翟迪国 陈志斌 易子川 李笑然 周国富 周莹

摘 要： 针对现有智能照明系统人机界面可操作性差的问题，提出一种具备触控人机界面的智能照明控制器设计方案。智能照明控制器通过WiFi模块连接物联网云平台，可以实现手机端APP远程控制，调光调色，开关定时；同时，控制器上设计了独立的电容触控调光调色电路，可以脱离手机，现场手动触控调光调色，场景切换。文中以灯带作为照明光源，详细说明了远程控制与触控操作的驱动逻辑，实现远程智能管理和实时现场触控的有机结合。结果表明，智能照明控制器人机界面友好，显著改善了智能照明产品的实际体验。

关键词： 智能照明控制器； 人机界面； 电容触控； WiFi模块； 物联网云平台； 远程管理

中图分类号： TN712+.3?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）22?0092?06

Abstract： As the human?machine interface of the current intelligent lighting system has the problem of poor operability， a design scheme of the intelligent lighting controller with a touch?control human?machine interface is proposed. The intelligent lighting controller is connected to the cloud platform of Internet of Things （IoT） by means of the WiFi module， so as to realize remote control of the APP on the mobile phone terminal， brightness and color adjustment， and timing of switches. In the controller， an independent capacitive touch?control interface for brightness and color adjustment is designed to realize on?site finger touch control for brightness and color adjustment and scene switching without using a mobile phone. With the light strip taken as the illuminating light source， the drive logics of remote control and touch?control operation are described in detail， so as to realize organic combination of intelligent remote management and real?time on?site touch control. The results show that the intelligent lighting controller has a friendly human?machine interface， and can significantly improve the actual experience of the intelligent lighting product.

Keywords： intelligent lighting controller； human?machine interface； capacitive touch control； WiFi module； IoT cloud platform； remote management

0 引 言

作为智能家居的一个子系统，智能照明技术将是未来强化家居中节能与健康管理等绿色功能的重要技术手段[1]。而LED固态照明非常方便实现智能控制[2]，也是目前照明技术的主流。传统的基于DMX[3]总线及DALI[4]总线等有线控制技术，基于WiFi[5]、ZigBee[6]、蓝牙[7]，RF?433MHz[8]等无线控制技术，以及基于有线总线协议的无线控制系统[9]，在智能照明系统都有不同程度的应用研究。近几年快速发展的物联网技术，与智能照明应用结合迅速[10?11]，并进一步融合语音控制技术[12]，开始在云端应用人工智能识别语音[13]，实现灯光情景控制。

现有的很多无线智能照明控制器设计功能单一，APP操作繁琐，协议兼容性差，在用户的实际生活中没有让用户体验到真正的方便快捷。李岩等实现了基于WiFi的智能照明系统[14]，但没有考虑远程控制问题。王永慧和胡艳蕊设计了Android端的APP，都是局域网的无线控制功能，没有接入物联网[15?16]；APP界面也太过复杂，不方便用户操作。王敏提出一个基于物联网的智能照明系统架构，但体系复杂，实用性不强[17]；曹阳提出了触控实现调光的照明设计方案，但没有考虑联网控制[18]。本文提出一个智能照明控制器的设计，该系统的特点是，结合有线的电容触控和无线WiFi连接，实现有线和无线结合的智能照明控制，增加了控制器应用的灵活性，改善了用户的实际操作体验。在无线通信过程中，本系统通过WiFi模块结合LED照明、无线WiFi网络、物联网云平台，实现LED照明的远程智能化控制。同时，LED照明设备在Android手机客户端的控制下，实现了调光调色、定时、场景切换等功能。与此同时，在有线连接过程中，本系统通过电容触控面板，提供了调光调色的现场手动控制操作，达到了操作快捷方便、实时控制的效果。

1 系统设计原理

本文所设计的智能照明控制器是由电源模块、WiFi模块、MCU模块、电容触控输入模块和手机APP组成，可外接直流12 V驱动的RGB彩光灯带，实现智能灯光控制。电源采用SY8292电源IC实现了DC?DC电压转换，为MCU模块、WiFi模块以及电容触控芯片WTC401供电。在无线连接设计上，WiFi模块采用ESP8266单芯片系统。根据WiFi局域网控制的研究现状及相关的应用情况和WiFi无线局域网的组网运作方式，建立基于Java语言控制的基础WiFi模式局域网环境。运用Java语言进行程序编写，开发了一款操作简单、功能齐全、界面友好的智能手机客户端应用软件，使之能准确、及时地向目标硬件系统发出指令信号，与智能照明控制器进行通信，实现对RGB全彩LED灯带的亮度和色彩的实时控制。在有线连接设计上，设置了独立的电容触控调光调色电路，利用电容触控开关使用方便、寿命长久、成本低廉等特点，在灯光手动控制上达到快速响应的效果，以及在操作流程上更加简易。

控制器的总体构架图如图1所示。

系统采用12 V电源适配器供电，经SY8292电源电路降压后，输出3.3 V稳定直流电压。输出的3.3 V直流电压不会随电网电压发生明显波动，为ESP8266模块和控制器主要逻辑电路的供电提供了良好的保障。系统中的ESP8266无线WiFi模块是整个控制系统的通信桥梁，其作用包括：与智能手机终端进行通信，接收控制信号并返回相关状态信息；根据接收的控制指令，与STM8控制器进行串口通信，再由STM8控制器输出不同的PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）信号驱动LED灯带，以实现对LED灯带的色温、亮度和颜色的控制。系统选用RGB三基色LED作为照明的主要器件，可实现不同颜色的任意组合，从而根据用户需要改变亮度和颜色。系统的智能手机终端相当于远程遥控设备，应用软件基于Andriod操作系统开发，用 Eclipse软件进行程序编写，编译完成后生成.apk文件，下载至智能手机终端，安装好后即为控制APP软件。手机上的APP通过无线网络将控制数据下发给WiFi模块，WiFi模块通过无线网络上报状态数据给手机，APP显示到手机屏幕。STM8控制器把从ESP8266接收的数据进行处理，可将接收的控制信号进行及时的翻译和响应，向三个输出端口输出相应的PWM调制信号[19]，以实现对三基色LED灯的控制。另外，控制器还具备有线输入方式，设置了电容触控面板，上面有8路触摸开关输入。当人体手指接触触摸面板表面时，将根据8路触摸开关检测信息做编码，实现位置侦测，把相关信息送给STM8单片机作判断，进而控制RGB灯带。

最后，WiFi模块和手机端APP都可以接入物联网云平台，实现远程无线连接，远程控制。

2 系统的硬件电路设计

智能灯带控制器硬件设计中包括电源模块、MCU模块、LED驱动模块、WiFi模块、电容触控模块。其中，电源模块负责整个控制器的电压分配，MCU模块负责信息处理及输出控制，LED驱动模块保证了LED灯的亮度和颜色控制，WiFi模块负责系统与手机的信息交换，电容触摸模块实现手指触摸感应。

2.1 电源电路

在硬件系统所包含的電路和设备中，ESP8266模块、MCU模块和触摸模块都需要稳定的3.3 V直流电源供电。在电源模块设计中，采用SY8292电源IC，实现DC?DC降压转换，能量转换率可高达97%。本系统由电源适配器提供12 V电压输入，12 V电压通过SY8292电源IC转为3.3 V直流电压，直接给ESP8266模块和STM8单片机等电路提供稳定的直流电压。如图2所示，通过调节电阻R20和R12的值，根据计算公式即可得出输出电压的值。SY8292电源电路调整输出电压的计算公式如下：

2.2 MCU和LED驱动电路

本系统是以STM8S103F3P6单片机为主要控制芯片，如图3所示，工作电压为2.95～5.5 V。该芯片其内部资源丰富，功能强大且功耗低，价格低廉，还具有良好的稳定性，对控制信号的传输和处理都具有良好的时效性和准确性。

在本设计中通过STM8单片机输出三路PWM信号，PWM_R/PWM_G/PWM_B对应RGB三色LED灯光。图4以一路PWM_B为例，PNP小信号三极管S8050实现了单片机3.3 V开关电平转换为12 V电平驱动NMOS功率三极管AP60T03，实现对RGB三路LED灯的电流通断控制。在LED灯带调光过程中，PWM是通过改变LED的通断时间比例实现亮度控制。STM8单片机中有专用的硬件PWM信号生成器，通过高分辨率计数器，实现对输出PWM方波频率和占空比的调制，通过高速开关，使LED灯在不断交替的导通和截止状态切换，实现对LED灯亮度的调节。由于PWM调光负载电流只有满载、空载两种工作状态，所以不会对LED 的色温、色偏等性能造成干扰。因此，PWM 调光为本设计系统的主要调光方式。本设计实例中，PWM工作频率为1 kHz，实现占空比256级，RGB合成颜色数量为：256×256×256=1 600万色。

为了满足用户对照明颜色、亮度和色温自主调节的要求，系统的照明光源采用封装全彩红、绿、蓝三基色LED的集合灯芯，3颗LED芯片集成在一个的5 mm×5 mm尺寸陶瓷基座上，混色效果好。LED芯片的控制参考电压分别为：R（红），1.8～2.0 V；G（绿），3.2～3.4 V；B（蓝），3.2～3.4 V。对于 LED 红、绿、蓝三种小灯珠的发光强度的比例，一般选择为： 3（红）∶6（绿）∶1（蓝），可以组合得到白色。因此用户可以根据自己需要调节颜色和亮度，即通过改变封装好的三基色LED中的各种颜色小灯珠的驱动电流比例，从而实现对LED光源的亮度和色温的调节。因系统运用的LED灯光谱十分灵活，其显色性和辐射光受三颗单色的小灯珠共同影响，所以封装好的三基色LED灯，具有良好的稳定性，其发光的亮度和颜色的调节也十分方便。

2.3 WiFi模块电路

本系统直接采用WiFi模块，电路设计如图5所示。WiFi模块可以加入WiFi无线通信网络，实现控制器接入网络。智能手机客户端APP和ESP8266无线控制模块都分别加入预设WiFi网络，APP的相关控制信号经由WiFi网络传送给智能照明控制器。当ESP8266无线控制模块接收到相应的控制信号时，通过UART串口传送给STM8单片机处理，不同的控制指令使单片机的三个PWM输出端口输出占空比互不相同的PWM控制信号，以对三基色LED灯带的三种不同颜色的小灯珠进行亮度调节，从而组合成用户要求的颜色和亮度。ESP8266模块与单片机连接，在实时传送用户控制信号到单片机的同时，单片机报告智能照明控制器的状态到用户手机，使数据稳定传输和进行实时监测。

2.4 电容触控输入电路

利用人体的电容效应，可以实现手指触摸侦测[20]。如图6所示，本系统电容触控电路采用WTC401专用触控芯片，设置了8路触摸开关输入。当人体接触到电路板的覆铜触摸片上，根据平行介质电容公式得：

式中：ε为介电常数；k为静电常量；S为电容极板的正对面积；d为两极板间距离。当S和d发生变化时，感应电极与电路地之间的电容值发生改变，WTC401捕抓到此变化后进行信号处理，生成触摸输入位置信息，随后把数据传送到单片机，最后由单片机根据触摸开关的按下情况控制三路PWM的输出占空比，进而控制LED灯带照明。

在实际使用中，在圆形触控面板上设计8个触控按键版图，采用尖劈方式彼此交叉，首尾相连，构成一个触控环。触控区域可量化为64个物理触摸位置信息，单片机通过SPI接口不停地查询WTC401，实时获取手指触摸位置信息，转为64种颜色编码，控制PWM调光调色。

3 系统软件设计

本系统基于嵌入式开发平台，对STM8单片机进行C语言程序编译。在软件编写中可分为以下几个部分：系统初始化、触摸按键识别、逻辑判断、PWM输出、看门狗复位、WiFi模块驱动及传输协议解析。主程序流程图如图7所示。

本设计在手机客户端上基于Android软件开发平台，编写了一款手机软件，此软件主要配合硬件系统进行无线控制及实时状态监测。Eclipse 拥有免费、源代码开放、无限的可扩展性等特点，为本系统的软件编写提供了便利的条件。本系统借助 Eclipse软件，运用Java语言进行控制程序编写，编译完成后可生成一个.apk文件，将其下载至手机，可得到一个手机APP软件，借助这个软件便能在WiFi网络下与ESP8266模块进行通信，进而与单片机系统进行数据交接，手机APP软件编译后的手机APP灯光控制主界面如图8所示。

4 物联网云平台的接入

智能照明的云平台工作流程如图9所示。广州机智云物联网科技有限公司提供智能硬件自助开发的云服务平台，本系统选择其提供服务的机智云作为物联网云接入平台。在WiFi模块中，已内置了机智云系统云端编译好的固件。硬件部分通过WiFi模块与机智云通信，上传设备状态数據。机智云与WiFi模块通信将手机APP控制命令下发给控制器执行。若控制器与手机接入同一局域网，则手机APP可直接与系统硬件交互，无需通过机智云。机智云支持设备以HTTPS，MQTT方式接入。HTTPS接入的场景主要有：获取设备配置信息、获取设备升级信息等。MQTT接入场景有：订阅设备控制指令、发布设备状态等。

5 系统调试与结果分析

软件调试好后，将智能照明控制器接入预定WiFi网络，智能手机接入同一个WiFi网络。APP软件添加设备后，可实现对灯带的实时控制。智能照明控制器电路板实物如图10～图12。彩光灯带在APP界面和触控面板输入控制下的显示效果如图13所示。

智能灯光控制器与彩光灯带参数为：控制器供电，DC 12 V/1 A；灯带功率，6 W（30×0.2W/LED）；PWM输出，1 kHz，256级占空比；调色能力，1 600万色；触控分辨率，64点@8按键环路；WiFi标准，2.4 GHz IEEE 802/11 b/g/n。

6 结 语

本文提供了一种具备触控功能的智能照明控制器设计方案，并对此方案进行了详尽的描述，通过无线WiFi网络环境下对照明系统进行远程无线控制，在一定程度上方便用户在远距离控制照明系统。为了进一步提高用户体验，系统通过有线电容触控方式增强了控制器的灵活性和实用性，在功能上实现了LED灯带的亮度调节和色彩调节，最终带给用户全新体验，促进智能照明系统技术的应用普及。

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