基于物联网技术的室内LED智能照明控制系统

本科毕业设计 论文 本科毕业设计 论文 题 目 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 姓 名 专 业 学 号 指导教师 二二 O 一五年六月一五年六月 目 录 中文摘要 I 英文摘要 II 前言 III 1 智能照明系统关键技术分析 1 1 1 物联网技术简介 1 1 2 照明系统现状分析 2 1 3 物联网下的智能照明 2 2 总体方案设计 5 2 1 系统的需求分析 5 2 2 系统架构设计 5 2 3 通信协议设计 6 2 3 1 协议数据帧格式 6 2 3 2 控制协议的具体实现 7 3 硬件设计 8 3 1 电源模块 8 3 2 单片机最小系统 10 3 3 WIFI 模块 10 3 3 1 ESP8266 模块电路设计 10 3 3 2 ESP8266 模块特性 11 3 3 3 ESP8266 模块功耗 11 3 4 按键输入模块电路的设计 12 3 5 RGB 灯驱动电路设计 12 3 5 1 WS2811 主要特点 13 3 5 2 WS2811 概述 13 3 5 3 WS2811 管脚说明 14 4 wifi 模块使用 16 4 1 工作模式 16 4 2 AT 指令集 16 4 2 1 基础 AT 指令 17 4 2 2 WiFi 功能 AT 指令 17 4 3 3 TCP IP 工具箱 AT 指令 19 5 软件设计 26 5 1 软件总流程图 26 5 2 RGB 灯驱动程序编写 27 5 3 WIFI 驱动编写 31 5 4 数据帧处理机制 32 总 结 40 致谢 42 参考文献 43 附录一 原理图 44 附录二 实物图 45 附录三 手机客户端操作界面截图 46 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 基于物联网技术的室内基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统照明控制系统 摘 要 WIFI 是短距离 低成本无线通讯技术之一 它可以用于替代移动设备之 间的通讯电缆 从而形成个人无线网络 它不仅使计算机和通信的融合成为可 能 而且随着它的不断进步 还可以把家电 娱乐电子产品与计算机 通信系 统的终端融为一体 使人们在家里 办公室或者公共场所就能实现统一的操作 和控制 为办公室的自动化和家庭通信的实施创造了良好的条件 随着电子科 学技术的迅速发展 特别是随着大规模集成电路的出现 给人类生活带来了根 本性的改变 尤其是单片机技术的开发应用发展 现在产品几乎已经走进了千 家万户 基于 WIFI 的手机控制多彩台灯设计正是响应当前无线控制发展浪潮 设计的作品 其中涉及的 WIFI 无线通讯技术就是 WIFI 的典型应用 它的开 发为后期研究奠定了基础 本文从通过手机 WIFI 进行 PWM 控制的角度来进 行设计的 本文介绍了一个 WIFI 控制的 PWM 调光 RGB 灯的系统结构及工作 原理 具体阐述了 PWM 控制下的三基色混光原理 及利用先进 WIFI 技术控 制下的工作原理 从而确定整个设计的方案和调试步骤 关键词 WIFI 三基色混光 PWM控制 TCP IP 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 THINGS TECHNOLOGY INDOOR LED LIGHTING CONTROL SYSTEM Abstract WIFI is a short distance one low cost wireless 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 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 development 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 responsive 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 system 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 procedures Key words WIFI tricolor mixed light PWM control TCP IP 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 前言 使用智能照明控制系统相比传统的照明控制具有很大的优越性 首先 它 具有良好的节能效果 智能照明控制系统能够借助各种不同的用户根据自身喜 好预先设置的控制方式和控制元件 对不同时间 不同环境的光照度和范围进 行精确设置和合理管理 这样在保证使用的前提下实现节能 这种自动调节的 方式 能够充分利用室外的自然采光 只有必需时才把灯点亮或点到要求的亮 度 它和自然光配合共同照明 利用最少的能源保证所要求的照度水平 节电 效果很明显 一般可达到 30 以上 智能照明控制系统的另一大功效是改善工作环境 提高工作效率 良好的 工作环境是提高工作效率的一个必要条件 这也能间接的带来巨大的经济效益 良好的设计灯具布局 合理地选用光源灯具 营造舒适的照明环境 配合优良 的照明控制系统 都能很好的提高照明质量 智能照明控制系统用调光模块控 制面板代替传统的开关控制灯具 可以将灯具的开关和照度预先设置为不同的 模式 用户可以简单的通过界面来选择最适合的照明模式 不仅更加舒适 还 能有效地控制各房间内整体的照度值 从而提高照度均匀性 智能照明控制系统还实现了多种照明效果 多种照明控制方式 可以使同 一建筑空间具备多种照明效果 以适应不同的需求 现代建筑物中 照明不仅 单纯地为满足人们视觉上的明暗需求 更应具备多种的控制方案 使建筑物功 能更加多样化 也能给人丰富的视觉效果和美感 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 1 智能照明系统关键技术分析 物联网是当下一种新的思维方式 物联网的发展将带来更多新的业务和应 用 物联网并没有很多全新的技术 应用创新与用户体验才是物联网发展的核 心 在物联网发展的同时 另一个和物联网看似毫无关系的方面也在和物联网 越来越有关 那就是智能照明系统 智能照明不仅仅是一种简单的照明控制课 题 它在带来舒适性的同时也能大量的节约能源 传统的智能照明技术已经能 够很大幅度的节能 但是它的各部分控制仍然是割裂开的 如果能将物联网和 智能照明结合 将更大程度的提高智能照明的节能效果和照明的智能度与舒适 度 本文基于目前对于物联网和智能照明的各项研究 分析了二者结合的基本 情况和发展前景 并对于其中的一些关键技术和功能进行了简单的概述 1 1 物联网技术简介 物联网被定义为 射频识别 RFID 红外传感器 全球定位系统 激 光扫描器等信息传感设备 按约定的协议 以连接到因特网的任何物品 是信 息交换和通讯 以实现智能化识别 定位 跟踪 网络的监控和管理 物联网 概念提出于 1999 年含义就是 物物相连的互联网 这有两层意思 第一 核 心和基础的东西仍然是互联网 是基于互联网扩展网络和扩展 第二 其用户 端延伸和扩展到了任何物品与物品之间 进行信息交换和通讯 下图 1 1 所示 为物联网拓扑图 条码 二维码 全球定位系 统 射频识别 RFID M2M短距离无 线网络 传感网 WSN 物联网 接入网 下一代互联网 Internet 图 1 1 物联网拓扑图 就其本身来说 物联网代表了下一代信息发展技术 但是就它的某些应用 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 领域和应用方式来说 中国公众也不算太生疏 它是对现有信息技术的统一聚 合应用和升华 物联网将现代网络技术 感知技术 人工智能和自动化技术结 合起来 进行一定的集成并应用到了更广阔的范围 实现了人与物 物与物之 间的对话 创造出了一个更加智慧的世界 物联网技术与信息技术有着千丝万缕的联系 它们在各个层次和方面都有 着不可或缺的关系 物联网具有很强的系统性和集成性 也有着广阔的创新和 发展前景 因此物联网又被称作信息技术的第三次革命性创新 1 2 照明系统现状分析 由于当今世界能源的紧缺 节约能源成为了目前各用能领域的趋势 而现 代建筑物的能耗相当大 跟据有关统计资料 建筑的能耗占整个国家能耗总量 的 30 建筑物的能耗通常体现在建筑设备的能耗上 由于建筑布局的原因 许多建筑在白天也需要进行人工照明 照明用电已成为建筑的主要能耗之一 根据能耗分析表明 建筑照明能耗占基本能耗的 12 以上 建筑照明因而成为 节能的重要环节 另外照明负荷占大楼冷负荷的 16 降低照明的功耗和从而 降低照明系统的发热量也十分重要 因此 照明系统的节能改造显得特别的重 要 随着目前灯具科技的发展 LED 灯具逐渐成为节能的主力军 LED 灯具 被称为第四代照明灯具 光源具有节能 环保 寿命长 体积小等优点 随着 LED 发光效率的不断提高 以及价格逐步下降 LED 光源在通用照明方面具 有很大的优势 LED 光源最大的特点就是同等照度条件下的功率比传统灯具低 很多 因此 采用 LED 灯具能够很大程度的节能 节能除了设备上的更新 控制系统的优化也能起到很大的作用 因此 除了将原先老式的照明灯具改造 为新的高效灯具 还可以通过更加智能的照明控制 帮助建筑节能和实现更好 的控制 1 3 物联网下的智能照明 显然 独立的照明控制已经发展的很成熟 但是很多时候使用者无法准确 的根据情况设置参数 而且外界情况多变 仅仅靠非专业的使用者来控制无法 达到最佳的效果 而且 任何的控制几乎都要在现场进行 在物联网环境下 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 使用者可以利用远程计算机和通信设备通过互联网对室内照明设施进行监控和 控制 室内照明发生故障时能自动发送电子邮件或短信进行报警 同时室内照 明制造商可以通过网络在线指导用户排除故障或对产品进行售后跟踪服务 物联网赋予照明控制的另一大优势是 室内照明能够记录使用者的习惯和 生活方式 利用情景感知技术提供人与家电 环境的自然交互 不仅如此 它 还可以预测使用者的需求和使用 在物联网这一广阔平台上 室内照明系统必 将为用户带来全新的生活方式 室内照明系统系统结构如下图 1 2 所示 图 1 2 智能照明系统结构图 物联网的智能照明系统之所以 聪明能干 的首要原因在于其自适应的特征 物联网所提供的大量的传感技术 无线通信技术以及射频识别等技术 通过传 感器及微处理控制系统 使物联网的智能照明系统能够 感知 环境 根据外界 情况的变化作出相应的解决方案 为用户提供最适宜 最自然的服务 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 红外传感器 超声波传感器 光敏传感器 A D 转 换 器 微 处 理 器 D A 转 换 器 电子开关LED电源及光源 图 1 3 智能照明控制框图 上图 1 3 所示即为智能照明系统控制原理 物联网的智能照明系统内置的 传感器感知外部环境变化后 根据自身条件 不同的情况做出不同的工作方案 以适应不同的需求 时刻保持最佳状态 物联网的智能照明系统还可通过对用 户习惯的学习 替用户省去大量状态设定的操作 使用起来更加轻松便捷人性 化 而且一旦用户习惯改变 物联网的智能照明系统也能随之产生新的设定 物联网技术在智能照明行业的应用发展迅速 但是这种技术的初期投入高 而且只有在成熟的社会物联网网络下才能发挥最大的效用 因此需要全社会各 行各业的支持和参与 并且需要国家相关政策的大力扶持 先进的智能照明系 统不但节约能源 还可以提升城市的形象 美化居室环境 给人们提供更加安 全和舒适的照明环境 随着社会的发展和人们对于照明要求的不断提高 智能 照明系统也在朝着结构多样化 应用扩大化的方向快速发展 智能照明系统的 设计和应用将会有更多的创意和创新 也将会有更多的物联网技术被结合到智 能照明系统中 相信通过物联网的帮助 一个智能化的照明新时代正在向我们 走来 人类的照明生活将会更加智能和舒适 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 2 总体方案设计 总体方案设计是关系到产品定位 器件选型和技术路线的关键行设计 它 主要包括以下内容 2 1 系统的需求分析 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统设计目的是为了实现安卓手机 PAD 通过安装 APP 来控制彩色 LED 灯的颜色 亮度 整个系统主要包含通 信系统和控制系统两大部分 其中通信系统使用 WIFI 模块通过 UDP 协议来完 成单片机和手机 PAD 之间的数据传输 控制系统使用增强型 51 单片机产生四 路 PWM 信号实现对彩灯的颜色 亮度调整 为了保证脱离网络和手机也能控 制灯光 本系统还可以设计几组按键来调整灯光颜色和开关 系统具体实现功 能如下 1 整个系统网络由灯控终端建立一个 wifi 热点无需外网接入 数据传 输层采用的是 UDP 协议通信机制 对 LED 灯能够实现开 关 调光功能 2 由于整个系统是建立在 WIFI 网络基础上的 对 WIFI 模块建立的 热点默认 SSID 是 MY RGB 密码是 为了保证保证通信安全 网络采用了 WPA2 加密方式 3 手机客户端和灯控终端通信使用的是 UDP 通信方式 灯控终端处于 server 模式监听 7136 端口 手机客户端会将控制数据帧发送到这个端口经单片 机解析数据后实现对灯光的控制 4 灯控终端在正常使用时要求在同一时间内单盏灯只能接受一个客户 端的请求 以避免命令信息的错乱现象 2 2 系统架构设计 本系统主要实现以下几个功能 一是用按键对彩色 LED 灯的控制包括开 关 调光 调色等 二是能够通过安卓客户端来对 LED 灯控制 室内 LED 智 能照明系统主体框架由手机客户端 灯控终端两个部分组成 其中系统终端部 分是本文研究的重点 由 WIFI 终端 AP 节点 STC15F408AD 单片机 RGB 灯 RGB 灯构成驱动电路构成 LED 智能照明系统整体架构如图 2 1 所示 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 图 2 1 室内 LED 智能照明系统总体架构图 过上图可以看出 室内 LED 智能照明系统主体框架由手机客户端 及系 灯光控制终端两个部分组成 各部分具体功能分析如下 1 手机 PAD 客户端 本系统客户端部分是基于 Android 操作系统来 实现的 通过搭建 eclipse 软件开发环境来实现用户对系统的界面功能 2 灯光控制终端 该部分主要由 WIFI 模块 STC15F408AD 单片机及 RGB 灯 PWM 驱动电路 电源模块 AP 作为终端的无线通信设备 主要用来实现同手机客户端之间的数据有 效传输功能 数据的具体交换过程可通过系统内部协议来完成 STC15F408AD 单片机作为系统终端的控制备 主要实现的功能有串口数据交 换 PWM 调光脉冲的产生 按键处理以及灯光控制终端数据的存储等 2 3 通信协议设计 通信协议是是室内 LED 智能照明控制系统至关重要的部分 它是连接手 机 PAD 客户端和灯光控制终端的桥梁 对于本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 2 3 1 协议数据帧格式 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 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 2 3 2 控制协议的具体实现 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 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 3 1 所示 图 3 1 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 3 1 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 3 3V 和 5V 两路供电 3 3V 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 3 2 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 图 3 2 电源模块 图 3 2 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 3 3V 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 1 8V 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 1 8V 3 3V 和 5 0V 可调电压输出版本能提供的输出电压范围为 1 8V 5 5V 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 1 8V 3 3V 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 3 2 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 3 3 所示 图 3 3 最小单片机系统 3 3 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 UART WiFi 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 Wi Fi 无线网络上 进行互联 网或局域网通信 实现联网功能 3 3 1 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 Internet 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 3 4 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 图 3 4 WIFI 电路模块 3 3 2 ESP8266 模块特性 1 支持无线 802 11 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 3 3V 单电源供电 3 3 3 ESP8266 模块功耗 由于 wifi 处于 2 4G 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 3 1 所示功耗数据是基于 3 3V 的电源 25 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 表 3 1 ESP8266 功耗测试 模式测试结果单位 传送 802 11b CCK 1Mbps Pout 19 5dBm 215mA 传送 802 11b CCK 11Mbps Pout 18 5dBm 197mA 传送 802 11g OFDM54 Mbps Pout 16dBm 145mA 传送 802 11n MCS7 Pout 14dBm135mA 接收 802 11b 包长 1024 字节 80dBm100mA 接收 802 11g 包长 1024 字节 70dBm100mA 接收 802 11n 包长 1024 字节 65dBm102mA 系统待机模式70mA 关机0 5 A 3 4 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 3 5 为本设计所使用的按键电路 图 3 5 按键电路原理 3 5 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 WS2811 来驱动 RGB 灯 图 3 6 是电路原理图 图 3 6 RGB 灯驱动电路模块 3 5 1 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 3 5 2 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 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 50 s 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 3 5 3 WS2811 管脚说明 图 3 7 WS2811 引脚 图 3 7 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 3 2 所示 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 表 3 2 WS2811 引脚说明 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 4 wifi 模块使用 4 1 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 4 2 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 4 1 所示 表 4 1 AT 指令类别 测试命令AT 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 该命令用于返回参数的当前值 设置命令AT 该命令用于设置用户自定义的参数值 执行命令AT 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 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 4 2 1 基础 AT 指令 1 测试 AT 表 4 2 为命令语法说明 表 4 2 测试 AT 语法规则 命令类型语法返回和说明 执行命令ATOK 2 重启模块 表 4 3 是重启命令使用规则 表 4 3 重启模块语法规则 命令类型语法返回和说明 执行命令AT RSTOK 4 2 2 WiFi 功能 AT 指令 3 选择 WiFi 应用模式 表 4 4 为命令语法 4 5 是命令参数 表 4 4 选择 wifi 应用模式语法规则 命令类型语法返回和说明 OK 设置命令 AT CWMODE 此指令需重启后生效 AT RST CWMODE OK 查询命令AT CWMODE 当前处于哪种模式 CWMODE 取值列表 OK 测试命令AT CWMODE 当前可支持哪些模式 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 表 4 5 选择 wifi 应用模式参数定义 参数定义取值对取值的说明 1Station模式 2AP模式WiFi 应用模式 3AP Station模式 4 设置 AP 模式下的参数 表 4 6 为命令语法 4 7 是命令参数 表 4 6 设置 AP 模式语法规则 命令类型语法返回和说明 OK 设置命令 AT CWSAP 设置参数成功 OK 查询命令AT CWSAP 查询当前AP参数 表 4 7 设置 AP 模式参数定义 参数定义取值对取值的说明 0OPEN 1WEP 2WPA PSK 3WPA2 PSK 加密方式 4WPA WPA2 PSK 接入点名称字符串参数 密码字符串型 最长64字节 ASCII编码 通道号 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 4 3 3 TCP IP 工具箱 AT 指令 1 建立 TCP UDP 连接 表 4 8 为命令语法 4 9 是命令参数 表 4 8 建立 TCP UDP 连接语法规则 命令类型语法返回和说明 设置命令 单路连接 CIPMUX 0 时 AT CIPSTART 多路连接 CIPMUX 1 时 AT CIPSTART 如果格式正确 返回 OK 否则返回 CME ERROR invalid input value 连接成功 返回 CONNECT OK CPIMUX 0 CONNECT OK CIPMUX 1 如果连接已经存在 返回 ALREADY CONNECT 连接失败返回 CONNECT FAIL CIPMUX 0 CONNECT FAIL CIPMUX 1 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 表 4 9 建立 TCP UDP 连接参数定义 参数定义取值对取值的说明 Link No 0 4 表示链接序号 0号连接可 client或server连接 其他id只 能用于连接远程server 连接类型 TCP UDP 远程服务器 IP 地址 字符串型 远程服务器端口 号 2 获得 TCP UDP 连接状态 表 4 10 为命令语法 4 11 是命令参数 表 4 10 获得 TCP UDP 连接状态语法规则 命令类型语法返回和说明 如果是单路连接 AT CIPMUX 0 返回 OK STATE 如果是多路连接 AT CIPMUX 1 返回 OK STATE 执行命令AT CIPSTATUS 如果配置为服务器 STATE IP STATUS S C 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 测试命令AT CIPSTATUS 返回 OK 表 4 11 获得 TCP UDP 连接状态参数定义 参数定义取值对取值的说明 IP INITIAL初始化 IP STATUS获得本地 IP 状态 TCP CONNECTING UDP CONNECTING TCP 连接中 UDP 端口注册 中 CONNECT OK连接建立成功 单连接状态 TCP CLOSING UDP CLOSING 正在关闭 TCP 连接 正在 注销 UDP 端口 IP INITIAL初始化 多链接状态 IP STATUS获得本地 IP 状态 服务器 id0 1取值为 0 和 1 OPENING正在打开 LISTENING正在监听服务器状态 CLOSING正在关闭 客户端 id0 4取值为0 1 2 3 4 IP 地址 字符串参数 字符串需要加引 号 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 服务器监听端 口号 整数型 CONNECTED已连接 客户端状态 CLOSED已关闭 1 启动连接 表 4 12 为命令语法 4 13 是命令参数 表 4 12 启动连接语法规则 命令类型语法返回和说明 OK 如果已经处于多连接模式 则返回 Link is builded 设置命令 AT CIPMUX 启动多连接成功 CIPMUX OK 查询命令AT CIPMUX 查询当前是否处在多连接模式 表 4 13 启动连接参数定义 参数定义取值对取值的说明 0单连接模式 是否处在多连接模式 1多连接模式 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 2 发送数据 表 4 14 为命令语法 4 15 是命令参数 表 4 14 发送数据语法规则 命令类型语法返回和说明 响应 模块收到指令后先换行返回 然后开始接收串口数据 当数据 长度满 length 时发送数据 如果未建立连接或连接被断开 返回 ERROR 如果数据发送成功 返回 SEND OK 设置命令 单 路 连 接 CIPMUX 0 时 AT CIPSEND 多路连接 CIPMUX 1 时 AT CIPSEND 说明发送指定长度的数据 单路连接 AT CIPMUX 0 返回 CIPSEND OK 测试指令AT CIPSEND 响应 多路连接 AT CIPMUX 1 返回 CIPSEND OK 执行命令AT CIPSEND说明 AT CIPMODE 1并且作为客户端 模式下 进入透传模式 需要支持 硬件流控 否则大量数据情况下 会丢数据 模块收到指令后先换行返回 然后会发送串口接收到的数据 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 表 4 15 发送数据参数定义 参数定义取值对取值的说明 数据长度单位 字节 Link No 0 4连接序号 3 关闭 TCP UDP 连接 表 4 16 为命令语法 4 17 是命令参数 表 4 16 关闭 TCP UDP 连接语法规则 命令类型语法返回和说明 单路连接时 AT CIPCLOSE 返回 CLOSE OK 设置命令 多路连接时 AT CIPCLOSE 返回 CLOSE OK 执行命令AT CIPCLOSE 如果关闭成功 返回 CLOSE OK 如果关闭失败 返回 ERROR 测试命令AT CIPCLOSE 返回 OK 注意事项 执行命令只对单链接有效 多链接模式下返回 ERROR 执行命令 AT CIPCLOSE 只有在 TCP UDP CONNECTING 或 CONNECT OK 状态下才会关闭连接 否则会认为关闭失败返回 ERROR 单路连接模式下 关闭后的状态为 IP CLOSE 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 表 4 17 关闭 TCP UDP 连接参数定义 参数定义取值对取值的说明 0慢关 缺省值 关闭模式 1快关 Link No 0 7整数型 表示连接序号 1 获取本地 IP 地址 表 4 18 为命令语法 4 19 是命令参数 表 4 18 获取本地 IP 地址语法规则 命令类型语法响应和说明 执行命令AT CIFSR 响应 CIFSR OK 或者 ERROR 测试命令AT CIFSR 响应OK 表 4 19 获取本地 IP 地址参数定义 参数定义取值对取值的说明 本机目前的 IP 地址 station AP 模式默认 IP 192 168 4 1 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 5 软件设计 5 1 软件总流程图 灯控终端核心是 STC15F408AD 单片机 单片机系统开发使用 KEIL C51 编译器 源程序采用 C 语言编写 真个程序使用面向对象编程方式 事件均为 消息驱动方式 程序主要有主函数和串口中断处理两大部分 他们之间的消息 传递通过全局缓冲区和标志位进行消息传递 整个软件流程图如图 5 1 所示 图 5 1 软件流程图 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 5 2 RGB 灯驱动程序编写 由于本系统 RGB 灯驱动采用了 WS2811 专用驱动芯片 故需要写底层驱 动函数来实现 PWM 调光 WS2811 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 芯片的的驱动时序如图 5 2 所示 表 5 1 为高 速模式时间 图 5 2 WS2811 时序波形图 表 5 1 WS2811 高速模式时间 由上图可以看出 WS2811 对时序要求十分严格 精确到了 ns 级别 本系 统使用的 STC15F408AD 是 1T 机器周期单片机 当时钟设置为 20MHZ 时 机 器周期是 50ns 为了符合时序要求 驱动程序采用了 nop 单周期延时指令 来精确延时 用单片机模拟 0 1 和 REST 码 下面的程序是经过示波器调 试后的 WS2811 底层驱动 WS2811 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 0 码 T0H 500ns T0L 2000ns 1 码 T1H 2000ns T1L 500ns RES 50us STC15W408AS CLOCK 20MHZ 时钟周期 50ns 机器周期 200ns define speed 5 刷新数据时间变量 define RGB size 1 数据显示个数变量 uint t uchar bdata LED DAT 可位操作的数据发送暂存变量声明 sbit bit0 LED DAT 0 被发送的数据各位定义 sbit bit1 LED DAT 1 sbit bit2 LED DAT 2 sbit bit3 LED DAT 3 sbit bit4 LED DAT 4 sbit bit5 LED DAT 5 sbit bit6 LED DAT 6 sbit bit7 LED DAT 7 uchar RR GG BB RGB 灰度值全局变量声明 低速模式数码 BIT0 高电平时间 500ns 低电平时间 2000ns void h dat0 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 DIO 1 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 低速模式数码 BIT1 高电平时间 2000ns 低电平时间 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 显示控制程序 void Reset void DIO 1 nop 基于物联网技术的室内 LED 照明控制系统 DIO 0 delay nms 1 发送 RGB 灰度数据 void send single data 数据格式 G7 G0 R7 R0 B7 B0 LED DAT GG if bit7 h dat1 else h dat0 if bit6 h dat1 else h dat0 if bit5 h dat1 else h dat0 if bit4 h dat1 else h dat0 if bit3 h dat1 else h dat0 if bit2 h dat1 else h dat0 if bit1 h dat1 else h dat0 if bit0 h dat1 else h dat0 LED DAT RR if bit7 h dat1 else h dat0 if bit6 h dat1 else h dat0 if bit5 h dat1 else h dat0 if bit4 h dat1 else h dat0 if bit3 h dat1 else h dat0 if bit2 h dat1 else h dat0 if bit1 h dat1 else h dat0 if