基于物联网技术的室内led智能照明控制系统

基于物联网技术的室内led智能照明控制系统内容摘要：

系统来说需要设计一套通过 wifi传输控制彩色 LED 灯的颜色，亮度以及开关控制。 完整的一帧数据包括：帧头、命令、数据、校验及帧尾。 帧头：也叫起始符，是数据开始接收的标志，为了避免数据帧的长度过大，本系统起始符仅采用 1 个字节，设置帧头的实际作用为当一帧数据过来以后，只有碰到帧头数据位时单片机才才开始存储数据并等到帧结束调用相应函数执基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 7 行命令。 命令：命令数据段的作用是让终端知道客户端发过来的数据包是为了执行什么操作，单片机就是通过识别这一字段来回 调函数执行相应操作。 数据：数据位是协议的核心组成部分，终端功能的具体实现过程都是由数据位来保障的，不同的功能对数据位的要求也各不相同。 校验：校验的方式有奇偶校验、 CRC 校验、 BCC 校验及代码和检验等，本文采用的是代码和校验方式 ,校验和为命令和帧头的求和。 帧尾：其作用为标识一帧数据的结束，当单片机检测到帧尾数据到来时将关闭其后数据的接收。 由于本系统使用 TCP/IP 协议栈的 UDP 通信来实现数据传输， UDP 协议已经具有数据校验功能避免物理层传输错误，因此在实际制作中并不需 要自己去做一套数据校验机制，对于一个彩灯来说，为了实现对其颜色，亮度控制只需要控制 RGB 三个通道 PWM 值即可，在本系统中 PWM 均使用 8 位分辨率，可以合成 16777216 种色彩（通常所说的 16 万色），所以协议只需要实现对这三个颜色通道 PWM 值控制即可满足要求。 在手机客户端与灯控终端通信过程中每一个数据帧均以字符 “s”开头，接下来是命令帧，为了让命令更直观，这里直接使用了字符串 “red”， “blue”， “green”来表示相应通道命令关键字，由于这几个关键字长度不定，为了区分数据和命令需要用分隔符隔开命令关键 字和数据区，这里用的是字符 “=”隔开数据和命令。 紧跟着 “=”是 PWM 值，这里为了直观和方便安卓编程直接使用了该数值的十进制 ASCII 来表示，例如数据帧 “sred=000”表示关闭红色通道输出（置 R 通道 PWM 值为 0），数据帧 “sbule=255”表示置 B 通道 PWM 值为 OXFF（最大占空比）。 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 8 3 硬件设计 基于物联网的室内 LED 智能照明控制系统由 RGB 灯驱动模块电路、 WiFi模块、单片机最小系统、按键输入模块、电源模块组成。 系统硬件结构如图 所示 ： 图 系统硬件结构 图 各个电路模块设计图，共有以下五部分组成，分别是 WiFi 模块电路、单片机最小系统电路、按键输入电路、 RGB 灯驱动电路模块电路设计、电源电路模块。 电源模块 对于硬件设计来说，首先要解决的就是整个系统的供电问题，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。 51 单片机虽然使用时间最早、应 用范围最广，但是在实际使用过程中，一个和典型的问题就是相比其他系列的单片机， 51 单片机更容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。 本系统包含多 个模块，他们所需的供电电压也不同，总体来说需要 和5V 两路供电， 为 wifi 模块供电，单片机和 LED 使用 5V 供电。 通过在图书馆对相关资料的查询和指导老师的指点，本设计的电源模块的设计电路图如下图 所示： 单片机 (MCU) 电源模块 按键输入模块 WiFi 模块 RGB灯驱动电路 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 9 图 电源模块 图 所示是物联网室内 LED 智能照明控制系统中的电源电路模块部分，5V 到 电压的转换采用 ASM1117 直流低压差线性稳压器。 AMS1117 是一款正电压输出低压差的三端线性稳压电路，在输出 1A 电流时，输入输出的电压差典型值为。 AMS1117 分为两个版本 ，固定电压输出版本和可调电压输出版本，固定输出版本的输出电压可以为： ， ，可调电压输出版本能提供的输出电压范围为： ~。 AMS1117 内部集成过热保护和限流电路 ,确保芯片和电源系统的稳定性。 AMS1117 特性： （ 1） 能提供包括固定电压输出版本（固定电压包括 ， ， 5V）跟三端可调电压输出版本最高输出电流可达 A 输出电压精度高达 2％； （ 2） 稳定工作电压范围为高达 12V； （ 3） 内部集成限流功能； （ 4） 具有过热切断保护； （ 5） 工作温度范围： 20℃ 120℃ ； 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 10 单片机最小 系统 单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。 对 51 系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、晶振电路、复位电路。 而本系统采用 STC15F408AD 单片机内部集成了复位电路，及内部 RC 振荡器所以省去了大部分外部电路。 最小系统只需提供必要的 ISP 下载调试接口，提供稳定的电源滤波即可。 单片机最小系电路图如下图 所示： 图 最小单片机系统 WIFI模块 本系统使用 ESP8266 串口 WiFi 模块作为网络接入设备。 ESP8266 是一款超低功耗的 UARTWiFi 透传模块，专为移动设备和物联网应用设计。 模块内置TCP/IP 协议栈，可将用户的物理设备连接到 WiFi 无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能。 ESP8266模块 电路设计 通过 ESP8266 模块，单片机只需要通过串口发送 AT 指令即可完成嵌入式设备与 Inter 和局域网设备之间的数据收发。 在使用过程中模块与单片机之间的连接仅需要占用一个 UART 端口，下图 是 wifi 模块与单片机之间的连接原理图。 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 11 图 WIFI 电路模块 ESP8266模块 特性 （ 1） 支持无线 b/g/n 标准 （ 2） 支持 STA/AP/STA+AP 三种工作模式 （ 3） 内置 TCP/IP 协议栈，支持多路 TCP Client 连接 （ 4） 支持丰富的 Socket AT 指令 （ 5） 支持 UART/GPIO 数据通信接口 （ 6） 支持 Smart Link 智能联网功能 （ 7） 内置 32 位 MCU，可兼作应用处理器 （ 8） 超低能耗，适合电池供电应用 （ 9） 单电源供电 ESP8266模块功耗 由于 wifi 处于 频段，虽然高频保证了信号带宽，但是高频信号穿墙能力差而且衰减很快，而且这个频段属于免执照开放频段干扰较 大，所以市售的wifi 产品一般功耗较大，对电压稳定性要求也很苛刻，为了保证系统的稳定性，有必要对 ESP8266 模块进行一个功耗测试，下表 所示 功耗数据是基于 的电源、 25176。 的环境温度下测得。 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 12 表 ESP8266 功耗测试 模式 测试结果 单位 传送 ， CCK 1Mbps，Pout=+ 215 mA 传送 ， CCK 11Mbps，Pout=+ 197 mA 传送 ， OFDM54 Mbps，Pout=+16dBm 145 mA 传送 ， MCS7， Pout=+14dBm 135 mA 接收 ，包长 1024 字节， 80dBm 100 mA 接收 ，包长 1024 字节， 70dBm 100 mA 接收 ，包长 1024 字节， 65dBm 102 mA 系统待机模式 70 mA 关机 μA 按键输入模块电路的设计 常用的按键驱动有矩阵键盘和 IO 直接驱动，由于本系统按键数量少，直接使用了 IO 直接驱动方式，图 为本设计所使用的按键电路。 图 按键电 路原理 RGB 灯驱动 电路设计 RGB 灯采用三原色混光原理，通过控制 R、 G、 B 三原色亮度比例调节发光颜色，本系统采用 PWM 调光技术，需要较高的开关速度、较大的瞬间电流。 普通三极管和继电器不能满足系统要求。 所以本系统采用 LED 专用驱动芯片基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 13 WS2811 来驱动 RGB 灯。 图 是电路原理图。 图 RGB 灯驱动电路模块 WS2811主要特点 ① 输出端口耐压 15V。 ② 芯片内置稳压管， 24V 以下电源端只需串电阻到 ICVDD 脚，无需外加 稳压管。 ③ 灰度调节电路（ 256 级灰度可调）。 ④ 内置信 号整形电路，任何一个 IC 收到信号后经过其他各种 LED 灯饰产 品 .波形整形再输出，保证线路波形畸变不会累加。 ⑤ 内置上电复位和掉电复位电路 . ⑥ PWM 控制端能够实现 256 级调节，扫描频率不低于 400Hz/s． ⑦ 串行接口级联接口，能通过一根信号线完成数据的接收与解码 . ⑧ 任意两点传传输距离超过 10 米而无需增加任何电路 . ⑨ 当刷新速率 30 帧 /秒时，低速模式级联数不小于 512 点，高速模式不小 于 1024 点 . ⑩ 数据发送速度可达 400Kbps 与 800Kbps 两种模式 . WS2811概述 WS2811 是三通道 LED 驱动控制专用电路，芯片内部包含了智能数字接口基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 14 数据锁存信号整形放大驱动电路，还包含有高精度的内部振荡器和 15V 高压可编程定电流输出驱动器。 同时，为了降低电源纹波， 3 个通道有一定的延时导通功能，这样在帧刷新时，可降低电路纹波。 芯片采用单线归零码的通讯方式，芯片在上电复位以后， DIN 端接受从控制器传输过来的数据，首先送过来的 24bit 数据被第一个芯片提取后，送到芯片内部的数据锁存器，剩余的数据经过内部整形处理电路整形放大后通过 DO 端口开始转发输出给下一个级联的芯片，每经过一个芯片的传输，信号减少 24bit。 芯 片采用自动整形转发技术，使得该芯片的级联个数不受信号传送的限制，仅仅受限信号传输速度要求。 芯片内部的数据锁存器根据接受到的 24bit 数据，在 OUTR、 OUTG、 OUTB控制端产生不同的占空比控制信号，等待 DIN 端输入 RESET 信号时，所有芯片同步将接收到的数据送到各个段，芯片将在该信号结束后重新接受新的数据，在接受完开始的 24bit数据后，通过 DO口转发数据口，芯片在没有接受到 RESET码前， OUTR、 OUTG、 OUTB 管脚原输出保持不变，当接受到 50μs 以上低电平 RESET码后，芯片将刚才接收到的 24bitPWM数据脉宽输出到 OUTR、 OUTG、OUTB 引脚上。 WS2811管脚说明 图 WS2811 引脚 图 为 WS2811 RGB 灯驱动芯片管脚排列和名称，为了更详细的说名WS2811 的使用方式，下面列出每个管脚的详细说明，如下表 所示 : 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 15 表 WS2811 引脚说明 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 16 4 wifi模块使用 工作模式 ESP8266 模块支持 STA/AP/STA+AP 三种工作模式： （ 1） STA 模式： ESP8266 模块通过路由器连接互联网，手机或电脑通过互联网实现对设备的远程 控制。 （ 2） AP 模式： ESP8266 模块作为热点，实现手机或电脑直接与模块通信，实现局域网无线控制。 （ 3） STA+AP 模式：两种模式的共存模式，即可以通过互联网控制可实现无缝切换，方便操作。 AT指令集 ESP8266 模块与单片机之间采用 UART 通过 AT 指令集通信，指令又分为基础 AT 指令、 WiFi 功能 AT 指令、 TCP/IP 工具箱 AT 命令等。 每条指令可以有细分四种命令 ，如下表 所示： 表 AT 指令类别 测试命令 AT+x=? 该命令用于查询设置命令或内部程序设置的参数以及其取值范围。 查询命令 AT+x? 该命令用于返回参数的当前值。 设置命令 AT+x=… 该命令用于设置用户自定义的参数值。 执行命令 AT+x 该命令用于执行受模块内部程序控制的变参数不可变的功能。 ESP8266 模块默认通信波特率 115200，每条 AT 指令以换行符 “\r\n”结束。 由于模块本身 AT 指令数量较多，此处只对本系统使用到的 AT 指令和常用的指令作介绍。 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 17 基础 AT 指令 （ 1） 测试 AT：表 为命令语法说明。 表 测试 AT 语法规则 命令类型 语法 返回和 说明 执行命令 AT OK （ 2） 重启模块：表。