基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED智能照明控制系統(tǒng)

1、本科畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng) 姓 名 專 業(yè) 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 二O一五年六月目 錄中文摘要I英文摘要II前言III1 智能照明系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析11.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡介11.2 照明系統(tǒng)現(xiàn)狀分析21.3 物聯(lián)網(wǎng)下的智能照明22 總體方案設(shè)計52.1 系統(tǒng)的需求分析52.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計52.3 通信協(xié)議設(shè)計62.3.1協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式62.3.2控制協(xié)議的具體實現(xiàn)73 硬件設(shè)計83.1 電源模塊83.2 單片機最小系統(tǒng)103.3 WIFI模塊103.3.1 ESP8266模塊電路設(shè)計103.3.2 ESP8266模塊特性113.3.3 ESP8266模塊功耗

2、113.4 按鍵輸入模塊電路的設(shè)計123.5 RGB 燈驅(qū)動電路設(shè)計123.5.1 WS2811主要特點133.5.2 WS2811概述133.5.3 WS2811管腳說明144 wifi模塊使用164.1 工作模式164.2 AT指令集164.2.1 基礎(chǔ)AT指令174.2.2 WiFi功能AT指令174.3.3 TCP/IP工具箱 AT指令195 軟件設(shè)計265.1 軟件總流程圖265.2 RGB燈驅(qū)動程序編寫275.3 WIFI驅(qū)動編寫315.4 數(shù)據(jù)幀處理機制32總 結(jié)40致謝42參考文獻43附錄一 原理圖44附錄二 實物圖45附錄三 手機客戶端操作界面截圖46基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LE

3、D照明控制系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng)摘 要WIFI是短距離、低成本無線通訊技術(shù)之一。它可以用于替代移動設(shè)備之間的通訊電纜，從而形成個人無線網(wǎng)絡(luò)。它不僅使計算機和通信的融合成為可能，而且隨著它的不斷進步，還可以把家電、娛樂電子產(chǎn)品與計算機、通信系統(tǒng)的終端融為一體，使人們在家里、辦公室或者公共場所就能實現(xiàn)統(tǒng)一的操作和控制，為辦公室的自動化和家庭通信的實施創(chuàng)造了良好的條件。隨著電子科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，給人類生活帶來了根本性的改變。尤其是單片機技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用發(fā)展，現(xiàn)在產(chǎn)品幾乎已經(jīng)走進了千家萬戶?；赪IFI的手機控制多彩臺燈設(shè)計正是響應(yīng)當前無線控制發(fā)展浪

4、潮設(shè)計的作品，其中涉及的WIFI無線通訊技術(shù)就是WIFI的典型應(yīng)用，它的開發(fā)為后期研究奠定了基礎(chǔ)。本文從通過手機WIFI進行PWM控制的角度來進行設(shè)計的。本文介紹了一個WIFI控制的PWM調(diào)光RGB燈的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理。具體闡述了PWM控制下的三基色混光原理；及利用先進WIFI技術(shù)控制下的工作原理，從而確定整個設(shè)計的方案和調(diào)試步驟。關(guān)鍵詞： WIFI；三基色混光；PWM控制；TCP/IP IITHINGS TECHNOLOGY INDOOR LEDLIGHTING CONTROL SYSTEM AbstractWIFI is a short distance, one low-cost wi

5、reless communication technology. It can be used to replace the communication cable between the mobile device, thereby forming a personal wireless network. It not only makes the integration of computers and communications become possible, but as it continues to progress, but also integrated terminal

6、appliances, entertainment electronics and computers, communication systems, right, so that people in the home, office or public place can be achieved unified operation and control for the implementation of office automation and home communications has created good conditions. With the rapid developm

7、ent of electronic science and technology, especially with the large-scale integrated circuits, to human life brought fundamental change. Especially the development and application of SCM technology development, product now almost into the household. Control Based WIFI phone colorful lamp design is r

8、esponsive to current wave of development of wireless control design work, which involved a typical application WIFI wireless communication technology is WIFI, which developed the foundation for the later study.In this paper, by phone WIFI PWM control angle for design. This article describes the syst

9、em structure and working principle of a WIFI control PWM dimming RGB lights. Specifically addressed the three primary colors mixed light under PWM control principle; and the use of advanced WIFI technology works under control in order to determine the overall design of the program and debug procedur

10、es.Key words: WIFI; tricolor mixed light; PWM control; TCP / IP前言使用智能照明控制系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的照明控制具有很大的優(yōu)越性。首先，它具有良好的節(jié)能效果。智能照明控制系統(tǒng)能夠借助各種不同的用戶根據(jù)自身喜好預(yù)先設(shè)置的控制方式和控制元件，對不同時間、不同環(huán)境的光照度和范圍進行精確設(shè)置和合理管理，這樣在保證使用的前提下實現(xiàn)節(jié)能。這種自動調(diào)節(jié)的方式，能夠充分利用室外的自然采光，只有必需時才把燈點亮或點到要求的亮度，它和自然光配合共同照明，利用最少的能源保證所要求的照度水平，節(jié)電效果很明顯，一般可達到30%以上。智能照明控制系統(tǒng)的另一大功效是改

11、善工作環(huán)境，提高工作效率。良好的工作環(huán)境是提高工作效率的一個必要條件，這也能間接的帶來巨大的經(jīng)濟效益。良好的設(shè)計燈具布局，合理地選用光源燈具，營造舒適的照明環(huán)境，配合優(yōu)良的照明控制系統(tǒng)，都能很好的提高照明質(zhì)量。智能照明控制系統(tǒng)用調(diào)光模塊控制面板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的開關(guān)控制燈具，可以將燈具的開關(guān)和照度預(yù)先設(shè)置為不同的模式，用戶可以簡單的通過界面來選擇最適合的照明模式，不僅更加舒適，還能有效地控制各房間內(nèi)整體的照度值，從而提高照度均勻性。智能照明控制系統(tǒng)還實現(xiàn)了多種照明效果。多種照明控制方式，可以使同一建筑空間具備多種照明效果，以適應(yīng)不同的需求?，F(xiàn)代建筑物中，照明不僅單純地為滿足人們視覺上的明暗需求，更應(yīng)具

12、備多種的控制方案，使建筑物功能更加多樣化，也能給人豐富的視覺效果和美感。III1 智能照明系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析物聯(lián)網(wǎng)是當下一種新的思維方式，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將帶來更多新的業(yè)務(wù)和應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)并沒有很多全新的技術(shù)，應(yīng)用創(chuàng)新與用戶體驗才是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心。在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的同時，另一個和物聯(lián)網(wǎng)看似毫無關(guān)系的方面也在和物聯(lián)網(wǎng)越來越有關(guān)，那就是智能照明系統(tǒng)。智能照明不僅僅是一種簡單的照明控制課題，它在帶來舒適性的同時也能大量的節(jié)約能源，傳統(tǒng)的智能照明技術(shù)已經(jīng)能夠很大幅度的節(jié)能，但是它的各部分控制仍然是割裂開的。如果能將物聯(lián)網(wǎng)和智能照明結(jié)合，將更大程度的提高智能照明的節(jié)能效果和照明的智能度與舒適度。本文基于目前對于物

13、聯(lián)網(wǎng)和智能照明的各項研究，分析了二者結(jié)合的基本情況和發(fā)展前景，并對于其中的一些關(guān)鍵技術(shù)和功能進行了簡單的概述。1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡介物聯(lián)網(wǎng)被定義為：射頻識別（RFID），紅外傳感器，全球定位系統(tǒng)，激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，以連接到因特網(wǎng)的任何物品，是信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別，定位，跟蹤，網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控和管理。物聯(lián)網(wǎng)概念提出于1999年含義就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。這有兩層意思：第一，核心和基礎(chǔ)的東西仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是基于互聯(lián)網(wǎng)擴展網(wǎng)絡(luò)和擴展;第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通訊。下圖1.1所示為物聯(lián)網(wǎng)拓撲圖。圖1.1 物聯(lián)網(wǎng)拓撲圖就其本身來說，物聯(lián)

14、網(wǎng)代表了下一代信息發(fā)展技術(shù)，但是就它的某些應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用方式來說，中國公眾也不算太生疏。它是對現(xiàn)有信息技術(shù)的統(tǒng)一聚合應(yīng)用和升華，物聯(lián)網(wǎng)將現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、感知技術(shù)、人工智能和自動化技術(shù)結(jié)合起來，進行一定的集成并應(yīng)用到了更廣闊的范圍，實現(xiàn)了人與物、物與物之間的對話，創(chuàng)造出了一個更加智慧的世界。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與信息技術(shù)有著千絲萬縷的聯(lián)系，它們在各個層次和方面都有著不可或缺的關(guān)系，物聯(lián)網(wǎng)具有很強的系統(tǒng)性和集成性，也有著廣闊的創(chuàng)新和發(fā)展前景，因此物聯(lián)網(wǎng)又被稱作信息技術(shù)的第三次革命性創(chuàng)新。1.2 照明系統(tǒng)現(xiàn)狀分析由于當今世界能源的緊缺，節(jié)約能源成為了目前各用能領(lǐng)域的趨勢。而現(xiàn)代建筑物的能耗相當大，跟據(jù)有關(guān)統(tǒng)計資

15、料，建筑的能耗占整個國家能耗總量的30%，建筑物的能耗通常體現(xiàn)在建筑設(shè)備的能耗上。由于建筑布局的原因，許多建筑在白天也需要進行人工照明, 照明用電已成為建筑的主要能耗之一。根據(jù)能耗分析表明，建筑照明能耗占基本能耗的12%以上。建筑照明因而成為節(jié)能的重要環(huán)節(jié)。另外照明負荷占大樓冷負荷的16%，降低照明的功耗和從而降低照明系統(tǒng)的發(fā)熱量也十分重要。因此，照明系統(tǒng)的節(jié)能改造顯得特別的重要。隨著目前燈具科技的發(fā)展，LED燈具逐漸成為節(jié)能的主力軍。LED燈具被稱為第四代照明燈具，光源具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小等優(yōu)點，隨著LED 發(fā)光效率的不斷提高，以及價格逐步下降，LED 光源在通用照明方面具有很大的

16、優(yōu)勢。LED光源最大的特點就是同等照度條件下的功率比傳統(tǒng)燈具低很多，因此，采用LED燈具能夠很大程度的節(jié)能。節(jié)能除了設(shè)備上的更新，控制系統(tǒng)的優(yōu)化也能起到很大的作用。因此，除了將原先老式的照明燈具改造為新的高效燈具，還可以通過更加智能的照明控制，幫助建筑節(jié)能和實現(xiàn)更好的控制。1.3 物聯(lián)網(wǎng)下的智能照明顯然，獨立的照明控制已經(jīng)發(fā)展的很成熟，但是很多時候使用者無法準確的根據(jù)情況設(shè)置參數(shù)。而且外界情況多變，僅僅靠非專業(yè)的使用者來控制無法達到最佳的效果。而且，任何的控制幾乎都要在現(xiàn)場進行。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，使用者可以利用遠程計算機和通信設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)對室內(nèi)照明設(shè)施進行監(jiān)控和控制，室內(nèi)照明發(fā)生故障時能自動發(fā)

17、送電子郵件或短信進行報警，同時室內(nèi)照明制造商可以通過網(wǎng)絡(luò)在線指導(dǎo)用戶排除故障或?qū)Ξa(chǎn)品進行售后跟蹤服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)賦予照明控制的另一大優(yōu)勢是：室內(nèi)照明能夠記錄使用者的習(xí)慣和生活方式，利用情景感知技術(shù)提供人與家電、環(huán)境的自然交互，不僅如此，它還可以預(yù)測使用者的需求和使用，在物聯(lián)網(wǎng)這一廣闊平臺上，室內(nèi)照明系統(tǒng)必將為用戶帶來全新的生活方式。室內(nèi)照明系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1.2所示：圖1.2 智能照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖物聯(lián)網(wǎng)的智能照明系統(tǒng)之所以“聰明能干”的首要原因在于其自適應(yīng)的特征。物聯(lián)網(wǎng)所提供的大量的傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)以及射頻識別等技術(shù)，通過傳感器及微處理控制系統(tǒng)，使物聯(lián)網(wǎng)的智能照明系統(tǒng)能夠“感知”環(huán)境，根據(jù)外

18、界情況的變化作出相應(yīng)的解決方案，為用戶提供最適宜、最自然的服務(wù)。圖1.3 智能照明控制框圖上圖1.3所示即為智能照明系統(tǒng)控制原理，物聯(lián)網(wǎng)的智能照明系統(tǒng)內(nèi)置的傳感器感知外部環(huán)境變化后，根據(jù)自身條件、不同的情況做出不同的工作方案，以適應(yīng)不同的需求、時刻保持最佳狀態(tài)。物聯(lián)網(wǎng)的智能照明系統(tǒng)還可通過對用戶習(xí)慣的學(xué)習(xí)，替用戶省去大量狀態(tài)設(shè)定的操作，使用起來更加輕松便捷人性化，而且一旦用戶習(xí)慣改變，物聯(lián)網(wǎng)的智能照明系統(tǒng)也能隨之產(chǎn)生新的設(shè)定。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能照明行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展迅速，但是這種技術(shù)的初期投入高，而且只有在成熟的社會物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)下才能發(fā)揮最大的效用，因此需要全社會各行各業(yè)的支持和參與，并且需要國家相關(guān)

19、政策的大力扶持。先進的智能照明系統(tǒng)不但節(jié)約能源，還可以提升城市的形象、美化居室環(huán)境，給人們提供更加安全和舒適的照明環(huán)境。隨著社會的發(fā)展和人們對于照明要求的不斷提高，智能照明系統(tǒng)也在朝著結(jié)構(gòu)多樣化、應(yīng)用擴大化的方向快速發(fā)展。智能照明系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用將會有更多的創(chuàng)意和創(chuàng)新，也將會有更多的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被結(jié)合到智能照明系統(tǒng)中。相信通過物聯(lián)網(wǎng)的幫助，一個智能化的照明新時代正在向我們走來，人類的照明生活將會更加智能和舒適。2 總體方案設(shè)計總體方案設(shè)計是關(guān)系到產(chǎn)品定位，器件選型和技術(shù)路線的關(guān)鍵行設(shè)計，它主要包括以下內(nèi)容：2.1 系統(tǒng)的需求分析基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)LED照明控制系統(tǒng)設(shè)計目的是為了實現(xiàn)安卓手機/P

20、AD通過安裝APP來控制彩色LED燈的顏色、亮度。整個系統(tǒng)主要包含通信系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分，其中通信系統(tǒng)使用WIFI模塊通過UDP協(xié)議來完成單片機和手機/PAD之間的數(shù)據(jù)傳輸，控制系統(tǒng)使用增強型51單片機產(chǎn)生四路PWM信號實現(xiàn)對彩燈的顏色、亮度調(diào)整，為了保證脫離網(wǎng)絡(luò)和手機也能控制燈光，本系統(tǒng)還可以設(shè)計幾組按鍵來調(diào)整燈光顏色和開關(guān)。系統(tǒng)具體實現(xiàn)功能如下：（1）整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由燈控終端建立一個wifi熱點無需外網(wǎng)接入，數(shù)據(jù)傳輸層采用的是 UDP 協(xié)議通信機制。對LED燈能夠?qū)崿F(xiàn)開、關(guān)、調(diào)光功能。（2）由于整個系統(tǒng)是建立在 WIFI 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的，對WIFI模塊建立的熱點默認SSID是“MY_RGB

21、”，密碼是“0123456789”為了保證保證通信安全，網(wǎng)絡(luò)采用了WPA2加密方式。（3）手機客戶端和燈控終端通信使用的是UDP通信方式，燈控終端處于server模式監(jiān)聽7136端口,手機客戶端會將控制數(shù)據(jù)幀發(fā)送到這個端口經(jīng)單片機解析數(shù)據(jù)后實現(xiàn)對燈光的控制。（4）燈控終端在正常使用時要求在同一時間內(nèi)單盞燈只能接受一個客戶端的請求，以避免命令信息的錯亂現(xiàn)象。2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計本系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下幾個功能：一是用按鍵對彩色LED 燈的控制包括開關(guān)、調(diào)光、調(diào)色等；二是能夠通過安卓客戶端來對LED 燈控制。室內(nèi)LED智能照明系統(tǒng)主體框架由手機客戶端、燈控終端兩個部分組成，其中系統(tǒng)終端部分是本文研究的重

22、點，由 WIFI 終端AP節(jié)點、STC15F408AD單片機、RGB燈、RGB燈構(gòu)成驅(qū)動電路構(gòu)成。LED智能照明系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖 2.1 所示：圖2.1 室內(nèi)LED智能照明系統(tǒng)總體架構(gòu)圖過上圖可以看出，室內(nèi)LED智能照明系統(tǒng)主體框架由手機客戶端、及系燈光控制終端兩個部分組成，各部分具體功能分析如下：（1）手機/PAD 客戶端：本系統(tǒng)客戶端部分是基于 Android 操作系統(tǒng)來實現(xiàn)的，通過搭建 eclipse 軟件開發(fā)環(huán)境來實現(xiàn)用戶對系統(tǒng)的界面功能。（2）燈光控制終端：該部分主要由 WIFI 模塊、STC15F408AD單片機及RGB燈PWM驅(qū)動電路，電源模塊。AP作為終端的無線通信設(shè)備，主要用

23、來實現(xiàn)同手機客戶端之間的數(shù)據(jù)有效傳輸功能，數(shù)據(jù)的具體交換過程可通過系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)議來完成。STC15F408AD 單片機作為系統(tǒng)終端的控制備，主要實現(xiàn)的功能有串口數(shù)據(jù)交換、PWM 調(diào)光脈沖的產(chǎn)生、按鍵處理以及燈光控制終端數(shù)據(jù)的存儲等。2.3 通信協(xié)議設(shè)計通信協(xié)議是是室內(nèi)LED智能照明控制系統(tǒng)至關(guān)重要的部分，它是連接手機/PAD客戶端和燈光控制終端的橋梁，對于本系統(tǒng)來說需要設(shè)計一套通過wifi傳輸控制彩色LED燈的顏色，亮度以及開關(guān)控制。2.3.1協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式完整的一幀數(shù)據(jù)包括：幀頭、命令、數(shù)據(jù)、校驗及幀尾。幀頭：也叫起始符，是數(shù)據(jù)開始接收的標志，為了避免數(shù)據(jù)幀的長度過大，本系統(tǒng)起始符僅采用1個字

24、節(jié)，設(shè)置幀頭的實際作用為當一幀數(shù)據(jù)過來以后，只有碰到幀頭數(shù)據(jù)位時單片機才才開始存儲數(shù)據(jù)并等到幀結(jié)束調(diào)用相應(yīng)函數(shù)執(zhí)行命令。命令：命令數(shù)據(jù)段的作用是讓終端知道客戶端發(fā)過來的數(shù)據(jù)包是為了執(zhí)行什么操作，單片機就是通過識別這一字段來回調(diào)函數(shù)執(zhí)行相應(yīng)操作。數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)位是協(xié)議的核心組成部分，終端功能的具體實現(xiàn)過程都是由數(shù)據(jù)位來保障的，不同的功能對數(shù)據(jù)位的要求也各不相同。校驗：校驗的方式有奇偶校驗、CRC 校驗、BCC 校驗及代碼和檢驗等，本文采用的是代碼和校驗方式,校驗和為命令和幀頭的求和。幀尾：其作用為標識一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束，當單片機檢測到幀尾數(shù)據(jù)到來時將關(guān)閉其后數(shù)據(jù)的接收。2.3.2控制協(xié)議的具體實現(xiàn)由于本

25、系統(tǒng)使用TCP/IP協(xié)議棧的UDP通信來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，UDP協(xié)議已經(jīng)具有數(shù)據(jù)校驗功能避免物理層傳輸錯誤，因此在實際制作中并不需要自己去做一套數(shù)據(jù)校驗機制，對于一個彩燈來說，為了實現(xiàn)對其顏色，亮度控制只需要控制RGB三個通道PWM值即可，在本系統(tǒng)中PWM均使用8位分辨率，可以合成16777216種色彩（通常所說的16萬色），所以協(xié)議只需要實現(xiàn)對這三個顏色通道PWM值控制即可滿足要求。在手機客戶端與燈控終端通信過程中每一個數(shù)據(jù)幀均以字符“s”開頭，接下來是命令幀，為了讓命令更直觀，這里直接使用了字符串“red”，“blue”，“green”來表示相應(yīng)通道命令關(guān)鍵字，由于這幾個關(guān)鍵字長度不定，為了區(qū)

26、分數(shù)據(jù)和命令需要用分隔符隔開命令關(guān)鍵字和數(shù)據(jù)區(qū)，這里用的是字符“=”隔開數(shù)據(jù)和命令。緊跟著“=”是PWM值，這里為了直觀和方便安卓編程直接使用了該數(shù)值的十進制ASCII來表示，例如數(shù)據(jù)幀“sred=000”表示關(guān)閉紅色通道輸出（置R通道PWM值為0），數(shù)據(jù)幀“sbule=255”表示置B通道PWM值為OXFF（最大占空比）。3 硬件設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)LED智能照明控制系統(tǒng)由RGB燈驅(qū)動模塊電路、WiFi模塊、單片機最小系統(tǒng)、按鍵輸入模塊、電源模塊組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3.1所示：RGB燈驅(qū)動電路電源模塊單片機(MCU)WiFi模塊按鍵輸入模塊圖3.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖各個電路模塊設(shè)計圖，共有以

27、下五部分組成，分別是WiFi模塊電路、單片機最小系統(tǒng)電路、按鍵輸入電路、RGB燈驅(qū)動電路模塊電路設(shè)計、電源電路模塊。3.1 電源模塊對于硬件設(shè)計來說，首先要解決的就是整個系統(tǒng)的供電問題，電源模塊的穩(wěn)定可靠是系統(tǒng)平穩(wěn)運行的前提和基礎(chǔ)。51單片機雖然使用時間最早、應(yīng) 用范圍最廣，但是在實際使用過程中，一個和典型的問題就是相比其他系列的單片機，51單片機更容易受到干擾而出現(xiàn)程序跑飛的現(xiàn)象，克服這種現(xiàn)象出現(xiàn)的一個重要手段就是為單片機系統(tǒng)配置一個穩(wěn)定可靠的電源供電模塊。本系統(tǒng)包含多個模塊，他們所需的供電電壓也不同，總體來說需要3.3V和5V兩路供電，3.3V為wifi模塊供電，單片機和LED使用5V供電

28、。通過在圖書館對相關(guān)資料的查詢和指導(dǎo)老師的指點，本設(shè)計的電源模塊的設(shè)計電路圖如下圖3.2所示：圖3.2 電源模塊圖3.2所示是物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)LED智能照明控制系統(tǒng)中的電源電路模塊部分，5V到3.3V電壓的轉(zhuǎn)換采用ASM1117直流低壓差線性穩(wěn)壓器。AMS1117是一款正電壓輸出低壓差的三端線性穩(wěn)壓電路，在輸出1A電流時，輸入輸出的電壓差典型值為1.8V。AMS1117分為兩個版本，固定電壓輸出版本和可調(diào)電壓輸出版本，固定輸出版本的輸出電壓可以為：1.8V，3.3V和5.0V，可調(diào)電壓輸出版本能提供的輸出電壓范圍為：1.8V5.5V。AMS1117內(nèi)部集成過熱保護和限流電路,確保芯片和電源系統(tǒng)的穩(wěn)定

29、性。AMS1117特性：（1） 能提供包括固定電壓輸出版本（固定電壓包括1.8V，3.3V，5V）跟三端可調(diào)電壓輸出版本最高輸出電流可達A輸出電壓精度高達2；（2） 穩(wěn)定工作電壓范圍為高達12V；（3） 內(nèi)部集成限流功能；（4） 具有過熱切斷保護；（5） 工作溫度范圍：-20-120；3.2 單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)，或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。對51系列單片機來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機、晶振電路、復(fù)位電路。而本系統(tǒng)采用STC15F408AD單片機內(nèi)部集成了復(fù)位電路，及內(nèi)部RC振蕩器所以省去了大部分外部電路。最小系統(tǒng)只需提供必要的ISP下載調(diào)試

30、接口，提供穩(wěn)定的電源濾波即可。單片機最小系電路圖如下圖3.3所示：圖3.3 最小單片機系統(tǒng)3.3 WIFI模塊本系統(tǒng)使用ESP8266串口WiFi模塊作為網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備。ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi 透傳模塊，專為移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計。模塊內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，可將用戶的物理設(shè)備連接到Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)上，進行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。3.3.1 ESP8266模塊電路設(shè)計通過ESP8266模塊，單片機只需要通過串口發(fā)送AT指令即可完成嵌入式設(shè)備與Internet和局域網(wǎng)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)收發(fā)。在使用過程中模塊與單片機之間的連接僅需要占用一個UART端口，下圖3.

31、4是wifi模塊與單片機之間的連接原理圖。圖3.4 WIFI電路模塊3.3.2 ESP8266模塊特性（1） 支持無線802.11 b/g/n 標準（2） 支持STA/AP/STA+AP 三種工作模式（3） 內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，支持多路TCP Client連接 （4） 支持豐富的Socket AT指令（5） 支持UART/GPIO數(shù)據(jù)通信接口（6） 支持Smart Link 智能聯(lián)網(wǎng)功能（7） 內(nèi)置32位MCU，可兼作應(yīng)用處理器 （8） 超低能耗，適合電池供電應(yīng)用（9） 3.3V 單電源供電3.3.3 ESP8266模塊功耗由于wifi處于2.4G頻段，雖然高頻保證了信號帶寬，但是高頻信號

32、穿墻能力差而且衰減很快，而且這個頻段屬于免執(zhí)照開放頻段干擾較大，所以市售的wifi產(chǎn)品一般功耗較大，對電壓穩(wěn)定性要求也很苛刻，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有必要對ESP8266模塊進行一個功耗測試，下表3.1所示功耗數(shù)據(jù)是基于3.3V的電源、25°的環(huán)境溫度下測得。 表3.1 ESP8266功耗測試模式測試結(jié)果單位傳送802.11b，CCK 1Mbps，Pout=+19.5dBm215mA傳送802.11b，CCK 11Mbps，Pout=+18.5dBm197mA傳送802.11g，OFDM54 Mbps，Pout=+16dBm145mA傳送802.11n，MCS7，Pout=+14dB

33、m135mA接收802.11b，包長1024字節(jié)，-80dBm100mA接收802.11g，包長1024字節(jié)，-70dBm100mA接收802.11n，包長1024字節(jié)，-65dBm102mA系統(tǒng)待機模式70mA關(guān)機0.5A3.4 按鍵輸入模塊電路的設(shè)計常用的按鍵驅(qū)動有矩陣鍵盤和IO直接驅(qū)動，由于本系統(tǒng)按鍵數(shù)量少，直接使用了IO直接驅(qū)動方式，圖3.5為本設(shè)計所使用的按鍵電路。圖3.5 按鍵電路原理3.5 RGB 燈驅(qū)動電路設(shè)計RGB燈采用三原色混光原理，通過控制R、G、B三原色亮度比例調(diào)節(jié)發(fā)光顏色，本系統(tǒng)采用PWM調(diào)光技術(shù)，需要較高的開關(guān)速度、較大的瞬間電流。普通三極管和繼電器不能滿足系統(tǒng)要求

34、。所以本系統(tǒng)采用LED專用驅(qū)動芯片WS2811來驅(qū)動RGB燈。圖3.6是電路原理圖。圖3.6 RGB燈驅(qū)動電路模塊3.5.1 WS2811主要特點1 輸出端口耐壓15V。2 芯片內(nèi)置穩(wěn)壓管，24V以下電源端只需串電阻到ICVDD腳，無需外加穩(wěn)壓管。3 灰度調(diào)節(jié)電路（256級灰度可調(diào)）。4 內(nèi)置信號整形電路，任何一個IC收到信號后經(jīng)過其他各種LED燈飾產(chǎn)品.波形整形再輸出，保證線路波形畸變不會累加。5 內(nèi)置上電復(fù)位和掉電復(fù)位電路.6 PWM控制端能夠?qū)崿F(xiàn)256級調(diào)節(jié)，掃描頻率不低于400Hz/s7 串行接口級聯(lián)接口，能通過一根信號線完成數(shù)據(jù)的接收與解碼.8 任意兩點傳傳輸距離超過10米而無需增加

35、任何電路.9 當刷新速率30幀/秒時，低速模式級聯(lián)數(shù)不小于512點，高速模式不小于1024點.10 數(shù)據(jù)發(fā)送速度可達400Kbps與800Kbps兩種模式.3.5.2 WS2811概述WS2811是三通道LED驅(qū)動控制專用電路，芯片內(nèi)部包含了智能數(shù)字接口數(shù)據(jù)鎖存信號整形放大驅(qū)動電路，還包含有高精度的內(nèi)部振蕩器和15V高壓可編程定電流輸出驅(qū)動器。同時，為了降低電源紋波，3個通道有一定的延時導(dǎo)通功能，這樣在幀刷新時，可降低電路紋波。芯片采用單線歸零碼的通訊方式，芯片在上電復(fù)位以后，DIN端接受從控制器傳輸過來的數(shù)據(jù)，首先送過來的24bit數(shù)據(jù)被第一個芯片提取后，送到芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)鎖存器，剩余的數(shù)據(jù)

36、經(jīng)過內(nèi)部整形處理電路整形放大后通過DO端口開始轉(zhuǎn)發(fā)輸出給下一個級聯(lián)的芯片，每經(jīng)過一個芯片的傳輸，信號減少24bit。芯片采用自動整形轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，使得該芯片的級聯(lián)個數(shù)不受信號傳送的限制，僅僅受限信號傳輸速度要求。芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)鎖存器根據(jù)接受到的24bit數(shù)據(jù)，在OUTR、OUTG、OUTB控制端產(chǎn)生不同的占空比控制信號，等待DIN端輸入RESET信號時，所有芯片同步將接收到的數(shù)據(jù)送到各個段，芯片將在該信號結(jié)束后重新接受新的數(shù)據(jù)，在接受完開始的24bit數(shù)據(jù)后，通過DO口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)口，芯片在沒有接受到RESET碼前，OUTR、OUTG、OUTB管腳原輸出保持不變，當接受到50s以上低電平RESET碼后

37、，芯片將剛才接收到的24bitPWM數(shù)據(jù)脈寬輸出到OUTR、OUTG、OUTB引腳上。3.5.3 WS2811管腳說明圖3.7 WS2811引腳圖3.7為WS2811 RGB燈驅(qū)動芯片管腳排列和名稱，為了更詳細的說名WS2811的使用方式，下面列出每個管腳的詳細說明，如下表3.2所示:表3.2 WS2811引腳說明4 wifi模塊使用4.1 工作模式ESP8266模塊支持STA/AP/STA+AP 三種工作模式：（1）STA 模式：ESP8266模塊通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，手機或電腦通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對設(shè)備的遠程控制。（2）AP 模式：ESP8266模塊作為熱點，實現(xiàn)手機或電腦直接與模塊通信，實現(xiàn)局

38、域網(wǎng)無線控制。（3）STA+AP 模式：兩種模式的共存模式，即可以通過互聯(lián)網(wǎng)控制可實現(xiàn)無縫切換，方便操作。4.2 AT指令集ESP8266模塊與單片機之間采用UART 通過AT指令集通信，指令又分為基礎(chǔ)AT指令、 WiFi功能AT指令、TCP/IP 工具箱AT命令等。每條指令可以有細分四種命令 ，如下表4.1所示：表4.1 AT指令類別測試命令A(yù)T+<x>=?該命令用于查詢設(shè)置命令或內(nèi)部程序設(shè)置的參數(shù)以及其取值范圍。查詢命令A(yù)T+<x>?該命令用于返回參數(shù)的當前值。設(shè)置命令A(yù)T+<x>=<>該命令用于設(shè)置用戶自定義的參數(shù)值。執(zhí)行命令A(yù)T+<

39、x>該命令用于執(zhí)行受模塊內(nèi)部程序控制的變參數(shù)不可變的功能。ESP8266模塊默認通信波特率115200，每條AT指令以換行符 “rn”結(jié)束。由于模塊本身AT指令數(shù)量較多，此處只對本系統(tǒng)使用到的AT指令和常用的指令作介紹。4.2.1 基礎(chǔ)AT指令（1） 測試AT：表4.2為命令語法說明。表4.2 測試AT語法規(guī)則命令類型語法返回和說明執(zhí)行命令A(yù)TOK（2） 重啟模塊：表4.3是重啟命令使用規(guī)則。表4.3 重啟模塊語法規(guī)則命令類型語法返回和說明執(zhí)行命令A(yù)T+RSTOK4.2.2 WiFi功能AT指令（3） 選擇WiFi應(yīng)用模式：表4.4為命令語法，4.5是命令參數(shù)。表4.4 選擇wifi應(yīng)用

40、模式語法規(guī)則命令類型語法返回和說明設(shè)置命令A(yù)T+CWMODE = <mode>OK此指令需重啟后生效(AT+RST)查詢命令A(yù)T+CWMODE?+CWMODE:<mode>OK當前處于哪種模式？ 測試命令A(yù)T+CWMODE?+CWMODE:(<mode>取值列表) OK當前可支持哪些模式？表4.5 選擇wifi應(yīng)用模式參數(shù)定義參數(shù)定義取值對取值的說明<mode>WiFi應(yīng)用模式1Station模式2AP模式3AP+Station模式（4） 設(shè)置AP模式下的參數(shù): 表4.6為命令語法，4.7是命令參數(shù)。表4.6設(shè)置AP模式語法規(guī)則命令類型語法返回和

41、說明設(shè)置命令A(yù)T+CWSAP=<ssid>,<pwd>,<chl>, <ecn> OK 設(shè)置參數(shù)成功查詢命令A(yù)T+CWSAP?OK查詢當前AP參數(shù)表4.7 設(shè)置AP模式參數(shù)定義參數(shù)定義取值對取值的說明<ecn>加密方式0OPEN1WEP2WPA_PSK3WPA2_PSK4WPA_WPA2_PSK <ssid>接入點名稱字符串參數(shù)<pwd>密碼字符串型，最長64字節(jié)，ASCII編碼<chl>通道號4.3.3 TCP/IP工具箱 AT指令（1）建立TCP/UDP連接：表4.8為命令語法，4.9是命令參數(shù)

42、。表4.8 建立TCP/UDP連接語法規(guī)則命令類型語法返回和說明設(shè)置命令單路連接 (+CIPMUX=0)時：AT+CIPSTART=<type>,<addr>,<port>多路連接(+CIPMUX=1)時：AT+CIPSTART=<id>,<type>,<addr>,<port>如果格式正確，返回：OK否則返回：+CME ERROR: invalid input value連接成功，返回：CONNECT OK (CPIMUX=0)<id>, CONNECT OK (CIPMUX=1)如果連接已經(jīng)存在

43、，返回：ALREADY CONNECT連接失敗返回：CONNECT FAIL (CIPMUX=0)<id>, CONNECT FAIL (CIPMUX=1)表4.9 建立TCP/UDP連接參數(shù)定義參數(shù)定義取值對取值的說明<id>Link No.04表示鏈接序號：0號連接可client或server連接，其他id只能用于連接遠程server <type>連接類型“TCP”/”UDP”<addr>遠程服務(wù)器IP地址字符串型<port>遠程服務(wù)器端口號（2）獲得TCP/UDP連接狀態(tài)：表4.10為命令語法，4.11是命令參數(shù)。表4.10 獲

44、得TCP/UDP連接狀態(tài)語法規(guī)則命令類型語法返回和說明執(zhí)行命令A(yù)T+CIPSTATUS如果是單路連接(AT+CIPMUX=0)，返回：OKSTATE: <sl_state>如果是多路連接 (AT+CIPMUX=1)，返回：OKSTATE:<ml_state>如果配置為服務(wù)器：STATE:IP STATUSS: <sid>,<port>,<server state>C:<cid>, <TCP/UDP>, <IP address>, <port>, <client state>測

45、試命令A(yù)T+CIPSTATUS=?返回：OK表4.11 獲得TCP/UDP連接狀態(tài)參數(shù)定義參數(shù)定義取值對取值的說明<sl_state>單連接狀態(tài)IP INITIAL初始化IP STATUS獲得本地 IP 狀態(tài)TCP CONNECTING/UDP CONNECTINGTCP 連接中/UDP 端口注冊中CONNECT OK連接建立成功TCP CLOSING/UDP CLOSING正在關(guān)閉 TCP 連接，正在注銷 UDP 端口<ml_state>多鏈接狀態(tài)IP INITIAL初始化IP STATUS獲得本地 IP 狀態(tài)<sid>服務(wù)器id01取值為0和1<s

46、erver state>服務(wù)器狀態(tài)OPENING正在打開LISTENING正在監(jiān)聽CLOSING正在關(guān)閉<cid>客戶端id04取值為0,1,2,3,4<IP address>IP 地址-字符串參數(shù)(字符串需要加引號)<port>服務(wù)器監(jiān)聽端口號-整數(shù)型<client state>客戶端狀態(tài)CONNECTED已連接CLOSED已關(guān)閉（1）啟動連接：表4.12為命令語法，4.13是命令參數(shù)。表4.12啟動連接語法規(guī)則命令類型語法返回和說明設(shè)置命令A(yù)T+CIPMUX=<mode>OK 如果已經(jīng)處于多連接模式，則返回 Link is

47、builded 啟動多連接成功查詢命令A(yù)T+CIPMUX?+CIPMUX:<mode>OK 查詢當前是否處在多連接模式表4.13啟動連接參數(shù)定義參數(shù)定義取值對取值的說明<mode>是否處在多連接模式0單連接模式1多連接模式（2）發(fā)送數(shù)據(jù)：表4.14為命令語法，4.15是命令參數(shù)。表4.14 發(fā)送數(shù)據(jù)語法規(guī)則命令類型語法返回和說明設(shè)置命令單 路 連 接 (+CIPMUX=0)時：AT+CIPSEND=<length>多路連接(+CIPMUX=1)時：AT+CIPSEND=<id>,<length>響應(yīng)模塊收到指令后先換行返回”>”

48、，然后開始接收串口數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)長度滿length時發(fā)送數(shù)據(jù)如果未建立連接或連接被斷開，返回ERROR如果數(shù)據(jù)發(fā)送成功，返回SEND OK說明發(fā)送指定長度的數(shù)據(jù)測試指令A(yù)T+CIPSEND?響應(yīng)單路連接(AT+CIPMUX=0)返回：+CIPSEND: <length>OK多路連接(AT+CIPMUX=1)返回：+CIPSEND: <0-7>,<length>OK執(zhí)行命令A(yù)T+CIPSEND說明AT+CIPMODE=1并且作為客戶端模式下，進入透傳模式(需要支持硬件流控，否則大量數(shù)據(jù)情況下會丟數(shù)據(jù))模塊收到指令后先換行返回”>”，然后會發(fā)送串口接收到的數(shù)

49、據(jù)。表4.15 發(fā)送數(shù)據(jù)參數(shù)定義參數(shù)定義取值對取值的說明<length>數(shù)據(jù)長度單位：字節(jié)<id>Link No.04連接序號（3）關(guān)閉TCP/UDP連接：表4.16為命令語法，4.17是命令參數(shù)。表4.16關(guān)閉TCP/UDP連接語法規(guī)則命令類型語法返回和說明設(shè)置命令單路連接時AT+CIPCLOSE=<id>返回：CLOSE OK多路連接時AT+CIPCLOSE=<n>,<id>返回：<n>,CLOSE OK執(zhí)行命令A(yù)T+CIPCLOSE如果關(guān)閉成功，返回：CLOSE OK如果關(guān)閉失敗，返回：ERROR測試命令A(yù)T+CIP

50、CLOSE?返回：OK注意事項執(zhí)行命令只對單鏈接有效，多鏈接模式下返回ERROR執(zhí)行命令A(yù)T+CIPCLOSE 只有在TCP/UDP CONNECTING或CONNECT OK狀態(tài)下才會關(guān)閉連接，否則會認為關(guān)閉失敗返回ERROR單路連接模式下，關(guān)閉后的狀態(tài)為IP CLOSE表4.17 關(guān)閉TCP/UDP連接參數(shù)定義參數(shù)定義取值對取值的說明<id>關(guān)閉模式0慢關(guān)（缺省值）1快關(guān)<n>Link No.07整數(shù)型，表示連接序號（1） 獲取本地IP地址：表4.18為命令語法，4.19是命令參數(shù)。表4.18 獲取本地IP地址語法規(guī)則命令類型語法響應(yīng)和說明執(zhí)行命令A(yù)T+CIFSR響

51、應(yīng)+ CIFSR:<IP address> OK 或者 ERROR測試命令A(yù)T+CIFSR=?響應(yīng)OK表4.19 獲取本地IP地址參數(shù)定義參數(shù)定義取值對取值的說明<IP address>本機目前的IP地址(station)AP模式默認IP:192.168.4.15 軟件設(shè)計5.1 軟件總流程圖燈控終端核心是STC15F408AD單片機，單片機系統(tǒng)開發(fā)使用KEIL C51編譯器，源程序采用C語言編寫。真?zhèn)€程序使用面向?qū)ο缶幊谭绞?，事件均為消息?qū)動方式。程序主要有主函數(shù)和串口中斷處理兩大部分，他們之間的消息傳遞通過全局緩沖區(qū)和標志位進行消息傳遞，整個軟件流程圖如圖5.1所示

52、：圖5.1 軟件流程圖5.2 RGB燈驅(qū)動程序編寫由于本系統(tǒng)RGB燈驅(qū)動采用了WS2811專用驅(qū)動芯片，故需要寫底層驅(qū)動函數(shù)來實現(xiàn)PWM調(diào)光，WS2811采用單線歸零碼的通訊方式，芯片在上電復(fù)位以后，DIN端接受從控制器傳輸過來的數(shù)據(jù)，首先送過來的24bit數(shù)據(jù)被第一個芯片提取后，送到芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)鎖存器，剩余的數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)部整形處理電路整形放大后通過DO端口開始轉(zhuǎn)發(fā)輸出給下一個級聯(lián)的芯片，每經(jīng)過一個芯片的傳輸，信號減少24bit。芯片的的驅(qū)動時序如圖5.2所示，表5.1為高速模式時間。圖5.2 WS2811時序波形圖表5.1 WS2811高速模式時間由上圖可以看出WS2811對時序要求十分嚴格

53、，精確到了ns級別，本系統(tǒng)使用的STC15F408AD是1T機器周期單片機，當時鐘設(shè)置為20MHZ時，機器周期是50ns，為了符合時序要求，驅(qū)動程序采用了_nop()單周期延時指令來精確延時。用單片機模擬0、1和REST碼，下面的程序是經(jīng)過示波器調(diào)試后的WS2811底層驅(qū)動。/*WS2811:“0碼” T0H:500ns T0L:2000ns“1碼” T1H:2000ns T1L:500nsRES:>50usSTC15W408ASCLOCK:20MHZ 時鐘周期50ns 機器周期200ns*/#define speed 5 /刷新數(shù)據(jù)時間變量#define RGB_size 1/數(shù)據(jù)顯示

54、個數(shù)變量uint t;uchar bdata LED_DAT; /可位操作的數(shù)據(jù)發(fā)送暫存變量聲明sbit bit0=LED_DAT0; /被發(fā)送的數(shù)據(jù)各位定義sbit bit1=LED_DAT1;sbit bit2=LED_DAT2;sbit bit3=LED_DAT3;sbit bit4=LED_DAT4;sbit bit5=LED_DAT5;sbit bit6=LED_DAT6;sbit bit7=LED_DAT7; uchar RR,GG,BB; /RGB灰度值全局變量聲明/低速模式數(shù)碼BIT0（高電平時間：500ns 低電平時間2000ns ）void h_dat0() DIO=1;

55、nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; DIO=0; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop;/低速模式數(shù)碼BIT1（高電平時間：2000ns 低電平時間：500ns ）void h_dat1() DIO=1; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; nop; DIO=0;/RGB顯示控制程序void Reset(void)D