基于WiFi环境下LED照明智能化控制系统的设计与实现

唐远鸿　李岩　李菲　叶伏秋　孙晶

【摘 要】本文以最普遍的Android系统为平台，结合Eclipse开发软件，设计了一款操作简单、功能齐全、界面友好的室内智能LED（Light-emitting diode）照明系统。在技术上，结合LED照明、无线WiFi（Wireless Fidelity）网络、通讯和自动化控制等多项技术，以实现LED照明的智能化控制，达到LED灯具组的灯光自启、切景设置和灯光亮度、色温自主调节的效果。本系统主要由Android智能终端，ESP8266智能WiFi模块、AP节点和LED灯具组四部分组成，具有操作简单，成本低及良好可扩展性等特点。

【关键词】WiFi；LED；ESP8266；智能照明

The design and realization of LED lighting inteligent control system in WIFI Environment

TANG Yuan-hong LI Yan LI Fei YE Fu-qiu SUN Jing

（College of Physics and Mechanical Engineering， Jishou University， Jishou Hunan 416000， China）

【Abstract】A simple， full-featured and user-friendly indoor intelligent LED（Light-emitting diode） illumination client software is designed through the Android platform and the developement software of Eclipse which is most common smart phones system in this paper. In the technology， combining with the lighting of LED， wireless network， communication， automation controlling and so on， we achieved the intelligent control of LED lighting， the auto starts， the setting of situation and the auto regulation of the luminance and color temperature of the LED lamps. This system is consisted of four parts which include the intelligent terminal of Android， the ESP8266 intelligent WIFI modules、the node of AP and LED lamps， it has the characteristics of simple operation， low cost and good expansibility.

【Key words】WiFi； LED； ESP8266； Intelligent lighting

0 引言

近年来，随着光电子技术、光电检测技术、控制工程信号处理元器件以及新型半导体发光材料的发展，LED（Light-emitting diode）照明技术的不断进步得到了各国的普遍重视，目前已被视为具有影响力和发展前景的一项新技术[1]。LED具有重量轻、体积小、节能、方向性好、动态变幻、寿命长、抗振、色彩丰富等优势而普遍适用于各种照明环境，随着LED光源技术、LED照明灯具、控制技术的不断创新，在很大程度上改变了传统的照明理念，使得LED照明向更加智能化的方向发展，包括LED照明的节能化、健康化、艺术化和人性化。随着社会需求的不断变化，促使传统的照明系统逐渐演变为当今融合各种计算机通信技术、微波电子以及传感器技术的智能照明系统[2-3]。如今市面上已经出现许多通过物联网控制LED照明的电子产品，其网络技术较先进，覆盖范围较宽。智能终端的大量出现，使得WiFi（Wireless Fidelity）无线网络得到普及，人们现在已经非常习惯和熟练使用基于WiFi网络的多种产品[4]。并且采用简单的星状拓扑结构组成独立的WiFi局域网，具有组网简单且信号稳定的特点[5]。

随着现代照明技术不断进步和WiFi应用大众化，基于WiFi环境下的智能照明设施的价格将会逐渐降低，也会越来越受到普通民众的青睐。

本文在物联网基础上对LED照明和WiFi技术做进一步研究拓展，将两者有机的结合在一起，使人们仅仅使用智能手机即可方便快捷的控制。本文提出了基于WiFi环境下LED照明智能化控制系统具体设计方案，利用WiFi作为信号传输的载体，ESP8266作为系统的控制中心，三基色LED作为照明灯具，从而实现WiFi环境下对目标LED照明灯具组远程无线调光。

1 设计系统概述

根据WiFi局域网控制的研究现状及相关的应用情况，结合LED照明、无线WiFi网络、通讯和自动化等多项技术，本设计系统旨在实现LED照明的智能化控制，达到LED灯具组的灯光自启、切景设置和灯光亮度、色温的自主调节。设计系统主要包括以下三个部分：

（1）负责传输控制信号的AP节点。结合无线局域网的组网特点及运作方式，建立WiFi局域网环境，它是控制信号进行传输的载体，使各系统间建立稳定、良好的信道。

（2）WiFi灯控节点。此部分主要由ESP8266模块和三基色LED灯具组构成。结合接入点模块的功能和实现原理，完成接入点功能模块的硬件设计；设置接收端口，接受用户的目标指令；设置LED恒流驱动装置，向LED灯具组传输响应信号，以实现调光。

（3）智能手机终端。基于Eclipse软件开发平台，运用Java语言进行用户控制软件开发，通过相关程序编写，形成一个.apk文件，下载至智能手机终端，安装得一款APP软件。它是用户进行系统控制的主要设备，相当于遥控装置。

系统终端通信功能的实现主要包含两方面内容：一是，通过无线WiFi网络建立起智能手机终端和无线控制模块之间的通信；二是，通过串口实现WiFi模块与CPU内核之间通信。

系统终端控制功能的实现是通过ESP8266模块完成的。首先，ESP8266将通过串口接收到智能手机客户端发来的具体指令信息，然后对指令内容进行解析，并向三基色LED恒流驱动器输出相应的PWM信号，以实现对三种颜色灯珠亮度的自主调节。具体的WiFi灯控系统的总体架构图如图1所示。

图1 WiFi灯控系统的总体架构图

Fig.1 The general framework of the WiFi light control system

2 灯控节点设计

本系统的硬件设计是以ESP8266为灯控节点的主要控制芯片。此芯片采用的是乐鑫智能互联平台提供的ESP8266无线WiFi模块，它拥有高性能无线SOC，使无线平台的开发设计变得实用、方便。ESP8266为系统提供了一个完整且自成体系的WiFi网络解决方案，能够独立地运行、处理相关指令。作为控制系统的主要芯片，ESP8266还具有透明传输功能；它能通过无线网络接收到数据，却不修改数据，直接传送到下一端，使得接收方接到数据内容和长度一致的数据，传输过程如同透明一样，保证了数据传输的准确性。本设计系统主要运用ESP8266作为控制中心，它不仅要完成接收和发送数据的功能，还要通过CPU内核对数据进行处理，以向下一端口输送PWM控制信号，CPU内核是ESP8266数据处理中心。

AP协调器作为系统中继——连接WiFi灯控点和Android智能手机终端的桥梁，对接收到的信息进行分析处理，其功能类似服务器的作用[6]。AP协调器需要储存所有灯的信息，同时接收从客户端不断传来的响应信号，以作用于ESP8266模块执行命令，从而调节LED灯具组的亮度和色温。

整个灯控节点的设计需要用到一个220V交流转5V直流的变压模块，一个5V直流转3.3V模块（AMS1117），以实现对ESP8266WiFi模块和模拟LED灯具组供电。单个完整的LED智能照明系统的电路原理图如图2所示，PCB制板图如图3所示。本系统共由3个这样的小系统构成，通过手机客户端能实现对3个小系统的同时控制。

图2 LED智能照明系统的电路原理图

Fig.2 The schematic circuit diagram of the LED intelligent light system

图3 PCB制板图

Fig.3 The diagram of printed circuit board

3 软件设计

本系统的软件设计是基于Android平台开发，Android提供多种连接选项，包括WiFi、蓝牙和通过蜂窝（cellular）连接的无线数据传输（例如，GPRS、EDGE和3G）。Android是一个开放的手机操作系统平台，为移动用户端提供了一个包含应用程序、中间件以及操作系统的软件叠层架构[7]。Eclipse是基于Java的、开放源代码的可扩展集成开发平台，它最初由IBM公司投入开发。Eclipse拥有免费、源代码开放、无限的可扩展性等特点，为本系统的软件编写提供了便利的条件。本系统运用Java语言，借助Eclipse软件编写控制程序，并最终形成.apk文件，下载至手机，得到一个手机APP软件，借助这个软件便能对ESP8266模块进行控制。编译完成后可在电脑上模拟，当编译程序达到预期要求，可生成.apk文件，即手机客户端软件。安装至手机客户端后用户可根据需要进行操作。

手机客户端节点流程图如图4所示。进入用户控制软件，上电初始化后，搜索当前运行硬件设备，发送入网申请信号，输入正确SSID和密码，加入成功后开始执行用户控制指令，完成对LED灯具的色温和亮度的调节，并返回系统所处当前状态数据。

图4 手机客户端节点流程图

Fig.4 The flow chart of mobile client node

4 系统测试

调试软件成功，接通电源，将LED灯具组接入预定WiFi网络，可实现对目标灯具组的实时控制，其测试结果如图5所示。本系统经过一系列调试和测试，根据WiFi无线局域网的组网特点及运作方式，建立基于Java语言控制发射为基础的WiFi模式局域网；实现了对无线通信LED灯控节点的设计，包括LED灯控节点的硬件设计、Java语言控制下单片机的工作模式设计、以及整体LED灯具组的合理布局设计，保证了LED照明系统能正常运作；最终实现LED照明的智能化控制，达到LED灯具组的灯光自启、切景设置和灯光亮度、色温的自主调节。

图5 系统测试结果

Fig.5 The performance results

5 总结

本文提出了一种基于WiFi环境下LED照明智能化控制系统的硬件设计和软件设计，并对此进行了系统的开发和调试；介绍了AP协调节点、WiFi灯控节点和智能手机终端软件系统的具体设计过程。经实验证明，该系统具有价格低廉、稳定性良好、开发周期短、便于维护安装等优点。总的来说基于WiFi环境下对LED照明的智能控制系统将会有更广阔的市场前景，它的无线化、网络化、智能化与绿色节能无疑会给我们的社会与生活带来深远的影响。

【参考文献】

[1]房海明.照明技术与设计100问[M].北京：化学工业出版社，2013.9：2-13.

[2]周志敏，纪爱华.LED景观照明工程设计与施工技术[M].北京.电子工业出版社，2012.1：14-21.

[3]焦双伟.基于TCP/IP网络的智能家居控制系统的研究与实现[D].江西：南昌航空大学，2012：10-22.

[4]盛仲飙.WiFi无线网络技术及安全性研究[J].电子设计工程，2012，20（16）：1-3.

[5][美]布瑞斯宾（Bniebin，S），卡尔提（Carty，G）著.天宏工作室，译.自己动组建Wi-Fi网络[M].北京：清华大学出版，2003.6：11-20.

[6]卢林杰，秦会斌.基于STM8S103和WIFI的智能家居照明系统设计[J].电气自动化，2014，36（3）：101-103.

[7]欧阳零.Android核心技术与实例详解[M].北京：电子工业出版社，2013：1-4.

[责任编辑：王楠]