Wi-Fi智能LED控制器的研究

牛 犇，朱文章

（廈門理工學院，廈門 361000）

0 引言

我國是能源消耗大國，國家能源“十二五”規劃中明確，要大力發展節能降耗技術[1,2]。LED照明因其具有的無與倫比的優勢[3～5]而廣泛被市場所認可和接納。但是，就目前LED照明技術而言，LED照明技術的開發和完善還有很長的路要走[5～10]。例如，如何使LED驅動更加穩定，壽命更久；LED光源品質的提升、LED智能化進步等等，都需要科研技術人員的再接再厲，不斷鉆研。

作為LED智能照明中很重要的一個環節——智能控制器，科研技術人員也一直在做著不斷的創新與完善，力求研究出更加智能化的控制器，為用戶創造更加舒適便捷的照明體驗[11～15]。

目前，應用于LED控制的無線技術方案，主要有紅外控制，藍牙，ZigBee和Wi-Fi等幾種方案。王東波等[16]中提出了一種基于藍牙控制的家庭智能照明系統，理論上可以通過手機對照明系統實現星形拓撲結構的一對多控制，但由于藍牙版本的多樣化兼容問題和藍牙連接最大節點數限制，使藍牙在智能燈光系牙的節點限制等問題，藍牙作為LED智能控制器的通信方式，其發展受到限制；文獻[17，18]分別提出了將ZigBee技術應用于小功率LED照明系統和LED路燈照明系統的觀點，一定程度上解決了LED遠距離控制的問題，但由于ZigBee技術的傳輸速率僅為250kb/s，這樣一定程度上限制了大數據量的數據傳輸的其他更豐富的照明應用需求，另外，由于ZigBee不同版本間的不兼容問題和大量節點開發的高昂成本問題，也對后續開發造成了一定的問題。此外，對于通信方式的安全性，也不得不給與更多的重視。

針對上述問題，本文選擇Wi-Fi作為智能控制器的通信方式，解決了大數據量的通信需求的同時，在數據安全與節能更是有著不俗的表現。

1 控制方案設計

設計方案：

如圖1所示，為系統的主要設計方案，本文中所設計的智能控制器（內嵌于LED燈具內部），可以通過Wi-Fi的AP直連和Wi-Fi通過路由器/網關連接兩種方式通過手執設備控制LED燈具。除調光、調色溫、色彩氛圍調節（燈具允許）等基本功能外，還能夠通過控制器外部集成的人體紅外傳感器、光照傳感器、溫濕度傳感器對系統進行自適應調節，滿足日常照明控制需求的基礎上，實現更加豐富、智能的感官體驗。

圖1 系統設計方案

2 控制器硬件設計

本文中所設計的智能控制器硬件主要由兩部分構成： Wi-Fi通信模塊電路和主控制器MCU電路。系統硬件結構圖如圖2所示。

圖2 控制器硬件結構圖

2.1 傳感器選型

2.1.1 光照傳感器

光敏傳感器采用KY-018光敏電阻模塊，此模塊靈敏度高，響應速度快，光譜特性及r值一致性好等特點，能夠在高溫，潮濕條件下保持較高的穩定性，能廣泛應用于多種自動開關控制領域，能較好的適應家庭室內環境變化。

2.1.2 人體紅外傳感器

本設計采用HC-SR501人體紅外感應模塊，此模塊采用德國進口的LHI778頭對紅外信號進行采集，并通過紅外熱釋電處理芯片BISS0001對信號進行處理，并輸出高低電平。此模塊通過跳冒切換可選擇L（不可重復觸發）和H（可重復觸發）兩種觸發方式；5-200S可調延時時間范圍；工作溫度范圍廣，檢測距離3～7米，可以很好的滿足家庭室內環境的需求。

2.1.3 溫濕度傳感器

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，具有抗干擾能力強，響應快，體積小，功耗低等優點，在擁有較高的性價比的基礎上，能保證極高的可靠性和長期的工作穩定性。單線制串行接口，方便集成，傳輸距離可達20米以上，適應很多苛刻環境。

2.2 通信模塊電路設計

本系統中選用HF-LPB100超低功耗嵌入式Wi-Fi?？?，此模塊提供UART串口等接口傳輸數據的解決方案，硬件集成了MAC，基頻芯片，射頻收發單元，以及功率放大器；嵌入式的固件支持Wi-Fi協議及配置和TCP/IP協議棧，傳統的低端串口設備或MCU控制設備都可以很方便的通過它接入Wi-Fi網絡，本設計中，采用其支持的AP直連和路由器/網關兩種連接方式。

Wi-Fi模塊硬件電路設計中，集成了指示燈電路和四個功能按鍵來滿足不同的需求，將各通信引腳引出，滿足不同的擴展需求，考慮LED燈內空間有限，PCB設計50mm×40mm的插針式雙層板，方便接插于單片機控制板上節省空間。其實物圖如圖3所示。

圖3 Wi-Fi模塊電路設計

2.3 MCU電路設計

MCU采用Atmel公司的ATmega2560八位單片機。此單片機具有56路數字I/O接口，其中14路PWM接口，16路模擬輸入接口，4路UART接口，6路外部中斷，4路串口通信，4路SPI通信接口，支持I2C通信，串口通信，SPI通信，有3.3V和5V兩種電源接口，適用于大量IO接口設計和PWM需求。

選擇此款芯片，主要考慮其方便的PWM功能及其A/D轉換功能以及ATmega2560系列芯片程序設計的簡化，PWM信號可直接與外部設備相連，使得所設計的外圍電路得到大大簡化，程序設計方便，成本得到降低。PCB設計為50mm×50mm的帶插槽模式，方便與Wi-Fi電路板接插。所有要用到的引腳均已用插針形式引出，方便接插傳感器和PWM控制端。

其中，除振蕩電路為MCU提供基礎的頻率時鐘外，本設計中還單獨設計了基于DS1307Z+時鐘芯片的高級時鐘電路，用來提供高級時鐘功能。電路設計使用超級電容電路來為時鐘芯片供電，省去了紐扣電池，以此提高電路的使用壽命和降低成本。

本設計中的電壓穩壓降壓采用LD1117低壓差線性穩壓器，將5V電壓轉換為3.3V供給Wi-Fi模組使用，此穩壓源允許輸入的最高電壓為16V，可提供1.2V、1.5V、1.8V、2.5V、3.3V、5V和可調電壓輸出；其輸出電壓精度可控制在1%范圍內；輸出電流范圍1mA-1A；具有很好的線性調整率和負載調整率。其設計實物圖如圖4所示。

圖4 MCU設計

3 系統軟件設計

3.1 主程序（如圖5所示）

圖5 主程序流程圖

3.2 LED光、色調節子程序（如圖6所示）

圖6 子程序1

3.3 光照傳感器子程序（如圖7所示）

圖7 子程序2

3.4 人體紅外傳感器子程序（如圖8所示）

圖8 子程序3

4 系統測試

如圖9所示，分別最高色溫、20%亮度，中間色溫、60%亮度，最低色溫、100%亮度。實驗數據顯示，手持移動終端控制信號與占空比信號一致，智能信號控制燈的亮度與色溫較穩定，能夠通過手持設備和傳感器達到無極調光和多種色彩場景的調節效果，達到了研究目的，有一定的使用價值。

圖9 占空比測試

5 結束語

目前，Wi-Fi技術在智能LED家居照明領域，已經有了一定程度的研究和發展。本技術在LED照明領域能起到一定的補充作用，并且具有較好的擴展能力，通過其開放接口，可廣泛應用于其他智能家居產品，具有一定的實際意義和使用價值。

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