點陣式燈光智能控制系統(tǒng)

李學(xué)滿　雷金輝

摘要：在對燈光密集的場所燈光控制方式分析的基礎(chǔ)上，提出了采用安卓智能終端控制，WiFi作為通信方式，單片機執(zhí)行控制動作的點陣式燈光智能控制系統(tǒng)。適用于燈光排布整齊且燈源較多的餐館、娛樂場所等。通過專用的安卓客戶端即能控制點陣式燈光的整體明暗效果，摒棄了傳統(tǒng)的多開關(guān)控制或單開關(guān)卻無法對燈光進行單獨控制的弊端。對節(jié)約電能，提高燈光照明美觀度，保證照明質(zhì)量起到了很大的作用。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；點陣式燈光；WiFi傳輸；安卓智能終端；智能控制

0引言

燈光照明設(shè)備是現(xiàn)代建筑中必不可少的部分，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，燈光控制的智能化成為發(fā)展的必然趨勢。傳統(tǒng)的燈光控制是通過手動扳動固定在某一位置的機械開關(guān)進行明暗控制。這種控制方式的一個弊端是不能進行遠程控制，而且在沒有燈光照明的情況下，找到開關(guān)位置往往較為困難，容易發(fā)生磕碰。解決這種問題的一個方式便是實現(xiàn)無線遠程控制，WiFi具有速度快（最高帶寬可達11 Mbps），可靠性高的特性，在開放性區(qū)域，通信距離可達305米，在封閉性區(qū)域，通信距離為76-122米。而且WiFi發(fā)射功率約為60-70毫瓦，而手機的發(fā)射功率約為200毫瓦至1瓦，且無線網(wǎng)絡(luò)不直接接觸人體，所以應(yīng)該是絕對安全的，不限制接觸人群。因此提出了通過安卓智能設(shè)備通過WiFi遠程控制的設(shè)計方案。

傳統(tǒng)開關(guān)控制還有另一個弊端，就是在影院、大型會議室、餐館等地方，往往有大量的燈光需要控制，傳統(tǒng)的控制方式是用一個開關(guān)控制一整列燈光，或是控制全部燈光。無法實現(xiàn)燈光的自由控制，不能根據(jù)需求調(diào)整需要打開的燈光位置，會造成不必要的電能的浪費。而現(xiàn)在智能照明要求足夠人性化、個性化、能夠一鍵化便捷控制。因此提出了通過單片機進行點陣式控制的設(shè)計方案，來實現(xiàn)一個安卓設(shè)備控制整個場所的燈光按需開關(guān)。

1系統(tǒng)整體設(shè)計

點陣式燈光智能控制系統(tǒng)最基本的功能就是對點陣式燈光進行整體控制，系統(tǒng)主要分為兩個部分，安卓控制終端部分和動作執(zhí)行部分。用戶只需使用安卓智能設(shè)備安裝專用客戶端就可以對燈光進行控制。安卓智能設(shè)備通過WiFi與動作執(zhí)行部分鏈接，動作執(zhí)行部分包含WiFi模塊，MCU和繼電器模塊，動作執(zhí)行部分負責(zé)對接收到的信號進行處理，執(zhí)行對繼電器模塊的控制動作。當(dāng)用戶在安卓終端中選取燈光模式后，安卓端將對應(yīng)的控制信號發(fā)送給單片機，單片機負責(zé)對信號進行檢測，檢測信號是否有變化，并獲取信號中的有用信息。進而根據(jù)獲取信息執(zhí)行控制動作，實現(xiàn)燈光的多樣控制。設(shè)計假設(shè)需要控制的燈光為8x8點陣式排列。這種點陣實現(xiàn)簡單的漢字顯示效果也是可行的。

系統(tǒng)模塊圖如圖1所示，安卓控制終端與WiFi模塊的通信使用面向連接的可靠的TCP通信協(xié)議，WiFi模塊與單片機之間通過串口進行信息傳輸，點陣式燈光組采用LED光源，其體積小、功效高、啟動快、控制方便。

2硬件設(shè)計

2.1動作執(zhí)行模塊設(shè)計

動作執(zhí)行模塊由WiFi芯片，MCU，繼電器開關(guān)組組成。MCU采用STCl2C5A60S2單片機，該處理芯片內(nèi)部具有高達60 k的Flash存儲區(qū)，設(shè)計所要求功能代碼生成文件小于10 k，不需外接存儲器，能夠滿足本系統(tǒng)處理需求。WiFi采用ESP8266模塊，該模塊支持AP模式和STA+AP組合模式，可以根據(jù)用戶的需要進行配置、調(diào)整，能夠滿足設(shè)計對于控制模塊作為AP的要求。支持socketAT指令，AT是TEN T10N碼必須位于語句的開頭，命令可以是AT命令集中的一個或多個命令，每行以回車結(jié)束，可以通過指令對其快捷配置，支持UART數(shù)據(jù)通信接口，符合使用串口通過指令控制WiFi芯片的設(shè)計思路。WiFi信號強度大，足夠室內(nèi)范圍使用，可用于智能燈光控制。繼電器開關(guān)選擇松樂SRD-05VDC-SL-C電磁繼電器，松樂SRD-05VDC.SL-C電磁繼電器支持最高250 V交流電壓，10A電流，可以接人家庭電路使用。為實現(xiàn)8x8的燈光點陣控制，繼電器開關(guān)一共需要64個。系統(tǒng)動作執(zhí)行模塊硬件設(shè)計框圖如下。

虛線框中繼電器模塊為8x8點陣式排列，每個模塊中包含驅(qū)動電路和繼電器，共64個。每個CD4081芯片包含四個2輸入端與門，一個芯片可供四個繼電器模塊使用，所以與門組中一共包括16個CD4081芯片。74HC595和74LSl38輸出信號經(jīng)與門處理，輸出同為高電平時有效，經(jīng)與門輸出的信號驅(qū)動繼電器，控制繼電器的通斷。從而實現(xiàn)了使用74HC595對繼電器模塊進行列選，38譯碼器進行行選的點陣式控制方式。

晶體管驅(qū)動電路如圖3所示，為NPN型驅(qū)動電路，高電平時導(dǎo)通低電平時截止。

3軟件設(shè)計

3.1安卓控制終端軟件設(shè)計

設(shè)計中安卓設(shè)備通過WiFi連接到路由器，通過路由器與WiFi模塊建立連接，采用TCP通信協(xié)議。因此程序中完成了WiFi通信的建立、配置過程。將安卓設(shè)備端定義為通信的服務(wù)器端，通過程序創(chuàng)建server服務(wù)，在程序控制界面中設(shè)置了button按鈕控件，專門用于對服務(wù)的開啟關(guān)閉進行控制，當(dāng)客戶端連接成功時，在狀態(tài)欄中將連接成功狀態(tài)反饋給用戶?？刂平缑嬷性O(shè)有燈光控制的總控開關(guān)，當(dāng)按鈕關(guān)閉時，所有燈光處于熄滅狀態(tài)。燈光的模式是通過Spinner下拉菜單控件來進行選擇的，下拉列表中有8個選項，對應(yīng)8種燈光模式。在總控開關(guān)開啟的條件下，能夠?qū)Ω鞣N模式進切換。八種燈光狀態(tài)定義如圖4所示，實心點代表燈光開啟狀態(tài)，空心為關(guān)閉狀態(tài)。

每當(dāng)切換燈光狀態(tài)時，安卓服務(wù)器端向客戶端發(fā)送狀態(tài)信息，發(fā)送的信息分別為“AAAA”，“BBBB”……“FFFF”8種，分別代表8種不同的燈光狀態(tài)。

3.2動作執(zhí)行模塊軟件設(shè)計

動作執(zhí)行模塊程序基于單片機編寫。單片機通過串口與WiFi模塊進行通信，程序中實現(xiàn)了串口通信的過程，定義了發(fā)送單一字符和發(fā)送字符串的函數(shù)。單片機的指令由串口發(fā)送給WiFi模塊，WiFi模塊支持AT指令集，可使用AT指令對WiFi模塊進行配置。程序運行時每隔一秒發(fā)送一遍配置信息給WiFi模塊，同時從WiFi模塊獲取安卓端發(fā)送的數(shù)據(jù)，單片機對發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進行處理，數(shù)據(jù)以ASCII碼的形式進行傳送，算上回車換行符一共41字符，將其存于數(shù)組中，第12-15個字符為安卓服務(wù)器端傳送的信息，程序自動截取第12個字符。并根據(jù)截取的信息，控制繼電器狀態(tài)。endprint

數(shù)據(jù)格式為：+IPD，2，（返回字數(shù)）：服務(wù)器返回數(shù)據(jù)OK

以用戶選擇燈光模式（1）為例，單片機接受到的ASCII碼為：0D 0A2B 49 50 44 2C 32 2C 34 3A4141 41 41 0D 0A4F 4B 0D 0A

繼電器陣列由74LSl38和74HC595芯片進行掃描控制。74HC595能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的串入并出，將要顯示的圖形編碼存儲在數(shù)組中，將數(shù)組中的每個元素串行移入，同一時間并行輸出，控制此刻一行中各個位所處的高低電平。數(shù)組中的圖形編碼通過點陣取模軟件獲取，程序中預(yù)先定義好了八種燈光模式的圖形編碼數(shù)組，分別與安卓控制端的8種模式相對應(yīng)。根據(jù)接收到的WiFi信號中截取的數(shù)據(jù)決定選取哪個數(shù)組。74LSl38用于進行行選，對哪一行處于高電平進行控制，由單片機P3.0、P3.1、P3.2三個端口控制，由上到下順序選取，每次選取一行。處于行和列高電平交叉點位置輸出高電平，驅(qū)動繼電器處于開啟狀態(tài)。由于74LSl38一個時刻只能選取一行，要控制整個8x8點陣則需要動態(tài)的掃描來實現(xiàn)。每當(dāng)74HC595并行輸出圖形編碼數(shù)組中的一個元素，74LSl38變換選取一行，每行持續(xù)15 ms。只要沒有接收到關(guān)閉信號，此過程反復(fù)循環(huán)執(zhí)行。松樂SRD-05VDC-SL-C電磁繼電器機械切換速度最大是300 operation/min，即頻率為5 Hz。當(dāng)每個行的延時時間為15 ms時，掃描完8行時間為120 ms，掃描頻率約為8.3 Hz，大于繼電器最大切換頻率，所以在74LSl38選取一行顯示時，其他行處于短暫的低電平，也能夠保持原有開關(guān)狀態(tài)，不會因為掃描使繼電器狀態(tài)發(fā)生切換，滿足了設(shè)計要求。

4實驗驗證

最后對控制的有效性進行了驗證，在沒有任何遮擋的室內(nèi)體育館內(nèi)，將WiFi模塊設(shè)置為AP模式，不經(jīng)過路由器通過手機直接與其相連，在不同距離下反復(fù)發(fā)送100次控制命令，驗證控制的有效性，記錄測試數(shù)據(jù)如下：

由表格可見，在沒有經(jīng)過無線路由器，直接由手機和控制模塊直接相連的情況下，在150 m范圍能能夠?qū)崿F(xiàn)對燈光的穩(wěn)定有效控制。隨著距離增大WiFi信號穩(wěn)定性減弱，當(dāng)達到300 m時手機與開關(guān)控制模塊斷開連接。

對于較小的室內(nèi)不經(jīng)無線路由器可直接滿足使用需求。對于空間較大且遮擋物較多的室內(nèi)可以通過無線路由器作為中介，手機和開關(guān)控制模塊通過無線路由器連接到同一網(wǎng)段網(wǎng)絡(luò)中，即可實現(xiàn)有網(wǎng)即可控，則不受距離和障礙物限制。

5結(jié)論

點陣式燈光控制適用于燈源較多且排布整齊的場景，能通過安卓智能設(shè)備控制燈光的多種照明模式，可以根據(jù)對燈光的需求選用不同模式，既能達到節(jié)約能源的效果，又能使燈光照明更美觀。不用再為了單獨控制燈光而手動的扳動眾多開關(guān)。使用安卓客戶端即可實現(xiàn)簡單快捷的控制，為控制燈光帶來極大的便利。endprint