数照明灯具上进行改造的无线调光系统。

1 总体设计

本系统通信方式为无线WiFi，又称IEEE 802.11b，即一种短程的无线传输技术。系统由基于安卓操作系统的人机交互界面、无线调光模组(通信模块+调光模块)、模拟量输出模块、无线测光模组(通信模块+测光模块)组成。典型的系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

其中调光模组和照明灯具按1∶1配置，即每个需要实现无线调光的灯具都要配备一个调光模组[2-4]。该模组需用24 V电源供电，但由于调光模组是和日光灯安放在一起的，所以其电源可以从照明电源上经整流后取得。测光模组的个数由用户自行决定(典型结构中也按照1∶1配置)，其外形仅有智能手机大小，既可由9 V电源，也可由锂电池供电，所以安放位置相对灵活，可以置于需测光房间的任意位置，其典型结构的系统及其运行原理如图2所示。

图2 运行原理图

2 系统构成

本系统的最大特点就是模块化的组合性和一块多用性。系统的核心是以ARM芯片配合WiFi210芯片构成的无线通信节点模块，该模块提供两种可切换模式，即SERVER/CLIENT模式，在通信系统中作发出/接收使用。这样，既可以避免应答混乱，又可以在发生故障时快速判断问题模块编号。通信模块切换到SERVER模式，并与测光模块组合时即是测光模组；在切换到CLIENT模式，并与调光模块组合时即是调光模组。这种组合都是可逆的，从测光模组切换到调光模组所需的拆卸、接线、重新写入程序等步骤，仅需几分钟就可完成。因而，针对不同的用户需求，本系统可以任意增减测光、调光模组的数量，系统对用户环境改变的适应性更强。而且，在遇突发情况时，不同模组在简单改造后，就可相互替代以达到应急需要。

2.1 WiFi无线通信节点模块

无线通信节点模块的核心为ARM芯片，其主要作用为解码/编码手持设备发送/接收的信号，并且通过RS485与光敏电阻模块/模拟量输出模块连接，在整个系统中作为一个为无线通信模块和下级执行单元之间建立连接的桥梁。另外，由于本系统中A/D转换的精度要求并不高，所以也不要另外采用外设电路，而是由ARM芯片自带A/D转换器完成光敏测光的A/D转换。最后，整个通信节点模块的CLIENT/SERVER模式切换，也是通过重写ARM芯片配置文件来实现的。无线通信的核心为WizFi210芯片，其有内置无线网络协议IEEE802.11 协议栈以及TCP/IP协议栈，能够实现用户串口数据到无线网络之间的转换。

2.2 模拟量输出模块

模拟量输出模块由24 V电源供电，由一片

STM32单片机作为控制核心，通过RS485与无线通信节点模块上的ARM芯片连接，在接收到调压指令后，其输出端输出0～10 V电压至可调压整流器。

2.3 光照测试模块

光照测试模块通过光敏电阻感光，使用OP336放大器放大后，直接将AD信号送至节点板上ARM芯片，完成A/D转换后，再通过WiFi模块将采集到的光照值送至手持设备[5-7]。

2.4 灯 具

本系统采用T8荧光管日光灯，装配可调压整流器作为照明灯具。其中可调压整流器在普通整流器的基础上整合功率因数校正芯片，当输入端接收来自模拟量输出模块给出的DC 0～10 V的控制电压后，输出端对应0 V为关闭，而1～10 V对应灯管额定功率上最大输出电平的10%～100%。

2.5 软件系统

本系统软件分为运行于Android系统上的客户端软件和写入调光/测光模组中的终端软件。

2.5.1 客户端软件设计

客户端软件流程图如图3所示。系统采用单线程模式，优先判断并发送调光指令，待系统不再发送新的指令之后，开始接收和更新光照数据。采用这一设计的初衷是提高运行速度，降低软件出错概率。

图3 客户端软件流程图

2.5.2 终端软件设计

客户端软件流程图如图4所示，其中，(a)图为调光模组流程图，在接收客户端指令后，通过单片机串口向模拟量输出模块发出指令，同时通过单片机返回信息判断指令是否传送成功；(b)图为测光模组流程图，单片机将光敏电阻的模拟信号转换后，经通信模块发送给客户端，同时判断客户端是否正确接收了信号。

图4 终端软件流程图

3 实 验

3.1 实验步骤

实验步骤如图5所示。由手持设备发出调光指令，观察灯管响应情况，然后查看客户端软件上由测光模组返回的光照数据，待测量值稳定后，记录响应光照值和响应时间。

图5 实验流程

3.2 实验设备装置

实验设备装置如图6所示。将测试用灯具安装在房间正中屋顶，调光模组安装在日光灯控制器开关盒上，测光模组安装于日光灯罩正中位置。路由器置于房间入口处。手持装有实验用APP的Android设备，分别在房间的不同位置发出多次指令。

图6 实验布置图

3.3 实验用APP界面

本系统客户端软件基于Android系统设计，测试版软件操作界面如图7所示，其中(a)图为设定界面，在其中设置对应的模组IP地址和端口号，以建立连接，当前的测试版客户端为一次设置最多4个下行节点和4个上行节点，其中上行节点上传数据至客户端是多通路实时的，下行可以支持向多个节点发送相同数据或分别控制单个节点，运行界面如图7(b)所示。

3.4 实验亮度值定义

目前，建筑照明设计中用来衡量光照度的物理量单位为勒克斯(lux或lx)。照度的测量和定义有其严格的规定和专业的设备，本实验所使用的测光模块的核心是光敏电阻，它不论从精度还是从可测面积出发，都不具备准确测试照度物理量的能力；而且对于普通用户而言，照度物理量难以理解，无法建立直接的感官认识[8]。因此本系统设计的光照亮度值是基于日光灯自身的亮度定义的。本系统的模拟量输出模块输出的可调电压范围为0～10 V，因此将光敏电阻测光模块置于日光灯罩正中位置。在无外界自然光的情况下，将模拟量输出模块的电压依次由1 V上升到10 V，将光敏电阻在各电压档位情况下输出稳定后的值定义为亮度1～10档(低于一档的亮度软件显示0，高于10档的亮度软件显示为“过亮”)。因此,本系统中所设定的1～10档亮度即为日光灯在调压模块输出1～10 V电压时所对应的亮度。如此定义的依据主要考虑一般家庭用户对于光照可调节要求并不是很细，10档亮度已经可以满足大多数用户的日常需要，而且分级较少，级与级之间的判断跨度也就越大，这样，客户端软件反馈的光照值相对稳定，不会频繁跳动，从而提升用户体验感[9]。通过前期数据采集发现，即使光照良好的房间在日间光照最充足时，室内的亮度也不会超过上述定义的第10档亮度，因而，在室内存在基础亮度的情况下，测光模组依然可以正确并良好地工作。

图7 客户端软件界面

3.5 实验结果

实验分两组进行，一组时间为晚间21点，实验用房间在灯灭的情况下，测光模组反馈的基础亮度值为0。另一组为午间13点，外界自然光照射下测光模组反馈的基础亮度值为7。两组实验各进行10次测试，从1～10发出调光指令(在房间的不同位置分别发出指令)，然后通过响应时间和光照稳定后的测光亮度对系统的稳定性、灵敏性、准确性作出评判。

表1 实验结果

实验结果如表1所示，系统调光指令传输的成功率为100%，平均调节延时小于1秒；测光模组在置于日光灯直射位置下时，反馈光照值与设定值一致率100%，且对不受外界基础光线的影响。

4 结 论

当前，智能家居产业正如火如荼地发展，照明作为家居最为基本的需求市场，前景广阔。通过手机、平板电脑等手持设备控制家庭照明系统，是一种全新的尝试。本系统具有如下优点：(1)选用WiFi为通信方式。WiFi已经融入了现代生活，且几乎每一个城市居民的家中都有无线路由器，WiFi技术对于普通用户来说更易直观理解[10]。(2)本系统将遥控器集成于运行Android操作系统的智能手持设备上，无需购买专用遥控器，实现全家人手一个遥控器。符合当前用智能设备集成全家遥控器这一发展趋势，带给使用者新颖的体验。(3)WiFi调控不受障碍物制约，可远距离调控。(4)在照明终端方面，本系统选用普通日光灯，这是考虑到日光灯在普通民居和公共场所仍是主要照明灯具，且其具有成本低、照度好、维护成本低等特点。该系统只需在现有的日光灯照明系统上进行改造即可，无须更换现有灯具，大大节约了改造成本，且不会造成资源的浪费。

在未来的研究中，该系统仍有很大的改进空间：(1)通过引入网关等设备，来实现对光照的远程控制和远程检测。(2)使亮度的定义进一步合理化和直观化，细化测光点、优化光照测量的算法。(3)根据房间的不同功能、时令的不同以及在室内从事的活动不同等给出最优的亮度建议，并能自动调控，以真正实现照明的智能化、人性化。

[1]夏立方，蔡娇，赵升，等.基于ZigBee技术的智能无线调光系统的设计[J].电子测量技术，2013,36(10)：109-114

[2]张启明，李志宏.无线照明调光系统的设计[J].仪表技术，2010(6)：49-51

[3]杨润光.基于AVR的新型LED无线智能调光系统设计[J].山西电子技术：应用实践，2014(4)：56-58

[4]胡琼林.基于WiFi技术的调光调色温LED平板灯[J].电子科学技术，2014(3)：415-418

[5]王军，曾鹏，王宏.基于工业无线技术的智能照明控制系统研发[J].中国仪器仪表，2008(S1)：102-106

[6]梁霄霄.基于WiFi的LED照明控制系统的研究与实现[D].杭州：杭州电子科技大学电子信息学院，2014：7-31

[7]李晓阳.WiFi技术发展及其应用[J].信息技术，2014(2)：196-198

[8]余海，曹蕾.基于WiFi技术的无线网状(Mesh)组网技术[J].现代电子技术，2014(10):120-122

[9]柏成祥.基于WiFi的室内LED照明系统终端的设计与实现[D].杭州：杭州电子科技大学电子信息学院，2014：7-31

[10]杨显立.基于WiFi的隧道照明无线控制系统设计与实现[D].广州：华南理工大学土木与交通学院，2013：7-31

(责任编辑：汪材印)

2016-03-10

李翔(1986-)，安徽合肥人，硕士研究生，主要研究方向：建筑信号测量、楼宇自动化。

10.3969/j.issn.1673-2006.2016.06.028

TM923.321

A

1673-2006(2016)06-0103-05

*通讯作者：陈蕴(1958-)，安徽阜阳人，教授，主要研究方向：智能楼宇与物联网技术、建筑传感网测控技术、嵌入式系统、数字图像处理。