基于无线WIFI的智能家居灯光控制系统设计

袁月 曾春平 马琨

摘  要： 本文基于智能家居的理念，设计了一种将无线WIFI技术与灯光控制相结合的智能家居灯光控制系统。该系统采用移动终端实现LED灯的开关控制和LED灯亮度变化的无线远程遥控功能，具有成本低、传输速率高、可移动等优点，取代了传统灯光控制耗时费力的有线控制。实验测试结果表明，在10 m传输距离的范围内，所设计的系统具有良好的开关性能和亮度控制功能，且便于移植和扩展，达到了预期结果。

关键词： 单片机;WIFI技术;智能灯光控制;无线远程遥控。

中图分类号： TP202    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.08.046

本文著录格式：袁月，曾春平，马琨，等. 基于无线WIFI的智能家居灯光控制系统设计[J]. 软件，2019，40（8）：203207+215

【Abstract】： Based on the concept of smart home， this paper designs a smart home light control system which combines wireless WIFI technology. The system uses mobile terminal to realize the switch control of LED lamp and the wireless remote control function of the change of LED lamp brightness， which has the advantages of low cost， high transmission rate and removable， which replaces the time-consuming and laborious wired control of traditional light control. Experimental results show that in the range of 10m transmission distance， the designed system has good switching performance and brightness control function， and is easy to transplant and expand， and achieves the expected results.

【Key words】： Single chip microcomputer; WIFI technology; Intelligent light control; Wireless remote control

0 引言

随着中国经济的快速发展，消费者对健康舒适的生活环境提出了越来越高的要求[1]。灯光控制系统是人们生活环境中比较重要的系统之一[2]，但在日常生活中，为满足各种照明需要而安装的大量灯具控制开关分布极其不均，这对灯光控制有较大影响。目前，主流的家庭灯光控制系统是有线的，虽然系统结构比较简单，但是布线不方便且不易改动，如当设备需要增减时，接线存在安装复杂、能耗大、工期长、移动困难、难度大等缺点。随着无线网络技术的不断发展，灯光控制技术得到了更简便的技术支持。

无线网络技术最初是一种基于计算机的通信技术，能够实现无线网络互连。随着网络技术的不断发展，现有的无线网络技术可以适应各种无线终端，实现无线数据通信和资源共享[3]。近年来，由于无线网络传输速度，人们逐渐认识到无线网络的明显优势和优异性能，从而以极快的速度推动了无线网络技术在许多领域的应用。智能家居是互联网影响下物联网的体现，它通过物联网技术将家中各种设备连接起来[4-5]，提供家电控制、灯光控制、电话遥控、室内外遥控、防盗报警、环境监测、暖通空调控制、红外转发、可编程定时控制，提供全方位信息交互能力的各种功能和手段，智能家居最终目标是实现家庭的自动化管理和智能化管理[6-8]。智能家居燈光控制系统已成为智能家居中最受欢迎的子系统之一。特别是近年来，随着人民生活水平的提高和房地产业的发展，人们对生活环境的要求越来越高，对生活环境的需求越来越多样化，对一些智能照明系统的需求也在逐渐的增长。目前，对灯光控制存在着许多问题，如需要增加所需的照明类型成倍上升，如何规划布局和布线，以及人力、物力和财力的成本[9]。为了有效地避免有线传输的缺点，有必要提出一种合适的无线通信传输方式。本文将无线网络应用于灯光控制，有效地缓解了这一问题。

本文基于智能家居和无线网络技术的概念，选择了灯光控制为应用对象，使用手机智能终端作为控制设备，实现对LED灯的无线远程控制。无线网络中的WIFI技术是本文的主要研究方向。它不仅解决了传统灯光控制系统布局和布线工程的难点，而且缓解了现有无线传感器网络灯光控制系统的传输速率低、延时长、可靠性差等问题，灵活组网方便快捷。

1  系统总体设计

根据上述分析，确定了智能家居无线灯光控制系统的总体方案由一个STM32F103C8T6单片机核心电路、两个白色高亮度LED灯电路、WIFI模块ESP8266电路、手机APP模块和电源电路组成的无线控制系统。总电源和降压电路向系统提供5V电压。STM32通过WIFI模块电路实时监控APP发送的命令数据，对命令数据进行解析后，根据解析后的命令，通过单片机的定时器产生不同的PWM信号，控制高亮LED灯的开启、关闭和LED灯的亮度变化。本文设计的基于智能家居的灯光控制系统体系结构如图1所示。

2  硬件电路设计

2.1  STM32F103C8T6单片机核心电路设计

本文所用的单片机控制芯片是STM32F103C8T6单片机，STM32系列处理器是基于32位ARM7的微控制器，支持实时仿真和跟踪[10]。之所以选择这款控制芯片，是因为本文设计不是追求最低功耗，而是在实现本设计功能的前提下能够提供丰富的接口和功能来设计其它实验系统项目所需的外围扩展电路。此款控制芯片广泛应用于各种控制领域，具有良好的实验研究价值。

在本文设计中，STM32单片机的PA6引脚连接到LED1上，PA5引脚连接到LED2上;STM32单片机的PA9引脚连接到ESP8266芯片的Rx管脚，PA10引脚连接到Tx管脚。其中STM32F103C8T6单片机核心板接口电路图2所示。

2.2  超高亮LED灯光电路设计

超高亮LED是一种新型的LED，其亮度是普通LED的近100倍以上。白色高亮度LED灯具有以下优点：寿命长、可靠耐用、维护成本极低、可连续使用105万小时（理论值）、比普通白炽灯使用时间接近长100倍;效率高、发光效率可达百分之八十至百分之九十，比节能灯还能节能1/4;照明点亮速度快，可达到ns级。

本设计选用白色超高亮度LED灯作为照明灯。灯光控制的主要功能是接收移动终端的命令，控制灯的开关操作，调节灯光的亮度。

高亮LED照明电路原理如图3所示，在该电路中，STM32的PA6、PA5与电阻R2、R3相连再分别和超高亮LED1、LED2连接，最后接+3.3V的电源。两个电阻的作用的保护LED，防止在电源接通后，出现电流过大使得LED被烧毁。当STM32的PA5、PA6通过IO口输入的是低电平时，超高亮LED亮起，当PA5、PA6输入高电平时，超高亮LED不亮。

2.3  ESP8266型WIFI模块控制电路设计

本系统采用WIFI模块进行无线数据传输。WIFI是一种可以无线连接个人PC和手持设备等终端的技术，其目的是提高基于IEEE802.11标准的无线网络产品之间的互操作性，該技术具有覆盖范围广、传输距离长等优势[11]。随着无线网络技术的发展，WIFI已成为现代人生活中不可缺少的一部分，可与4G/5G移动网络通信技术等相关技术集成，具有广阔的应用前景。

ESP8266系列芯片具有超高集成度、超低功耗、体积小等特点，它们是为移动设备和互联网应用而设计的，可以将用户的物理设备连接到无线WIFI网络以进行互联网或局域网通信，实现联网功能，非常适合无线控制。ESP8266芯片支持三种模式，即softAP模式、station模式和softAP+station模式[12]。softAP模式是无线接入点模式。ESP8266在softAP模式下工作等同于一个路由器，可以用它作为一个载体发射WIFI热点。智能终端设备可以连接到ESP8266热点，建立局域网。

在本文中，ESP8266芯片使用softAP模式，STM32F103C8T6单片机通过发送AT命令初始化ESP8266芯片。ESP8266芯片的RXD管脚与STM32的PA9相连，TXD与STM32F103的PA10相连，这两个可以和5V单片机的RXD1、TXD1连接，经测试通信正常，无需5V转3.3V，其中GND引脚接地，RST引脚是低电平复位，VCC引脚接3.3V，GPIO2、GPIO0引脚悬空，CH_PD引脚串联个电阻然后电阻再接到VCC，不加电阻经过测试不行，电流太大。WIFI模块电路图如图4所示。

3  系统软件设计

3.1  系统总体程序设计

系统运行流程图如图5所示。

第一步是将STM32单片机的系统时钟初始化;

第二步初始化IO端口并初始化连接到LED的硬件接口;

第三步初始化定时器和串行端口，设置定时器的计数频率与计数值和串行端口波特率;

第四步STM32单片机通过串口对ESP8266初始化，使ESP8266工作在softAP模式，允许连接，创建端口号等;

第五步实时监测WIFI串口是否接收到数据，如果接收到数据，对数据进行解析处理，如果没有接收到数据，则继续监测WIFI串口，直至接收到数据为止;

第六步对WIFI数据进行解析处理，根据解析得到的数据，设置PWM值来对LED进行控制，不同的解析数据控制LED不同的状态，LED控制完成后，STM32持续监控WIFI串行端口数据。其数据指令由移动终端发送。

3.2  LED亮度控制程序设计

3.2.1  PWM调节LED亮度原理

LED是一个二极管，可实现快速开关，其速度是任何发光装置都无法比拟的。因此，只要采用改变脉冲宽度的方法，就可以改变其亮度。这种方法称为脉宽调制调光法，即PWM调光法。

PWM调光法有两个重要参数，一个是脉冲频率的选择，另一个是定时器比较值的选择。脉冲频率的选择是因为LED处于快速开关状态，如果工作频率较低，人眼会感到闪烁。为了充分利用人眼的视觉残留现象，其工作频率应高于100 Hz，虽然100 Hz以上人眼无法检测到它，但它是人类听力的范围，直到20 kHz。如果频率低于20 kHz，调光时会引起啸声，解决这个问题的一种方法是将开关频率提高到20 kHz以上，就跳出了人耳听觉的范围。然而，过高的频率会导致一些问题，从而导致脉冲波形失真。为了避免脉冲波形失真，本文将脉冲频率调整为10 kHz，这个频率人耳已经不敏感了。

在使用PWM调节LED的亮度时并不靠改变功率，而是靠LED亮、灭交替。当亮、灭交替够快时，肉眼会认为LED一直在亮。在LED亮、灭的过程中，灭的状态持续时间越长，LED给肉眼的观感就是亮度越低。点亮的时间越长，灭的时间就相应减少，LED就会变亮。控制LED亮与灭的时间主要是选择定时器的比较值，当比较值比相对较小时，脉冲低电平时间较短，亮度较暗，反之亮度较高。如图6所示。

3.2.2 实现方式

当STM32监测WIFI串口接收到数据时，通过监测的数据来控制LED的状态，其对应方式如表1所示。

当移动终端设备连接ESP8266发出的WIFI后，可通过监测得到的数据对LED进行控制。本文将LED控制分为整体控制和分组控制两部分。整体控制分为将LED全部开启和关闭;分组控制将两个LED分开控制，分别实现LED的开启和关闭，开启时默认最高亮度，然后可以选择LED的亮度档位，本设计实现三种亮度档位之间的变换，三种亮度档位分别是PWM占空比为30%、60%和100%。完成一次控制结束后，STM32单片机继续监控WIFI串口数据。

4  实验与验证

4.1  系统整体性能测试

通过移动终端连接ESP8266WIFI模块热点，数据命令通过移动终端发送，从而成功实现对LED灯进行无线远程控制，通过不同的数据指令成功控制不同LED灯的开启状态及关闭状态和控制每个LED处于不同亮度等级的开启状态，达到了预期的效果。

打开移动终端的控制界面，分别对系统的LED开关控制与亮度变化等进行功能测试，确认LED的控制功能和预期结果一致，系统整体功能的测试如表2所示。

4.2  系统有效传输距离测试

为智能家居灯光控制系统的有效传输距离测试结果如表3所示，其中0表示数据传输成功，1表示数据传输失败。傳输数据失败原因可能是距离过远导致数据丢失。从表3可以看出，数据传输正常的距离范围为10 m。

4.3  LED灯开关性能测试

在系统传输数据的有效距离范围内，进行灯光设备的开关测试，使用两个超高亮LED进行测试，灯光设备的远程控制由移动客户端的命令控制实现。本次灯光设备的开关测试次数为60次，测试结果见表4，LED1和LED2在测试过程中每次都正常打开，反应时间极短。

5  结语

智能家居灯光控制系统是一项不断成熟且具有良好发展前景的技术。目前，我国在该领域还处于小规模、高精尖的应用阶段，但在不久的将来会将其广泛应用于普通家庭场所。它将给人们的日常生活带来许多便利。本文简单描述了目前广泛应用的无线网络技术和智能家居的概念，设计开发了一种基于WIFI传输的灯光控制系统。通过该系统，将各种指令传输到前端灯光设备，实现对灯光的多样化控制，有效避免了不必要的布置和布线，且方便进行移植和扩展。

参考文献

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