基于Zigbee的智能舞台灯光控制系统的设计与实现

系统方案设计与目前的国内外研究相结合，以及现阶段群众对精神价值的高需求、高标准，反映出实现智能舞台灯光控制的几大问题：高成本。就目前国内的无线传感器技术由于还在刚刚兴起的阶段，不论是Zigbee模块还是其他的传感器模块大部分都因为芯片技术受到限制，导致我国大部分的市场都被外国产品所抢占，大大提高了开发的成本。灵活性较低。就目前国内表演舞台来看，极大部分的舞台灯光控制都需要灯光师时时刻刻在控制器面前，不能远程控制，极大的限制了使用的场景和范围。稳定性不高。放眼市面上的智能舞台灯光控制系统，可以看出使用蓝牙组网的模块虽然操作简单，但是传输稳定性相对来说不高。控制方式单一。大部分的舞台灯光控制系统都需要使用者用双手去通过按键的方式去改变灯光的效果，在遇到一些特殊情况非常的不方便。本次设计的系统在综合考虑了这些存在的问题后，最终很大程度上的解决了这些问题。这个部分将针对基于Zigbee的智能舞台灯光控制系统的构成的整体框架展开描述。系统设计方案主要是GEC6818开发板和Zigbee协调器构成主要的控制端，通过手机端App实现远程控制，通过采用CC2530芯片实现Zigbee自组网的通信，并进行相关的设计。2.1设计原则设计基于Zigbee的智能舞台灯光控制系统目的是为了实现成本低、灵活性高、稳定性强、控制方式多样的灯光控制，它可以满足不仅是近距离直接控制灯光，也可以通过移动端对灯光进行操作，还可以通过语音的方式进行控制，同时实现了不同的灯光效果，可自动采集光照，并根据最先设置好的阈值范围进行处理。同时整个系统还遵循了以下的几个设计原则:经济性：在完成整个设计功能的基础上，应当选择市面上经济实惠、物美价廉的电子元器件；可靠性：不论是整个设计所需材料的设计、选择上，还是在组装的过程中都应该具有可靠性，防止在整个系统投入使用的过程中出现不必要的一些损坏；节能减排：为了响应节能降耗，绿色生活的号召，在设计整个系统时应当考虑节能的需求，在设备选择时，也应当选择所需功耗低的终端、协调器以及传感器。可扩展性：在设计系统整体时，要考虑硬件、设备组成等多个方面，尽量多选择方便更改的传感器，在后面方便可以根据使用者不同的需求对其量身定做。2.2系统框图在设计智能舞台灯光控制系统时，考虑到多方面的因素，最终采用GEC6818开发板和Zigbee构成两个核心一起作为系统主控，以光敏电阻为数据采集的模块，通过Zigbee技术实现各个节点的数据采集，并经过相应的数据处理发送至GEC6818中心端，用户可通过中心端的显示屏实时控制其他采集节点的灯，也可以通过App实现各个节点灯的控制，系统整体功能框图如下图2.1所示。图2.1系统整体功能框图系统整体架构图如下图2.2所示。图2.2系统整体架构框图2.3所用技术本节将会描述本次系统中所运用的开发平台、开发工具以及Zigbee实现数据传输的方式。2.3.1开发平台关于基于Zigbee的智能舞台灯光控制系统的开发平台Windows10操作系统。它由微软公司于2015年面向使用者发售，拥有长时间的修改、更正、完善的过程，于2023年更新至19045.2673版本。Windows10可以极好的兼容所需要使用的开发工具，例如SublimeText、IAR以及Androidstudio等工具的使用。2.3.2开发工具本系统主要是通过IAR作为硬件开发软件，SublimeText作为软件的开发环境，Androidstudio作为移动端App的开发环境。IAR是由总部处于瑞典，成立于1983年的一家专注于研究和创新的嵌入式系统开发的集成开发环境的软件公司IARSystems开发的，充足的实现了嵌入式系统设计和支持多个知名的半导体公司的微处理器的使用，是目前市场上许多嵌入式应用开发软件中名列前茅的软件之一，它的功能十分强大、完善。它不仅拥有对于用户来说使用直接，上手简单的软件界面，还可以满足多种编程语言的使用，例如C语言、C++语言等。同时，它也很好的走向了市场，支持各种微处理器，如ARM架构系列、8051系列、MSP430系列等等，拥有极其丰富的工具，集编译器、调试器和链接器于一体，支持开发人员在独立、单个的环境中完成整体的开发流程，所以在IAR软件也广受大众的喜爱，拥有非常广泛的市场，用于各个领域的嵌入式开发之中。SublimeText是JonSkinner在2008年由他完全独立创造的一款全新的代码编辑工具。它的发展时间的很长，最开始仅仅是拓展功能比较强大的一款Vim，时至今日已经变得成熟起来。它已经变得越来越成熟。它拥有非常漂亮、大方、简洁的用户界面，可以实现Python插件的使用，编辑代码等功能。它支持多种操作系统的使用，适用于各式各样的编程语言，可以在某些代码上实现快捷功能，最方便的则是可以将常用的代码转换为代码块存储起来，开发者如果有需要的时候，可以随时调取，随时使用。拥有F11和Shift+F11的快捷键，通过这两个快捷键可以进入全屏免打扰模式，具有非常强大的编辑状态恢复的功能，在出现一些突发事件时，自主保存代码，帮助开发者更加专注，提高开发者的体验感，使用此开发工具，帮助开发人员更好地完成需要完成的工作。Androidstudio是由Google自主开发、推出的全官方的集成开发环境软件（IntegratedDevelopmentEnvironment，IDE），是为了满足Android应用程序的开发而量身定制的软件。它基于IntelliJIDEA开发，集安卓开发所要的各种工具和库于一身，不但拥有AndroidSDK、模拟、调试等功能，还拥有着非常完善的布局编辑器，将用户设计的界面进行可视化，方便开发人员对随时修改、设计、编辑、调试以及最后测试的整个开发过程。除了以上的优点以外，AndroidStudio还支持各种各样的编程语言的使用，其中包含了Java语言以及Kotlin语言，同时，AndroidStudio也经常推陈出新，对开发者的需求做到了尽善尽美，是一个功能全面的开发工具，为开发者提供了非常便利并且效率极高的使用环境。2.3.3Zigbee技术总所周知，Zigbee这个单词起源于蜂群，由美国加州旧金山的公司ZigbeeAlliance的研究人员通过观察蜂群平时的交流方式获得灵感，他们发现蜂群在发现生活中的食物来源后，会通过一种区别于平时的交流动作来通知同伴，从而提高了蜂群整体在觅食的速度。自此，Zigbee作为一种十分稳定、可靠的无线数据传输网络问世而出，因为Zigbee不同于蓝牙，Zigbee拥有低功耗、成本不高、效率快并且网络容量大的优点，同时它实现在IEEE802.15.4标准上，所以它面世之后就非常迅速的抢占了绝大部分的市场。Zigbee组网想要实现就必须使用协议栈。Zigbee协议栈是由2002年成立的全球性非营利组织Zigbee联盟提出，核心是为了推进低功耗、低数据速率的无线通讯技术的发展。而协议栈本身其实是指一组软件的协议层，主要使用是为了让Zigbee在网络中能拥有数据通信和控制操作的功能。Zigbee协议栈的整体结构一共有五层，由PHY（物理层）、MAC（介质访问控制层）、NWK（网络层）、APS（应用支持子层）和APL（应用层）构成，如下图2.3所示。图2.3Zigbee协议栈展示图其中，PHY在整体结构中主要负责的是实现无线数据信号的调制、解调、传输速度操控、频率的选择等等，保证了数据能够平稳、可靠的在无线信道上进行传输；MAC在Zigbee协议栈里是关键的组成部分之一，它主要是处理无线信道的访问，满足低耗能、低速率、成本低的无线通信的要求；NWK则是负责网络拓扑结构的管理、数据的接收与发送，还有路由的选择等等功能，它在Zigbee的整体网络结构的存在举足轻重，支持不同网络拓扑结构的搭建；APS在整个结构层次中其实是为了定义数据传输时数据的优先级、传输的方式以及确认的方法，保证了数据包结构的灵活性，为更上一级的应用提供了非常安全、可靠的数据的传输，同时支持数据格式的转换；APL则是负责与实物接轨，可以定义多种多样的应用领域与应用接口的协议，面向的市场极为广阔，如智能灯光、工业自动化、医疗领域等等。这五个层次你中有我，我中有你，缺一不可，它们在一起构成了最终的Zigbee协议栈，为Zigbee设备之间的数据传输打造了一个高速率、稳定的环境，让Zigbee技术可以用于各种需要物联网的应用场景。常见的Zigbee网络拓扑结构使用的是：网状拓扑结构（MeshTopology）、星型拓扑结构（StarTopology）、混合型拓扑结构（HybridTopology）。星型结构顾名思义就是所需的设备都直接的连接到协调器上面，形成一个整体形状很像星星的网络拓扑结构，可以用于范围小、功耗低的应用场景之中。而网状拓扑结构则可以实现设备之间进行数据的通信，形成一个多跳的路由网络，提高了网络的稳定性和范围。混合型拓扑结构是星型与网状拓扑一起构成，可以根据实际的情况进行变化，拥有其他两种拓扑结构的优点，适合场景环境较为复杂的地方应用。配置合适的网络拓扑结构可以充分发挥其Zigbee网络低功耗、稳定、可靠的优点。Zigbee网络拓扑结构如下图2.4所示。图2.4Zigbee网络拓扑结构展示图在设计本次的智能舞台灯光控制系统主要是使用了网状拓扑结构，以此来保证网络稳定的同时，做到贴合舞台需要的实际通信范围，使用网状拓扑结构在智能舞台灯光控制中具备以下几种优点：实现多跳路由：在Zigbee的网状拓扑结构里，其中的每一个装置均可以通过它的多跳路由来实现与其他的装置通信，数据则经过左右相邻的装置进行中继传输，从而可以满足舞台灯光控制系统的通信范围。拥有自主修复和自主组织：自主组织可以让最新加入的装置可以自主的加入网络里面，自主搜索最适配的通信路径进行通信。自主修复可以在设备进行移动或者设备出现一些故障时，重新找到一条适合的路由路径来保证数据的传输。网络优化：可以根据实际的场景需要网络要求来对其进行优化，会根据当时的环境来选择最为正确的路径进行数据上的传输，尽大可能的减少能耗、降低数据传输遇到的延迟，并且能够提高网络的整体使用的性能。应用场景多样：可以用于需要的覆盖范围很大、装置繁多、通信的稳定性要求高的环境，如舞台、农业大棚等领域。由上面所述可以得出，智能舞台灯光控制系统使用Zigbee网状拓扑结构十分适配，可以为舞台灯光的控制提供十分可靠、稳定的通信和数据的传输，提高整个系统的使用舒适度。PAGE83系统硬件设计3.1开发板模块介绍本次系统主要采用的开发板为粤嵌的GEC6818。粤嵌GEC6818开发板是由广州嵌入式科技有限公司推出的一款具有高性能、高速率的嵌入式系统开发板。该开发板基于Cortex-A53的八核处理器，主频可达1.4GHz，配备了十分丰富的接口和功能模块，适用于各种满足实际需求的应用场景和嵌入式系统开发。3.1.1GEC6818开发平台GEC6818开发平台主要使用的是行业领头羊三星集团开发的Cortex-A53系列产品，选择了其中的S5P6818作为核心，具有超高的性能和运行速率，支持物联网行业的三大操作系统使用，分别是嵌入式Linux、Ubuntu、Android。能够用于该开发平台的外部接口种类多样，如LVDS接口、USB接口、MIPI接口等，同时对待新人也十分友好，由于整个开发平台有着完整的对外开放的教学资源，所以新手也可以迅速上手，。因此，覆盖的可以使用的行业领域也非常广阔，例如，车机、学习机、平板电脑等等。开发平台如下图3.1所示。图3.1GEC6818开发平台展示图3.1.2S5P6818芯片S5P6818芯片是由韩国的三星电子集团发布的一款高性能的嵌入式处理器的芯片。下面是关于S5P6818芯片的详细介绍：工作原理：通过使用ARM架构，在Cortex-A53的基础上实现，主频可以达到惊人的1.4GHz，支持big.LITTLE架构，Mali-400MPGPU作为CPU，一共拥有8种核心，高性能核心与低功耗核心各有四个，让整个芯片在不同的环境下仍然保持稳定的高性能。性能特点：拥有高速率的同时，仍然可以保持一种低功耗的标准，支持2D/3D图形和视频解码的功能，拥有4GB的内存，支持1080P的视屏编码，实现了多种功能模块的共同管理。例如，图像处理器、多媒体引擎等。接口丰富：拥有GPIO接口、SPI接口、I2C接口、UART接口等，以及通用的USB接口，以及千兆以太网接口，可以实现其他设备或是外部传感器的连接，例如Wi-Fi模块的接入。适用性高：可以满足多个操作系统的使用，例如Linux、Android等，非常适用于物联网领域。S5P6818芯片展示如下图3.2所示。图3.2S5P6818核心板图3.2Zigbee模块介绍本节将会对Zigbee模块主要构成展开分析。3.2.1E18-MS1-PCB模块本次系统主要通过E18-MS1-PCB模块来实现Zigbee设计。E18-MS1-PCB是一种整体体积范围不大、基于CC2530芯片的2.4GHz无线模块。下面是对E18-MS1-PCB的详细介绍：工作原理：E18-MS1-PCB属于贴片型，拥有高性能的PCB板载的天线。E18-MS1-PCB模块在硬件上装载了CC2530芯片和芯片相关的天线和射频的前端电路，其中，CC2530是德州仪器公司发售的一款功耗较低、性能较高的2.4GHz无线通信芯片，在芯片中主要是通过IEEE802.15.4标准定义。高性能：E18-MS1-PCB支持使用Zigbee和RF4CE等无线通信协议，可以实现最大的协调器组网为32个，拥有15级的路由深度，路由链路缓存大小为16条，最大广播速度可以高达每3秒15个包。接口丰富：E18-MS1-PCB模块也拥有着一些外部的接口，例如UART、GPIO等，可进行多个不同方向的设计。通信稳定：E18-MS1-PCB模块自带了CC2592芯片，CC2592芯片同样是属于德州仪器公司发行的一种芯片，但它与CC2530不一样，它可以增强无线通信的距离范围，提高无线通信的稳定性，在与其他设备通信时可以让效果变得更加出色。成本低：生产工艺简单，实现大产量生产，在市场上销量高，产生了规模效应，使得成本进一步降低。E18-MS1-PCB模块如下图3.3所示。图3.3E18-MS1-PCB模块展示图E18-MS1-PCB模块电路图显示了模块的电源输入、输出的接口，电源的运行电路，包括稳压器、滤波电容等。E18-MS1-PCB模块电路图如下图3.4所示。图3.4E18-MS1-PCB模块电路展示图3.2.2ESP8266Wi-Fi模块本次系统中，为了实现每个模块之间的连通使用了ESP8266Wi-Fi模块。内部装载了ESP8266芯片，是一种消耗能源比较少的透明传输的Wi-Fi模块。下面是关于ESP8266Wi-Fi模块的细致介绍：工作原理：ESP8266Wi-Fi模块主要是利用Wi-Fi的无线网实现每个组件的网络连接，从而可以进行每个组件之间的数据链接和通信功能，拥有TensilicaL10632位的微控制器，具有超强的处理能力，内部装载了外部闪存的存储器，超大的储存容量，它CPU时钟速度最高可达160MHz，拥有80%的处理能力在应用开发和编程上。接口丰富多样：ESP8266Wi-Fi模块适配市面上现有的多种接口，可以与各式各样的传感器设备进行连接。远程控制：通过ESP8266Wi-Fi模块来互相进行无线连接的传感器设备，可以将采集各种外部数据并传输在远程的设备上，用户可以通过自己的移动设备对其进行远程控制，通过AT指令或是Arduino等环境对ESP8266Wi-Fi模块进行编程和控制，同时可以随时随地的更新内部系统，实现Over-The-Air固件的升级，做到设备一直处于技术的前沿。性能优越：优秀的封装技术和使用的能耗超低的技术让ESP8266Wi-Fi模块在行业内部的Wi-Fi模块中拥有极强的竞争力。使用便利：在十分庞大的开源社区的支持下，为开发人员所写的程序调试和开发提供了极为便利的条件，是专为移动设备、嵌入式系统以及物联网相关的应用设计提供便捷的联网服务。功能丰富：ESP8266Wi-Fi模块可以实现联网智能化、数据传输、远程控制等功能。ESP8266Wi-Fi模块如下图3.5所示。图3.5ESP8266Wi-Fi模块展示图ESP8266Wi-Fi模块芯片引脚如下图3.6所示。图3.6ESP8266Wi-Fi模块芯片引脚图ESP8266Wi-Fi模块的电路连接方式如下图3.7所示。图3.7ESP8266Wi-Fi模块电路连接展示图3.2.3LD3320语音识别模块LD3320语音识别模块实现识别功能主要是因为装载了Icroute公司生产的语音识别芯片，它性能十分优越，放眼市场，在同类产品中LD3320语音识别模块的语音识别的能力可以说是出类拔萃。LD3320语音识别模块可以普遍的使用在各种需要通过语音人机交互的场景，或是使用语音实现各种智能操作的环境下。下面是有关于LD3320语音识别模块的整体详细介绍：基本工作原理：LD3320语音识别模块与市面上大部分的语音识别模块都不相同，它不需要让使用者提前录制声音和命令来实现语音识别，也不需要使用Flash辅助芯片或是RAM辅助芯片来帮助实现识别、声控、人机交互的功能。它主要是通过识别最开始在程序中设定好的文字指令来实现对语音的控制。工作模式：LD3320语音识别的工作模式可以笼统的分类为：口令模式、按键模式以及普通模式。口令模式是类似于现在市面上的苹果语音助手Siri一样的唤醒方式，需要一个优先级为最高的唤醒词汇，比如“Hi，Siri”，以此来启动ASR进程；按键模式则是直接通过手动按键来触发ASR的进程；普通模式则是直接开始说出预先设定的50条命令中的其中一条即可马上进入ASR进程。性能特点：LD3320语音识别模块可以独立的完成整个语音识别的过程，所以可以真正称得上是单芯片的识别模块，同时它不需要任何的语音训练方式，识别的正确率高达95%，使用起来十分稳定。由于预先设定的语音识别命令可以修改成其他想要的命令，所以可以使用该模块的地方非常的多，所以能够支持各式各样的应用场景。技术参数：LD3320语音识别模块只要预先设定好，就可以识别多种语言模式，例如中文、英语。一般情况下，工作电压在3.3V-5V之间，具有低功耗的特性，拥有丰富的接口和SDK，便于不同的开发环境。模块在识别到语音命令后，会根据预先设定的规则进行相对应的操作，十分便利。市场前景：LD3320语音识别模块拥有多种工作模式，优越的性能特点，是一款实用性非常高的设备，而伴随着的是全球科技兴盛的浪潮，在智能改变生活、提高人类幸福感的发展情况下，该模块拥有着非常广阔的市场前景，例如智能舞台、智能家居等等。LD3320语音识别模块的展示图如下图3.8所示。图3.8LD3320语音识别模块展示图LD3320语音识别模块原理如下图3.9所示。图3.9LD3320语音识别模块原理图3.2.4光敏电阻光敏电阻又称为光敏电阻器，是一种无结（PN结）器件。它通常是使用硫化镉或是硫化铝等半导体材料来做成的极为特殊的一种电阻器，因为其使用方便，可以大规模的使用，受到市场上的普遍欢迎。下面是对光敏电阻进行介绍：工作原理：它主要是基于内光电效应的基础上来实现整体的工作效果。因其半导体材料构成的特殊性，往往人的眼睛可以感受到的光照，光敏电阻也能感受到，在光照的前提下，光的能量被半导体材料吸收，从而使得半导体材料发生改变。当材料感受到的光照强度越高，它的阻值就越低，呈现低阻状态，最小可达到1K欧姆以下；相反，感受到的光照强度越来越低，阻值则会越来越高，呈现高阻状态，至少可达1.5M欧姆。性能特点：光敏电阻对感光特别敏感，灵敏度很高，可以根据规则做出快速的反应。光电转换率也能实现光信号到电信号的转换，实现了线性响应，对光线的检测可以做到精确。在投入长时间的使用后，仍然可以保持其稳定的性能，十分可靠。成本低：在整个市场上，与其他的光敏元器件的制造成本相对较低，所以售价也十分低廉，使用光敏电阻可以大大降低了整体设计的成本。设计便捷：由于光敏电阻在感受光照时，灵敏度极高，所以在投入设计时，可以使用小灯或是自然光照就可以达到光敏电阻的阈值，以此来成为基础的控制光源，所以大大的简化了设计的复杂度。应用场景：由于光敏电阻体积小、成本低等特性，可以适用的实际场景十分丰富，例如智能舞台、智能家居等等环境。光敏电阻结构示意图如下图3.10所示。图3.10光敏电阻结构展示图光敏电阻通过焊接的方式，焊接到了Zigbee终端上。光敏电阻的展示如下图3.11所示。图3.11光敏电阻展示图3.2.5LED模块LED全称为LightEmittingDiode，又名发光二极管。它主要是可以把接收到的电能进行转化，从而将其从肉眼不可见的状态变为可见光照的半导体器件。LED以自身出色的情况占据灯具市场大江南北，下面将介绍LED灯的详细情况：工作原理：LED能够成功的实现照明的功能主要是基于能带理论和半导体材料的电子结构。简单来说就是当电压通过正向的方式来到LED的两端时，P型半导体的正电荷的空穴部分与N型半导体的负电荷的自由电子部分因为载流子的缘故进行碰撞，最终组合在一起。当它们组合在一起时，发生复合反应，释放出能量，从而形成从电能转化为可见光的过程。发光颜色：LED可以通过不同的半导体材料来实现不同的可见光，例如紫色、红色、橙色、绿色等等。绿色环保：LED灯相较于市场上传统的白炽灯或是荧光灯在电能到可见光的转换中，耗能都远低于白炽灯和荧光灯，更加的节能。同时采用的材料也不会产生一些有毒的物质，例如紫外线、红外线辐射等，可以更好的保护环境/成本低：造价低，使用时间可以高达数万个小时，从而减少更换的次数。可调光性：一部分的LED灯可以实现PWM调光的功能，根据需求来调节它的亮度，增加可以使用的环境。LED展示如下图3.12所示。图3.12LED展示图4系统软件设计4.1智能舞台灯光控制系统整体设计本节是有关于智能舞台灯光控制系统的软件部分进行整体的构思与描述，大纲的提出会使得整个系统的构成更加的完善，实现功能更加的贴合实际。本系统主要使用GEC6818开发板和Zigbee模块。整体的流程图如图4.1所示。图4.1系统整体设计流程图通过上面的流程图可以看出，整个系统主要是由上位机控制，上位机分为GEC6818开发板和App两种，通过对不同的模块进行各自的程序烧制，确认烧制完成后，不同的设备分别开始进行初始化，进行Zigbee协调器与终端的组网工作，而后判断组网是否成功，成功后不同的上位机通过串口或是Wi-Fi发送命令，协调器对命令进行处理，判断是采集的命令还是控制终端的命令后，最后发送给终端，终端接收并判断协调器的指令，最终传输到不同的装置上，控制命令则反馈为LED灯亮或是灭，如果是采集的命令，则需要通过光敏电阻采集数据，反馈给协调器，协调器最后来判断终端的LED灯是亮、灭或是闪烁。4.2Zigbee模块整体设计Zigbee构建自组网主要采用的是Mesh网络拓扑结构，设置一个协调器，两个终端。首先，一个设备设置成协调器，然后安装ESP8266，作为网络连接的节点，其他的设备则是通过与协调器建立连接后，加入整个自组网。在自组网中，每个设备之间是通过Zigbee的通信协议进行传输，而终端节点则是通过CC2350协议来实现对灯光的控制，最终在终端节点上显示舞台灯光的控制效果。整个Zigbee板块的构建如下图4.2所示。图4.2Zigbee自组网展示图从上面的图可以看出智能舞台灯光控制系统的Zigbee组网部分主要是设置了一个协调器和两个终端节点，终端节点1主要是模拟的舞台灯光效果，而终端节点2主要模拟的是舞台观众席和舞台后台的灯光效果，在两个终端节点上都分别安装了一个光敏电阻和一个LED灯，以此来贴合整个舞台的应用场景。4.2.1LD3320语音识别模块设计LD3320语音识别模块主要是用于实现整个智能舞台灯光控制系统中的声控灯功能，在舞台搭建或是舞台表演的过程中，有使用者想要经过舞台后台的长廊，使用者可以通过口述命令最终达到控制LED灯的亮、灭或是闪烁的功能。使用者在有需要的时候直接使用普通话“你好，小爱”，即可唤醒LD3320语音识别模块。为了节能和贴合舞台表演氛围，所以在通过命令“开灯”时首先打开的LED灯的闪烁功能，如果使用者认为灯光不够明亮或者是灯光闪烁导致看不清的情况，就可以通过命令“调亮一点”来打开常亮的功能，“调亮一点”一共分为三个层次，使用者可以通过自身的实际需求来选择自己需要的灯光亮度，当觉得太亮的时候就可以喊“调暗一点”，如果不想使用时，就可以直接说出命令“关灯”，就可以达到关灯的目的。LD3320语音识别模块设计实现流程如下图4.3所示。图4.3LD3320语音识别模块设计实现流程图4.2.2光敏电阻设计光敏电阻是装置在两个Zigbee终端上，主要是为了在布置舞台时，如果天色慢慢变暗则可以自动的根据天色进行灯光的控制调节，这样可以减少一些人为开灯浪费的资源，也能及时的在天色变暗时自动亮起。光敏电阻的使用主要是通过GEC6818开发板上的自动控制按钮来进行控制，点击自动控制灯光按钮后，光敏电阻的半导体材料就开始进行采集光照，根据设置的阈值来判断当前环境是否需要灯光的照明，如果环境采集的光照数据足够，则不会亮起；光照数据处于一种不稳定的状态则会闪烁；光照数据不够充足时，则会点亮LED灯，并且处于一种常亮的状态。点击完自动控制灯光按钮，想要关闭这个功能时，再次点击此按钮后就能关闭这个功能。光敏电阻设计实现流程图如4.4所示。图4.5光敏电阻设计流程图4.2.3LED模块设计LED灯是整个智能舞台灯光控制系统的重中之重，舞台灯光有多种多样的效果，在整个系统中实现了LED灯不同的效果。通过上位机按键可以实现舞台灯光的闪烁，以及灯光不同的亮度的调节，为了节约一定的成本，在这里不同亮度的调节在系统中是为了模拟不同的舞台灯光颜色，比如，设计的一级亮度为白色灯光，二级亮度模拟紫色灯光，三级亮度模拟黄色灯光。在整个关于LED模块的设计中，通过PWM技术来完成它可以进行三个阶段的亮度不同的调节的设定。主要是利用信号的占空比来实现，通俗来说就是在完整的周期里面高电平可以一直维持的时间，而高电平代表着点亮LED灯，低电平代表着熄灭LED灯。当占空比设置的值越大，LED灯更明亮；占空比设置的值越小，LED灯更暗淡。LED灯功能实现的流程如下图4.6所示。图4.6LED灯功能实现流程图4.3GEC6818设计在智能舞台灯光控制系统中，通过使用C语言编写来实现整体的UI界面，包含界面背景以及可触控按钮，整个UI界面会实现在GEC6818触摸屏上，通过点击就可以实现对应的功能。为了实现GEC6818开发板与Zigbee协调器端进行高效的数据的传输与控制，使用UART串口通讯协议。GEC6818实现设计流程图如下图4.7所示。图4.7GEC6818实现设计流程图UI界面一共设置了五个按钮，按钮分别可以实现以下功能：可以实现灯的闪烁的开关，对LED灯的明暗程度的调节，分别控制两个终端上的LED灯的常亮与熄灭，控制开启光敏电阻采集光照并对LED灯进行控制，GEC6818界面设计如下图4.8所示。图4.8GEC6818开发板设计页面图4.4手机App设计本节是有关于智能舞台灯光控制系统的手机App的设计与实现。手机App主要采用Java编写，其主要涉及界面、按钮及数据框等设计。手机App与其他设备之间会通过物联网MQTT协议实现数据通讯。之所以使用物联网MQTT协议，是因为它最为优越的地方是极少的代码数量以及略微一点带宽，就可以保障手机App和其他设备稳定的传输控制。智能舞台灯光控制系统App实现设计流程图如下图4.9所示。图4.9App实现设计流程图为了实现手机App，选择在Androidstudio上来实现移动应用的开发框架，设计界面主要包含对灯光效果的控制，实现灯光的直接点亮、直接熄灭，闪烁功能以及可以控制灯光的明暗程度，与GEC6818控制界面可以互通，不论是在App点击控制，还是GEC6818界面点击控制，都可以通过另外一端实现关闭的功能。智能舞台灯光控制系统App界面设计图如下图4.10所示。图4.10App界面设计图5系统测试5.1系统实物图通过前面几个章节的描述，可以分析出基于Zigbee的智能舞台灯光控制系统的整体设计需要用到1块GEC6818开发板、1块Zigbee协调器、2块Zigbee终端、安卓手机1部、1个LD3320语音识别模块、1个ESP8266Wi-Fi模块、2个光敏电阻、2个LED灯组成整个系统。智能舞台灯光控制系统中的GEC6818开发板作为整个系统的主要载体，通过串口链接Zigbee协调器部分，Zigbee协调器上装置了ESP8266实现联网进行各个设备的互通。用户可以通过GEC6818触摸屏面板来实现对智能舞台灯光控制系统的直接控制，根据实际情况，配合舞台表演，可以通过触摸屏或口述命令的方式，来实现对舞台灯光整体的控制。当用户因各种突发的情况，需要离开GEC6818控制面板，则可以通过手机App实现远程的控制。智能舞台灯光控制系统的系统实物组成图如下图5.1所示。图5.1系统实物组成图5.2系统测试环境在进行基于Zigbee的智能舞台灯光控制系统所有的功能测试之前，应当选择一个环境，关于测试环境的选择应该考虑到每个需要实现的功能可能会面临的一些问题。测试环境如表5.1所示。表5.1测试环境配置对象智能舞台灯光控制系统场景室内功能灯光的效果、声控灯、自动控制灯光、远程控制传输方式Wi-Fi测试环境选择完成后，就可以开始进行测试。5.3硬件测试对智能舞台灯光控制系统的进行硬件连通测试，以此检查是否存在硬件损坏，有无法通电的情况。首先进行GEC6818开发板上电操作，通过跳线将GEC6818与Zigbee协调器相连接，Zigbee协调器上装载ESP8266和连接LD3320语音控制模块，Zigbee终端上安装LED灯和光敏电阻。进行整体通电，观察硬件的通电情况。硬件测试结果如下表5.2所示。表5.2硬件通电测试结果序号硬件设备测试情况1GEC6818开发板成功通电，正常运行2Zigbee协调器成功通电，正常运行3LD3320语音控制模块成功通电，正常运行4ESP8266模块成功通电，正常运行5Zigbee终端成功通电，正常运行6LED灯成功通电，正常运行7光敏电阻成功通电，正常运行5.4软件测试本节是有关于整个系统的部分和整体的操作性测试。5.4.1GEC6818开发板测试本节是关于GEC6818上电后，导入系统，观察系统能否正常显示，触摸后能否正确反馈操作。智能舞台灯光控制系统在GEC6818开发板上显示如下图5.2所示。图5.2GEC6818智能舞台灯光控制系统展示图智能舞台灯光控制系统在GEC6818开发板上实现手触点击后反应情况如下图5.3所示。图5.3GEC6818智能舞台灯光控制系统点触后展示图5.4.2Zigbee组网测试本节是关于Zigbee组网测试，首先观察Zigbee协调器上装置的ESP8266Wi-Fi模块是否连接到网络，当ESP8266Wi-Fi模块的蓝色指示灯是闪烁，就说明未连接网络或是网络不稳定，蓝色指示灯是长亮时，说明稳定的接入了网络。接入Zigbee组网后，主要是通过用户口述命令，使得链接在Zigbee协调器上的LD3320语音识别模块识别到指令，通过观察Zigbee终端上的LED灯，实现LED灯的闪烁和亮度的明暗调节，以此证明Zigbee组网成功。ESP8266Wi-Fi模块稳定接入网络展示如下图5.4所示。图5.4ESP8266稳定接入网络展示图通过口述命令，可以成功控制终端上的LED灯的闪烁与亮度的明暗调节，如下图5.5所示。图5.5LD3320语音识别实现展示图5.4.3App软件测试本节是有关于智能舞台灯光控制系统的App软件测试，手机App主要是通过MQTT协议与系统进行数据的传输，用户可以在手机App上进行触摸点击的操作后，实现Zigbee终端上的LED灯的闪烁、亮和灭的状态以及亮度的明暗控制。App控制LED灯的亮状态如下图5.6所示。图5.6App控制LED灯点亮展示图App一共可以调节三种的亮度，LED灯暗的状态如下图5.7所示。图5.7App控制LED灯亮度暗展示图LED灯中等亮度如下图5.8所示。图5.8App控制LED灯亮度中等展示图LED灯亮度最大的状态如下图5.9所示。图5.9App控制LED灯亮度最大展示图5.4.4GEC6818控制测试本节主要是测试GEC6818触摸屏上可以实现整体的智能舞台灯光系统的控制。用户通过触摸点击GEC6818触摸屏可以实现打开基于光敏电阻的LED灯的自动调节，LED灯的亮、灭、闪烁以及LED灯的亮度的明暗控制。GEC6818触摸屏的自动控制在光照强度高的时候的状态如下图5.10所示。图5.10自动控制光照充足状态展示图自动控制在光照强度低的时候的状态如下图5.11所示。图5.11自动控制光照不足状态展示图自动控制在光照数据不稳定时，处于LED灯闪烁的状态。GEC6818触摸屏上同时实现控制LED灯闪烁和LED灯明暗控制如下图5.12所示。图5.12GEC6818开启LED灯闪烁和明暗控制状态展示图GEC6818触摸屏上实现控制LED灯常亮如下图5.13所示。图5.13GEC6818开启LED灯点亮状态展示图5.4.5GEC6818与App互通测试本节是关于GEC6818和App控制可以互通的测试。用户不论是在GEC6818触摸屏上控制开启功能，还是App上进行控制开启功能，都可以通过另外一端来看到当前的状态，并且可以对其进行关闭。互通状态展示图如下图5.14所示。图5.14GEC6818与App控制互通状态展示图6总结与展望6.1总结随着各种压力的剧增，本人喜爱上了通过观看舞台表演以此来排解