基于WiFi的教室智能照明系统设计

作者:未知

  【摘  要】随着科学技术的不断创新优化,传统的教室照明系统由于智能化不足,扩展性较差,维修成本与能耗较高已经不再适用于现今的各大高校。为了保证教室内部的正常照明,现今的教室智能照明系统设计都是基于WiFi条件下进行的,基于 WiFi的无线照明系统将避免传统灯光控制系统的功能单一、智能化程度不够高等缺点的出现,同时其还具有操作简单、扩展性良好的优点。因而在其的应用设计中多采用STC89C52与HLK-M35 WiFi无线传输芯片,将二者相结合,完成终端控制节点设计。Wi-Fi网络作为照明系统的通信方式,其可以将终端控制节点与网关节点进行连接,进而形成星型网络,在实际的应用时只要通过手机系统软件 app的操控,就能实现智能终端设计以及无线灯光控制,最终将控制功能和情景调节进行良好的完成。
  【关键词】WiFi教室;智能照明系统;设计
  进入21世纪以来,各大学校对于其内部的基础设施都较为关注。现今的很多学校内的教室照明系统还在应用传统的模式,其主电源经过配电箱可以分出很多个支路,这些支路可以而分别向灯具供电;而想要使供电断开就必须将这些支路串联在照明中的单双极开关上,所以,传统的照明控制系统只能通过开关来控制灯具,这样无法实现人性化、多功能化的系统管理。由于现今的大学校园规模正在不断的扩大,其教室的数量也在大幅度的增加,大学的教学又是一个开放型的教学管理模式,其内部的人员流量较大,节能意识较为淡薄,因而就造成了高校的教室在白天室內光照强度很高的情况下,仍然普遍存在开灯作业;
  1、系统总体框架设计
  文中设计的智能照明控制系统由终端控制节点、智能网关节点、手机智能终端等组成。终端控制节点作为受控设备,主要负责接受来自 WiFi接入点转发的控制信息,实现对LED灯的控制。智能网关节点作为 WiFi无线智能照明系统通讯的核心枢纽,主要为了实现协议的转换和 AT 指令的存储和转发。安卓手机智能终端则通过用户界面把行动指令和套接字送到WiFi节点,实现LED灯的控制。整个无线网络采用星型连接。
  2、系统硬件设计
  教室智能照明系统能对教室内所有灯光进行监控和管理,终端控制节点替代传统的机械开关,利用单片机 STC89C52 产生一个 PWM 波实现对亮度控制。PWM 调光(Pulse Width Modulation Dimming)实现脉宽制调光,通过利用频率超过100 Hz的亮度闪烁而肉眼难以发现的闪烁频率这一特性,只要通过控制 LED灯开通和断开时间的占空比,来实现改变 LED流过的平均电流,最终实现亮度的控制。采用 WIFI通信模块来确保控制指令的可靠传输,提高数据传输可靠性。微控制器是采用了 MCS-51 内核的 STC89C51系列 52单片机,MCS-51是8位CPU,具有性能高、成本低、功耗小的特点。STC89C52处理性能强大,低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器;不仅满足了上述对MCU的所有需求,并且目前已经得到了非常广泛的应用,拥有较成熟的开发经验和技术的借鉴;其次存储足够大,给 WiFi智能网卡驱动移植和 TCP/IP协议移植提供支持。目前STC89C51系列开发最广泛和常用的开发环境是 keil,使用熟练简单,开发工具和仿真工具采用 SEGGER 公司为支持仿真 ARM 内核芯片推出的 JTAG仿真器,价格较低,降低了开发成本。其中,STC89C52采用 5 V 的供电电压。
  3、系统软件设计
  3.1 WiFi模块程序设计
  HLK-M35模块是使用 AT+指令集方式配置。而AT+指令集方式是用户人工通过串口输入命令来配置参数的。HLK-M35模块向使用用户提供了 3个GPIO引脚,这 3个 GPIO功能引脚不仅可以通过 udp控制还可以使用AT指令读写控制。GPI000 功能:输出高低电平,输入高低电平;特点:通过AT命令控制读写;类型:I/O;GPI001 功能:输出高低电平,输入高低电平;特点:通过AT命令控制读写;类型:I/O;GPI002 功能:输出高低电平,输入高低电平;特点:通过AT命令控制读写;类型:I/O;AT指令控制示例:AT+GW=0,1 -- GPI000输出高电平AT+GR=2,GPI02输入电平HLK-M45 上电后,进入透传模式,用户通过串口命令把透传模式切换到 AT 命令模式进行配置。当正常上电后,HLK-M35模块会先检查当前的网络串口配置正常与否,是的话,则模块自动进入透传模块;否的话,则模块进入 AT指令模式。透传模式进入 AT指令模式:在任何状态下,拉低模块第 33脚也就是 ES/RST脚的时间大于 0.5 s并且小于 5 s,HLK-M35 模块立即进入 AT 指令模式。
  3.2 PWM调光
  设计中利用STC89C52单片机产生一个PWM波。初始化 P1.0=1,当 T0、T1两个定时器同时打开,在定时器T1中断时就将P1.0拉低,在T0中断时再将P1.0拉 高,同时将这两个定时初始值初始化,T0为65 536~1 000,T1为65 536~200。设定一个定时,如果设置周期是500 μs,那么,用count控制占空比,如果占空比是实时变化的,那么用一个变量代替count就可。PWM 调光其实就是通过调节可变占空比的方波信号来实现不同的亮灯模式,半夜灯的占空比为100%,1/2的占空比为 50%,1/3的占空比为 33%,1/4的占空比为 25%。当接收到调光命令时,PWM波上升沿中断,设置定时器的时间等于高电平时间,然后提供PWM信号,可以按照所需调光模式来进行调节PWM 的占空比,当定时器中断时,该亮灯模式也随之关闭。
  3.3 无线组网
  在无线组网设置中,HLK-M35模块既可以配置成一个无线 STA,还可以配置为 AP。为了实现串口转 WiFi STA 和串口转 WiFi AP。AP,即是一个无线网络的中心节点的无线接入点。其实,通常使用的无线路由器也是一个 AP,而且,其他无线终端也是可以通过 AP相互连接的。STA,是一个无线网络的终端就是无线站点,不如PDA。HLK-M35模块工作在STA的模式下。这是一种基本组网方式,由一个AP和多个STA组成。其特点是 AP 作为无线网络的中心节点,所以 AP 处于中心地位,而通过 AP转发实现 STA 相互之间的通讯。在 STA 模 式 下,WiFi 模 块 的 工 作 主 要 在 STA(CLIENT)模式。在适当设置后,COM的数据实现与WiFi的网络数据的互相转换。当工作在 AP的模式下,手机、电脑等设备就能够实现直接连上模块,可以很方便实现对用户的受控设备进行监控。
  3.4 手机终端程序
  APP 主要包含的功能模块包括:WiFi设备搜索与匹配,灯光的打开和关闭功能,调节灯光的亮度。而在智能手机终端,当打开APP时,手机会自动检测 WiFi是否已经打开,是的话则会查找设备,否则会退出程序;当查找设备时,没有找到设备则会继续查找,直到找到为止,找到设备则会连接匹配;匹配成功则可以选择功能并控制实现,然后退出程序。在 WiFi配对成功后,用户进入了 APP的功能界面,可以看到选择所想要控制的地方,选择完成后,可以进入所选地方界面的控制界面,在这里,可以选择灯光的开启和关闭。这样就可以完成智能地控制灯光的开启与关闭。其次,针对选择控制的灯管,选择灯光的亮度调节,这样就可以完成智能地控制灯光的亮度,并调节。
  结语
  总而言之,随着社会经济和科学技术的不断发展,各种能源的需求也在不断的扩大,为此,进行各种项目的能源节约已经是国家社会未来发展的必然趋势。对于现今的高校教室灯光控制不完善的问题,进行基于 WiFi 的教室照明系统设计,在保证照明质量的前提下,对教室灯光进行自动控制,将很好的实现节能目标,降低学校的经费支出,为教室内人员提供更加灵活便捷,可靠性高,节能与舒适并存的照明系统。
  参考文献:
  [1]基于ZigBee的智能照明系统设计[J].刘亚,陈建威,王龙.南方农机.2017(16)
  [2]美国立维腾为陕西交建提供智能照明系统解决方案[J].现代建筑电气.2010(08)
  [3]智能照明系统的功能与优势发展研究[J].林美,何文孝.无线互联科技.2016(21)
  (作者单位:浙江双宇电子科技有限公司)
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