基于ESP8266的智能家居灯光控制系统

2020-12-10李奕轩李鹏程肖永军夏亚辉周永婕

湖北工程学院学报 2020年6期

李奕轩,李鹏程,肖永军,夏亚辉,周永婕

(湖北工程学院物理与电子信息工程学院，湖北孝感 432000)

近年来，伴随着社会的发展及生活节奏不断加快，繁忙的工作、父母的希望以及同辈之间的竞争已经使得当代人的生活越发沉重，生活压力不断提高，致使人们始终对良好休息环境的需求不断增强，越来越看重居家中的生活细节。因此，在家中实现便捷、安全和温馨的环境，同时可防犯家中外人入侵或能及时自动报警的需求越来越广泛[1-2]。现在电子行业的开发速度加快，琳琅满目的产品让人们应接不暇，将先进的技术和人们想要的温馨生活相结合，便促使了智能家居的产生，因而研究监测外人入侵以及家庭环境监测、灯光控制为一体的控制系统具有重要的意义及应用价值[3-7]。

本文尝试以ESP8266为核心，搭配温湿度传感器、人体热释电传感器、12位5050封装RGB彩灯以及电源模块，设计并制作了智能家居灯光控制系统，最终设计并制作了实物及WEB控制端，取得了较好的效果。

1 智能灯光控制系统硬件设计

智能家居灯光控制系统设计总体框图如图1所示，其主要由ESP8266开发板、人体热释电传感器、DHT11温湿度传感器、灯光驱动及RBG灯和WEB服务器构成。其中ESP8266开发板采用ESP-12F系列的Wifi驱动模块，主要完成对下(联系下层硬件资源，如温湿度传感器和人体热释电以及RGB灯光)和对上(WEB服务器)的控制及服务。人体热释电传感器为HC-SR501模块，其针对人体的检测半径大约是5 m，角度是120°，用于检测房间内是否有外人入侵。DHT11温湿度传感器为集成化一体式传感器，用于感测系统所在环境的温湿度信息。灯光驱动及RBG灯采用集成式的12位环形5050封装的RGB灯光组，内置WS2812D驱动，支持Arduino系统的直接开发与连接。WEB服务器可以采用独立开发，也可以采用一些公用的云平台，如机智云、阿里云、腾讯云等。主要负责与ESP8266网络模块进行通信，从而使用户在手机端或者网页端实时查看信息或者发送相关指令。

1.1 ESP8266开发板最小系统设计

SEP-12F系列(ESP8266的增强版)ESP8266的内部集成了Mode MCU，该MCU上有9个IO口(GPIO5、GPIO4、GPIO0、GPIO2、GPIO15、GPIO16、GPIO14、GPIO12和GPIO13)，而且还带一路ADC转换引脚，以及串口通信引脚TXD和RXD，板载VCC和GND。板子上更是增加了SPI口的引出口，同时Arduino IDE为其开发了MCU库资源[8-10]，通过串口连接到电脑端的Arduino软件，即可进行编程开发，从而完成通信以及底层硬件的控制，使得开发更为便捷容易。

图1 系统总体设计框图

图2 ESP8266及MCU最小系统原理图

基于ESP8266开发板的最小系统电路图如图2所示，在本次设计中，ESP8266既负责联网，与网络端的WEB或者手机进行通信，又利用自身的Node MCU控制着相关的硬件，如灯光系统(工作电压5 V，可接收3.3 V的PWM脉冲)、DHT11温湿度传感器(接3.3 V电压)以及人体热释电传感器(5 V工作电压，但是输出信号为3.3 V)[11-13]。

1.2 灯光模块控制电路设计

为方便进行灯光控制，采用了集成化一体的外控LED光源，即WS2812全彩LED，其内部集成了控制所需的接口电路，诸如电源稳压电路、内置恒流、高精度RC振荡等电路，LED的控制采用PWM方式。

1.2.1 WS2812D全彩LED驱动

如图3所示，全彩LED上集成了WS2812D驱动IC以及LED光源，其为一体式结构，共同集成在直径为5 mm的贴片灯珠内，构成一个相对完整的像素点(外部控制)，其内部的任何一个像素点收到信号后均整形后再次输出。其采用四脚贴片封装，1脚为GND，2脚为DI，3脚为VCC，4脚为DO，外部控制信号从2脚DI输入，从4脚DO输出。由于内部进行了集成，其工作电压为5～7 V。其在实际应用中，往往不是一个单个的灯珠，而是多个串联进行应用。

图3 5050贴片全彩LED实物图及电路图

1)单株芯片的驱动控制。该芯片为全彩的LED芯片，内部由RGB三个控制二极管构成，需要24位数据来依次完成该芯片的像素控制，其中每种颜色使用8位二进制数，控制的顺序的GRB(绿色—红色—蓝色)。8位二进制数刚好可以表示255级变化，与实际使用的颜色想对应，以G颜色表示，若需要该种颜色的亮度越大，需要写入255，即表示的8位为11111111；若需要关闭该颜色，则写入0(也可以认为亮度最小)，即00000000。根据三基色原理，若移入的24位值分别不同，可以形成不同亮度的RBG色彩，最终可以混色成为自然界中的任何一种颜色。当然若需要表示为白色，则24位值全部写入1即可，即每个成分均为255。

24位中的每一位的表示如图4所示，其要求如下：

逻辑低电平：0.35 μs的高+0.8 μs的低电平；

逻辑高电平：0.7 μs的高+0.6 μs的低电平。

按照对应的宽度拉高拉低IO口即可实现不同的“0”和“1”输出。

图4 芯片的逻辑低和高电平的表示

2)多颗芯片的驱动控制实现。当需要多颗芯片工作应用时，其实现的原理如图5所示，PWM信号从第一颗的LED的DI引脚输入，从其DO引脚输出，芯片内部自动移位输出(而且进行了波形整形)，每移过一个芯片，其数据则减少24位。

图5 系统工作状态指示电路图

1.2.2 12位环形5050 LED灯光模块及接口电路设计

如图6所示，其为12位环形LED灯模块，即为全彩的WS2812D构成的RGB灯光模块，控制信号从LED1的2脚DI输入，从DO引脚输出，多个LED级联形成电路，同时在模块上配置了104贴片电容作为去耦电容。同时模块间也可以级联，其可以对下一级输出，也可以接收上一级的输入。在控制中，1脚接入PWM信号(由控制器产生)，2脚为空，3脚接电源VCC(本例中为5 V电源)，4脚接地。由于控制器模块的电源为3.3 V，其输出的PWM信号也为3.3 V，该电路可以

图6 12位环形LED灯模块内部电路图

兼容3.3 V和5 V脉冲，使得控制能够得以顺利实现。

2 智能灯光控制系统软件设计

ESP8266板载MCU软件执行总流程图如图7所示，MCU控制器上电初始化，主要为设置串口波特率、网络连接模式、初始化光带及亮度。之后进入循环LOOP任务。

在任务中，首先判断温湿度数据读取是否失败，若失败，延时1 s后继续判断，直到温湿度数据读取成功。随后读取并保存温湿度数据信息，并设置人体红外检测信息。之后将上述数据信息设置为既定格式，发送至服务器。完成后，等待服务器返回数据，若有数据返回，则数据的长度大于0；否则无数据返回，直接退出。若有数据返回，则打印输出接收到的数据，并同时进行相关的数据指令处理，之后进行软件喂狗，最后返回，继续执行LOOP循环。以此往复执行。

图7 板载MCU系统软件执行总流程图

3 测试及结果分析

3.1 测试实物制作及WEB端软件设计

根据上述设计焊接了实物，如图8所示，板子上存在ESP8266最小系统板、DHT11温湿度传感器、人体热释电传感器、12位5050封装的RGB彩灯模块。整个实物采用USB进行供电，同时设置了LM1117三端稳压电源，将输入的5 V电压转换为3.3 V输出，并经过电容平滑滤波后送给ESP8266的内部CPU使用。

同时基于spring下的JAVA编程语言设计了WEB端控制软件。首先登录设计的WEB端网页(118.89.31.89∶8899/rgb/user-lpgin.html)，并输入输入用户名“admin”和六位密码，以及随机的验证码后，即可进入welcome界面(首页面)，可以在页面中完成如下操作和测试实验：温湿度传感器数据读取、热释电传感器数据读取与测试以及智能灯光测试实验。

图8 系统硬件实物图

3.2 测试结果分析

1)温湿度传感器信息获取及热释电传感器测试。采用的测试方案为：不同的温度采用打火机炙烤，不同的湿度采用加湿器进行环境加湿。每组数据测量5次，计算平均值。通过将本设计的实物测试结果与市售的温湿度结果进行比对测试，以判断其测量准确性。具体的测试数据如表1所示，从表中可以看出，本系统测量的环境温湿度信息与市售的测量结果一致，说明本系统测量准确，能及时采集当前环境的温湿度信息以及是否有人信息，进而上传至WEB服务器端。

表1 系统测试实验数据对比表

2)灯光控制测试。灯光控制的操作主要是手工操作及现象观察，具体如下：默认状态下，灯光是关闭的；点击页面下方灯泡进行开灯操作，则页面会显示“开灯成功”。观察到实物的灯光打开，同时WEB页面上进一步显示彩色的灯泡，其下方的按钮则激活显示，诸如调节亮度进度条、更改颜色按钮和模式选择列表框。可点击更改灯光的颜色、调整亮度或者流水花色等功能，下位机实物硬件均会呈现相应的变化。