基于ESP8266 的智能燈光控制系統硬件設計

亓相濤，馬凱凱，王衛國

（1.武漢商學院，湖北 武漢 430056；2.山東魯軟數字科技有限公司，山東 濟南 250000）

0 引 言

隨著科技的發展，生活和工作中的燈光照明方式在不斷地更新，各種照明燈具功能更加貼近使用者的需求[1-4]。無線傳輸技術的進步使得燈光控制進入了聯網聯控時代，傳統的單線連接單開關控制已經慢慢退出了應用舞臺。以城市路燈照明系統為例，過去的路燈多為白熾燈，耗能高，且采用單燈單控或單線路串聯集中控制，而最新的各省市智慧城市路面照明系統的設計基本都實現了無線聯網控制[5-6]。單個照明立柱平臺預先埋入了多個無線控制終端，可以實現路燈照明強度的調節，并可以檢測照明線路的通斷和反饋，實現對各燈具終端狀態的實時監控。預留的終端控制線路還可以連接其它立柱平臺供電設備，如節日禮燈、交通導引屏幕及路面監控攝像頭設備等[7-8]。在城市路燈系統的無線控制過程中遠距離的數據傳輸可以通過LoRA、4G 或5G 通信實現。人們工作和生活中的室內照明燈具終端設備與控制端距離一般在20 m 以內，可以通過藍牙、ZigBee 或WiFi 通信技術實現聯網控制。對比藍牙、ZigBee 與WiFi 技術，從功耗來看，藍牙與ZigBee 耗能低，WiFi 模塊的能耗相對較高；從模塊的實時性來看，WiFi 的優勢要高于藍牙與ZigBee 技術；從室內場所的設備通信模塊普及率來看，WiFi 信號在家庭和工作場所覆蓋率要高很多[9-10]。因此，本文以WiFi 傳輸技術為基礎，完成一款智能燈光控制系統的硬件設計。

1 系統總體功能

智能燈光控制系統硬件設計劃分為主控模塊、外圍控制模塊、電源模塊及下載模塊，如圖1 所示。

圖1 智能燈光控制系統硬件結構

主控模塊主要完成ESP8266 控制器的輸入輸出引腳連接、主控芯片上電復位及主動按鍵復位。外圍控制模塊主要實現燈光設備的連接控制、繼電器設備的控制、傳感器信號采集控制及模數轉換模塊控制。其中：燈光控制細化了4 個終端，分別為單控制燈及紅綠藍三種彩色燈；繼電器控制為強電控制預留了接口；傳感器信號采集控制可以根據采集的溫度和濕度數據，為自動控制燈光狀態提供決策信號源；模數轉換部分可以接入光敏設備或旋鈕電壓控制器以自動或主動調節燈光狀態及強度。

整體硬件系統采用5 V 電源接入供電，使用AMS117 轉換5 V 到3.3 V，為ESP8266 及其他模塊供電。下載模塊選用了CH340C 實現上位機USB 線路燒寫數據到終端。

2 ESP8266 主控模塊

智能燈光控制系統選擇ESP8266 為硬件控制中心，ESP8266 器件具有WiFi 通信的功能，內部封裝了WiFi 的協議棧，可以實現無線傳輸的透傳功能，通過串口的AT 指令控制模塊發送數據及接收外界傳回的數據并保存?？刂破髦С钟布盘柊l布AP 模式、單STA 終端接入模式及AP 與STA 實時切換模式。AP 模式下控制器的天線可以將信號以輻射方式發送，通過產生WiFi 熱點提供數據接入服務，允許其他設備通過用戶名和密碼驗證接入或無驗證接入；STA模式下終端設備作為接入方搜索到其他AP 信號源并申請接入，支持TCP 與UDP 協議的數據傳輸。ESP8266 芯片多數IO 引腳資源及串口資源在WiFi 數據發送接收功能上發揮了作用，外展出的引腳有22 根。其中8 號和9 號引腳用于供電，并采用3.3 V 供電；3 號引腳為芯片使能端高電平有效，當多個ESP8266 協同工作時該引腳起使能控制作用，本設計添加10 kΩ 的電阻接3.3 V 電源上拉保持高電平狀態；1 號引腳為復位信號端，平時為高電平狀態，當檢測到該引腳有低電平信號且持續2 個機器周期以上時則芯片復位重啟。復位電路分為上電復位與按鍵主動復位，其電路連接如圖2 所示。

圖2 智能燈光控制系統硬件結構

ESP8266 主控器芯片2 號引腳為模擬信號輸入引腳，芯片采集輸入的信號電壓值，通過修改esp_init_data_default.bin二進制文件的第107 字節數據，可以在芯片內部設定參考電壓，數值在0 ～3.3 V 之間。ESP8266 的第6、7、10 號引腳分別為GPIO12、GPIO13、GPIO15，連接紅綠藍三色LED燈，高電平點亮使能。ESP8266 的第5 號引腳為GPIO14，連接報警揚聲器模塊，高電平報警使能。ESP8266 的第4 號引腳為GPIO16，連接繼電器控制模塊，繼電器模塊的常閉或常開端連接36 V 以上的燈光照明模塊，高電平供電使能。ESP8266 的第14 號引腳為GPIO5，連接數字化溫濕度傳感器模塊，串行數據輸入輸出。ESP8266 的第12、13 號引腳為GPIO0 與GPIO4，連接兩個按鍵SW1 與SW2，按鍵按下輸入低電平，松開輸入高電平。其中SW1 同時具有數據下載指示的功能，當系統復位時，檢測到GPIO0 引腳有電平信號，系統進入應用程序下載進程。引腳連接如圖3 所示。

圖3 ESP8266 電路連接

ESP8266 控制器的GPIO16 引腳除了具備基本的輸入輸出功能外，還具有低功耗睡眠模式喚醒功能。當該引腳由低電位跳轉為高電位時系統由低功耗睡眠模式退出進入工作模式?？刂菩酒腉PIO4 與GPIO5 分別對應SDA 與SCL，可以通過軟件實現I2C 的功能。芯片的GPIO12、GPIO13、GPIO14、GPIO15 分別對應SPI 功能的MISO、MOSI、SCLK、CS。EPS8266 的所有輸入輸出引腳都可以加載實現PWM 的功能?？刂菩酒妮斎胼敵鲆_在控制板載外圍電路上，同時系統設計增加了復用的接口，將可使用的引腳以雙列直插的排針為底座引出，當使用板載電路時用跳線帽連接使用端，可以使用跳線引出進行其他控制。

3 燈光控制模塊

智能燈光控制系統的硬件采用了紅綠藍三色的LED 模塊，LED 為共陽性5 V 供電，負極端連接1kΩ 的電阻并與NPN 三極管的共發射極運算放大電路連接。在三極管的集電極端引出測試引腳，調試階段可以檢測發光二極管的功能可用性。燈光控制電路如圖4 所示。

圖4 燈光控制電路

強電燈具的通斷需要通過繼電器進行控制，繼電器模塊控制板驅動采用雙NPN 三極管共發射極放大電路級聯的方式完成，在繼電器接入端增加了穩壓二極管，增強了電路的安全性。繼電器控制電路如圖5 所示。

圖5 繼電器控制電路

智能照明系統設計了蜂鳴音頻提醒功能，在GPIO16 引腳上接入NPN 三極管的驅動，連接自鳴的音頻模塊，可以實現報警預警、定時提醒、按鍵音提醒等功能。音頻控制電路如圖6 所示。

圖6 音頻控制電路

智能燈光控制系統的燈光強度可以根據使用環境實現自動調節，ESP8266 通過GPIO5 引腳連接溫濕度傳感器，通過2 號引腳接入ADC 信號，檢測環境的光照強度。本系統選用的是DHT11溫濕度傳感器，該傳感器支持數字型輸入輸出，采用單總線模式。GPIO5 號引腳接入4.7 kΩ 的上拉電阻至3.3 V 電源，當信號線輸入18 ～30 ms 低電平信號時DHT11起始響應并發出應答信號，應答標志為引腳拉高后的83 μs 的低電平信號。隨后ESP8266 進入輸入模式，接收來自DHT11的一組溫濕度數據。溫濕度傳感器電路連接如圖7 所示。

圖7 溫濕度傳感器控制電路

燈光照明系統若應用在無人控制場景，則需要感應檢測環境的光照強度以自動控制燈光照明。系統中ESP8266 的ADC 引腳連接了光敏電阻，其與3 個電阻并串聯。當光照強度極弱時ADC 引腳端輸入趨向0.628 V；當光照達到極大值，光敏電阻阻值趨向于0，ADC 引腳端輸入趨向0。電路如圖8 所示。

圖8 光照強度檢測電路

電路中ADC_A、ADC_B 為跳線連接引腳，如有其它模擬信號輸入可連接至ADC_A 引腳上，具體數值根據實際電路再做運算。

4 供電及數據下載

智能燈光控制系統使用Mini_USB 接口供電，一般供電電壓為5 V，同時該USB 接口還可以完成ESP8266 芯片的程序下載。ESP8266 芯片供電電壓為3.3 V，因此系統硬件設計使用AMS1117-3.3 完成5 V 至3.3 V 的電壓轉換。系統設計了USB 轉串口電路，方便直接使用USB 線接入上位機電腦下載程序，轉換芯片型號為CH340C，該芯片具有自己的內部晶振，在時間精度允許的情況下可以使用自帶的時鐘電路。供電及下載電路如圖9 所示。

圖9 供電及下載電路

ESP8266 芯片的內部FLASH 有多種型號，常見的為8 MB，其中存儲空間劃分了多個扇區，每個扇區4 KB 大小。WiFi 主控芯片程序的下載文件有多個，分別為：eagle.flash.bin、eagle.irom0text.bin、blank.bin和esp_init_data_default.bin。前兩個為主程序編譯生產的代碼，blank.bin 為初始化系統參數數據，esp_init_data_default.bin為初始化射頻參數數據。在8 MB 的FLASH 存儲空間的芯片數據下載過程中，將eagle.flash.bin寫入0X00000起始的空間中，eagle.irom0text.bin 寫入0X10000 起始的空間中，blank.bin 寫入0x7FB000和0x7FE000起始的兩段空間中，esp_init_data_default.bin寫入0x7FC000 起始的空間中。系統的下載軟件工具可選擇ESP8266_FLASH_DOWNLOAD_TOOLS。使用下載工具選擇好下載二進制文件并進行串口連接就緒后，點擊下載。此時硬件終端操作需要將ESP8266 的GPIO0 引腳接入低電位；然后按下復位按鍵，進入多程序文件下載過程。下載結束后將ESP8266 的GPIO0 引腳電位拉高，系統復位進入程序自運行。

5 結 語

智能燈光控制系統設計是以核心處理芯片ESP8266 為控制中心完成的；對比了藍牙、ZigBee、LoRA 技術，系統的無線數據傳輸選擇了WiFi 的信號傳輸方式。本設計主要針對燈光控制系統硬件的主控模塊、外圍控制模塊、電源模塊及下載模塊四部分展開設計，詳細描述了中控處理器ESP8266 各引腳的線路連接、紅綠藍三色LED 燈控制連接、傳感器模塊與繼電器模塊的控制連接、電源供電芯片的選擇連接及系統程序下載的操作。系統硬件的設計經后續PCB繪制、打板焊接測試后，證明其功能和性能與預期相符，能較好地實現主動無線控制燈光照明及檢測環境數據自動控制燈光照明。