CN104602402A - 基于开源平台的无线草坪灯及其无线移动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于开源平台的无线草坪灯，包括：移动控制系统，安装于一移动终端上，通过WIFI网络向下位机发送控制命令或者接收所述下位机发送的返回信息；草坪灯控制系统，一方面用于通过WIFI网络接收所述移动控制系统发送的控制命令并进行解析，另一方面通过Zigbee网络将解析后的控制命令发送给草坪灯模块；草坪灯模块，包括多个发光二极管，所述草坪灯模块根据接收到的控制命令将不同颜色和不同数量的发光二极管相互组合以形成多种情景图案。本发明基于开源平台设计的草坪灯无需数据线连接，可以大大降低维护成本，数据更新迅速，可实现异地控制，且各个节点之间独立控制，任一节点的损坏不会影响到整体功能。

Description

基于开源平台的无线草坪灯及其无线移动控制方法

技术领域

本发明涉及灯光控制技术领域，特别涉及一种基于开源平台的无线草坪灯及其无线移动控制方法。

背景技术

随着世界经济的飞速发展，照明光源也开始由单一的白炽灯变成各种其他光源并行的局面。新型的照明光源LED发光产品具有节能、寿命长、控制灵活、色彩绚丽和绿色环保等特点，逐渐受到了世人的瞩目，被广泛应用于人们的日常生活中。这种新型的照明设备也被应用到公园或者社区的公共设施上，比如草坪灯，给人们的生活带来了乐趣。

目前我国的草坪灯均采用有线连接的方式，即通过控制盒或者单片机直接进行控制。这种控制方式有一个很大的弊端：数据更新和维护不方便。草坪灯的显示变化是通过数据更新实现的，如果不能对数据更新，那么本身具备变化显示功能的草坪灯就仅仅是一个照明的设备，而不能给人们带来视觉的享受。在物理电路上，草坪灯都是通过数据线连接，一旦数据线出现故障，草坪灯就丧失变化显示的功能。由于数据线故障不像电源线那么容易判断，必须具有一定专业知识的技术人员来排除故障，这使得草坪灯的维护成本较高。这种高维护成本使得草坪灯仍被应用在高档社区和繁华的大城市中，没有被广泛应用在普通群众的生活中。

随着无线通信技术的飞速发展，出现了各种无线通信技术，比如蓝牙、Zigbee、WiFi等。虽然这些通信技术的本质特征相同，但由于各自的应用领域不同，实现的目标和对象存在差异，要处理的问题也不同。由于蓝牙技术采用点对点的方式，不能满足多个对象之间相互通信，而WiFi无线技术的范围比较小，因此如何将Zigbee无线技术将应用到草坪灯的设计中，使用无线通信取代数据线，降低维护难度和成本，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用无线通信技术对草坪灯进行控制的方案，以解决目前草坪灯维护成本高、难以普及应用的缺陷。

为达上述目的，本发明首先提供了一种基于开源平台的无线草坪灯，包括：

移动控制系统，安装于一移动终端上，通过WIFI网络向下位机发送控制命令或者接收所述下位机发送的返回信息；

草坪灯控制系统，一方面用于通过WIFI网络接收所述移动控制系统发送的控制命令并进行解析，另一方面通过Zigbee网络将解析后的控制命令发送给草坪灯模块；

草坪灯模块，包括多个发光二极管，所述草坪灯模块根据接收到的控制命令将不同颜色和不同数量的发光二极管相互组合以形成多种情景图案。

根据本发明提出的基于开源平台的无线草坪灯，所述草坪灯控制系统包括：

显示单元，通过脉宽调制方式控制发光二极管的亮度，对红黄蓝三种颜色的发光二极管分别控制以实现多种颜色的生成；

驱动单元，与所述显示单元相连，用于驱动草坪灯模块进行正常工作；

数据通信单元，通过WIFI网络和Zigbee网络实现所述移动控制系统和所述草坪灯控制系统之间的数据传输；

控制单元，与所述显示单元、所述驱动单元和所述数据通信单元相连，用于协调上述三个单元的正常运行。

根据本发明提出的基于开源平台的无线草坪灯，还包括光敏单元，与所述草坪灯控制系统相连，所述光敏单元用于采集周围环境的亮度信息以供所述草坪灯控制系统根据所述亮度信息实时调整所述草坪灯模块中发光二极管的亮度。

根据本发明提出的基于开源平台的无线草坪灯，所述发光二极管的亮度等级分为256级，所述脉冲宽度调制的周期设为2ms。

根据本发明提出的基于开源平台的无线草坪灯，所述驱动单元包括前缓存区和后缓存区，所述前缓存区中存储有第一脉宽调制信号，所述后缓存区中存储有第二脉宽调制信号；所述第一脉宽调制信号是待播放的情景图案所对应的脉宽调制信号，所述第二脉宽调制信号是更新的脉宽调制信号；当所述第二脉宽调制信号与所述第一脉宽调制信号不同时，用所述第二脉宽调制信号替代所述第一脉宽调制信号。

本发明同时还提出了一种草坪灯的无线移动控制方法，包括以下步骤：

移动控制系统通过WIFI网络发送针对草坪灯模块的控制命令；

草坪灯控制系统通过WIFI网络接收所述控制命令，进行解析后将所述控制命令通过Zigbee网络发送给草坪灯模块；

草坪灯模块通过Zigbee网络接收所述控制命令，根据该控制命令将不同颜色和不同数量的发光二极管相互组合形成多种情景图案。

根据本发明提出的草坪灯的无线移动控制方法，还包括所述草坪灯模块将执行信息通过所述草坪灯控制系统反馈给所述移动控制系统的步骤。

根据本发明提出的草坪灯的无线移动控制方法，所述Zigbee网络中包括一个协调器和多个路由器，所述一个协调器设置在所述数据通信单元处，所述多个路由器设置在所述多个发光二极管处，各个路由器之间相互连接，从而实现无线传输距离的延长。

根据本发明提出的草坪灯的无线移动控制方法，当所述移动控制系统位于异地时，通过设置网关的方式实现所述移动控制系统和所述草坪灯控制系统之间的无线通信。

根据本发明提出的草坪灯的无线移动控制方法，所述草坪灯模块每播放完一组情景图案后，所述草坪灯控制系统会发送一暂停命令使所述草坪灯模块在预设时间内暂停播放，之后所述草坪灯控制系统再发送播放命令以使所述草坪灯模块播放下一组情景图案。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明利用手机等移动终端即可操作草坪灯，不需数据线连接，通过无线网络进行控制，大大降低了草坪灯的维护成本；

(2)本发明的草坪灯数据更新速度快，维护方便；

(3)本发明不受地点限制，可以进行异地控制；

(4)与现有草坪灯的有线串联模式不同，本发明中的草坪灯各个节点均可独立控制，任何一个节点发生损坏都不会对整个系统的功能造成影响。

附图说明

图1为本发明的无线草坪灯具体实施例的结构框图；

图2为本发明的草坪灯的无线移动控制方法具体实施例的工作流程图；

图3为本发明中Zigbee网络具体实施例的布局图。

具体实施方式

以下结合附图，就本发明上述的和另外的技术特征和优点做进一步地说明。

请参阅图1，本发明的无线草坪灯主要包括移动控制系统、草坪灯控制系统和草坪灯模块，以及可选的光敏模块。其中移动控制系统是安装于一移动终端上的Android系统，该移动终端可以是智能手机、笔记本电脑或平板电脑等便携式设备；草坪灯控制系统利用开源平台Arduino进行开发，优选为Arduino DUE微控制器。如图1所示，Arduino控制系统与草坪灯模块的节点之间通过Zigbee网络通信，安装Android系统的移动终端与Arduino控制系统通过WIFI模块连接，随着控制距离的增加，此处增加网关功能，在网关上实时显示控制信息。

草坪灯控制系统内部主要由显示单元、驱动单元、数据通信单元以及控制单元四个核心部分组成。以下将详述这四个模块各自的功用。

显示单元中以多个三基色发光二极管作为核心操作对象。本发明中通过脉宽调制(PWM)来控制发光二极管的点亮时间。PWM方式能很方便的用软件来实现，故在数字电路中有着广泛的应用,PWM控制原理如下所示：

根据塔尔波特(TaLbot)定律，式中为眼睛对周期变化感觉的视觉两度；T为周期。当亮度函数L(t)为一个常数L时，视觉亮度变为。脉宽调制方式(PWM)控制LED的亮度实际上是控制LED的点亮的时间，周期性的改变其在一个周期内点亮时间的长短，从而实现LED亮度的变化。在工作状态下，连续地改变LED在循环周期中的点亮时间，则实现了LED亮度灰度级的连续变化。将循环周期T等分为n等分，则LED的灰度级相应地分为n级。要使得LED在灰度级变化过程中人眼觉察不到亮度的跳变，即没有闪烁感，则LED的亮灭变化频率要大于临界频率，其循环周期至少不大于0.1-0.2s。实验证明，当LED的灰度为256级时，红绿蓝三基色混色后无颜色的跳变，人眼的感觉颜色是在渐变的。本系统的PWM的周期设为2ms，等级分成256等份。可以对红绿蓝三种颜色的LED管进行分别控制实现256种颜色的生成，可采用分段延时的控制方法实现对占空比的控制。在进行颜色混合时，三原色按一定的亮度比进行混合，也就是按一定的灰度级进行混合，不同的灰度级混合对应的占空比不同，在循环周期中LED点亮的时间不同。

驱动单元与显示单元相连，用于驱动草坪灯模块进行正常工作。作为无线草坪灯系统中的重要环节，驱动单元必须考虑LED灯数量的变化。通常公共设施中的草坪灯模块都是由若干盏LED灯构成，而每个公共设施中LED灯的数量也不相同。同时，公共设施中的LED灯也会出现物理损坏的情况，因此，在驱动数量上必须做适当变化，以保证显示画面的完整性。驱动单元包括前缓存区和后缓存区，控制单元把需要播放的数据送到PWM的后缓存区，PWM检查后缓存区有没有数据更新，如果没有，则继续从前缓冲区中读取需要播放的PWM值，每播放完一次PWM值就进行检查，如果发现数据已经更新，则把后缓冲区中的数据调到前缓冲区中，进行新的数据的播放。例如，当PWM值为255时，输出的波形全为高电平；当PWM值为0时，则输出的波形全为低电平。如果PWM值为0-255之间，则根据固定的周期按相应的占空比进行输出。

数据通信单元通过无线传输技术，把上位机的灯控数据传到草坪灯控制系统中。数据通信单元是移动设备与Arduino控制系统沟通的核心，它主要使用Zigbee技术。

控制单元是草坪灯控制系统的核心，它主要选择处理方案。本发明采用开源平台Arduino，因此选用Atmel公司的AVR单片机作为控制单元的核心。

请继续参阅图2，为本发明的草坪灯的无线移动控制方法具体实施例的工作流程图。如图2所示，本发明的草坪灯工作过程如下所示：

首先移动控制系统按照指定格式设置要发送的命令数据(做好手机端软件后就通过选择相应数据来完成数据的设置)，之后通过WiFi将命令数据发送到ArduinoDUE端，手机同时接收Arduino DUE端发送回来的数据，例如草坪灯模块接收到手机端发送的数据后返回的响应信息(草坪灯模块返回数据到DUE，DUE再发送给手机端)，是双向通讯。

然后DUE接收到手机端数据后直接通过zigbee发送给每个草坪灯模块，DUE发送的数据既可以与相应地址的模块单发，也可以群发(即设置接收端地址为FF FF)，群发即每个模块都会收到数据，否则只有当初在手机端设置的那个模块可以接收到数据。每个草坪灯模块也可以通过zigbee发送数据到DUE。

图3是本发明中Zigbee网络具体实施例的布局图。Zigbee网络分为协调器和路由器还有终端三种类型，设置在数据通信单元处的那个zigbee模块为协调器，因为zigbee网络必须有一个协调器来组建网络，路由器个数不限，所以草坪灯模块处的zigbee模块都设置为路由器，路由器可以互相连接其它路由器，这样的效果就是更远处的zigbee模块可以通过较近的路由器模块接入zigbee网络，进而实现无线距离的延长，终端不能实现这种“跳板”的功能，仅仅能接收和发送数据。所以没有配置为中断模式。

最后草坪灯模块接收到数据后按照上面的执行流程执行相应的命令，每次执行命令时都会有不同的输出信息到手机端，以便于随时观察执行的相应情况。草坪灯模块的任务即接收DUE发来的数据(其实是通过手机设置的数据)，解析数据然后执行，执行过程中返回执行信息，例如命令有错误、暂停和执行完毕状态。

此外，为了实现消除累计误差导致的草坪灯系统不同步的问题，在指定的一个控制模块(任意一个就行)中加入了一段代码，功能是每次执行完SD卡中的所有情景模式后都会发送一字母’W’到DUE端，DUE通过‘W’的接收次数来判断执行了多少次场景了，设定执行10次场景后DUE自己发送暂停命令到所有草坪灯模块，之后再发送播放命令到所有草坪灯模块，由于这两个命令的执行时间很短，因此不会影响到场景的观赏。

实施时，WiFi模块通过网页输入指定的IP地址打开到WiFi模块的配置网页，类似于家庭上网使用的路由器的设置，通过修改其中的信息来实现对WiFi模块的配置，其中通讯的频率设定为9600，WiFi模块数据接受完是通过串口输出到DUE的，(WiFi模块与WiFi模块(手机WiFi)之间的通讯不用管)，设定这个9600波特率后数据通信模块就可以通过以9600的波特率接收WiFi模块通过串口发回的数据了，需要说明的是WiFi模块是通过串口与数据通信模块连接的。

具体的，移动控制系统发送的命令数据包括以下类型：

写命令：将RGB数值、显示类型(渐变、闪烁)以及周期、次数信息存储到SD卡保存；

删除命令：将存储到SD卡的所有数据删除；

暂停命令：将正在播放的情景模式暂停，为之后的新命令做准备；

播放命令：播放存储在SD卡上的所有情景模式，形成连续场景供欣赏。

综上所述，本发明采用草坪灯控制系统分别与WIFI网络和Zigbee网络连接的方案来解决移动终端对草坪灯的无线控制问题，采用草坪灯控制系统分别与网关和Zigbee网络连接的方案来解决移动终端对草坪灯的异地无线控制问题。本发明中的草坪灯具有至少256种颜色变化，通过RGB三基色混色实现，灯的变化方式有静态、渐变、渐暗、渐亮和闪烁五种方式，不仅能够增加居民生活的安全感和便利性，还能凸显城市亮点，演绎靓丽风格。本发明的无线控制草坪灯及其无线控制方法是在开源平台的基础上进行的开发，能够有效节约开发时间和升级维护时间，同时在开放性源代码的基础上进行二次开发，可以满足用户的多种需求，表现出个性化的新功能。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改，变化，或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于开源平台的无线草坪灯，其特征在于，包括：

移动控制系统，安装于一移动终端上，通过WIFI网络向下位机发送控制命令或者接收所述下位机发送的返回信息；

草坪灯控制系统，一方面用于通过WIFI网络接收所述移动控制系统发送的控制命令并进行解析，另一方面通过Zigbee网络将解析后的控制命令发送给草坪灯模块；

草坪灯模块，包括多个发光二极管，所述草坪灯模块根据接收到的控制命令将不同颜色和不同数量的发光二极管相互组合以形成多种情景图案。

2.根据权利要求1所述的基于开源平台的无线草坪灯，其特征在于，所述草坪灯控制系统包括：

显示单元，通过脉宽调制方式控制发光二极管的亮度，对红黄蓝三种颜色的发光二极管分别控制以实现多种颜色的生成；

驱动单元，与所述显示单元相连，用于驱动草坪灯模块进行正常工作；

数据通信单元，通过WIFI网络和Zigbee网络实现所述移动控制系统和所述草坪灯控制系统之间的数据传输；

控制单元，与所述显示单元、所述驱动单元和所述数据通信单元相连，用于协调上述三个单元的正常运行。

3.根据权利要求1或2所述的基于开源平台的无线草坪灯，其特征在于，还包括光敏单元，与所述草坪灯控制系统相连，所述光敏单元用于采集周围环境的亮度信息以供所述草坪灯控制系统根据所述亮度信息实时调整所述草坪灯模块中发光二极管的亮度。

4.根据权利要求2所述的基于开源平台的无线草坪灯，其特征在于，所述发光二极管的亮度等级分为256级，所述脉冲宽度调制的周期设为2ms。

5.根据权利要求3所述的基于开源平台的无线草坪灯，其特征在于，所述驱动单元包括前缓存区和后缓存区，所述前缓存区中存储有第一脉宽调制信号，所述后缓存区中存储有第二脉宽调制信号；所述第一脉宽调制信号是待播放的情景图案所对应的脉宽调制信号，所述第二脉宽调制信号是更新的脉宽调制信号；当所述第二脉宽调制信号与所述第一脉宽调制信号不同时，用所述第二脉宽调制信号替代所述第一脉宽调制信号。

6.一种草坪灯的无线移动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

移动控制系统通过WIFI网络发送针对草坪灯模块的控制命令；

草坪灯控制系统通过WIFI网络接收所述控制命令，进行解析后将所述控制命令通过Zigbee网络发送给草坪灯模块；

草坪灯模块通过Zigbee网络接收所述控制命令，根据该控制命令将不同颜色和不同数量的发光二极管相互组合形成多种情景图案。

7.根据权利要求6所述的草坪灯的无线移动控制方法，其特征在于，还包括所述草坪灯模块将执行信息通过所述草坪灯控制系统反馈给所述移动控制系统的步骤。

8.根据权利要求7所述的草坪灯的无线移动控制方法，其特征在于，所述Zigbee网络中包括一个协调器和多个路由器，所述一个协调器设置在所述数据通信单元处，所述多个路由器设置在所述多个发光二极管处，各个路由器之间相互连接，从而实现无线传输距离的延长。

9.根据权利要求8所述的草坪灯的无线移动控制方法，其特征在于，当所述移动控制系统位于异地时，通过设置网关的方式实现所述移动控制系统和所述草坪灯控制系统之间的无线通信。

10.根据权利要求6或7所述的草坪灯的无线移动控制方法，其特征在于，所述草坪灯模块每播放完一组情景图案后，所述草坪灯控制系统会发送一暂停命令使所述草坪灯模块在预设时间内暂停播放，之后所述草坪灯控制系统再发送播放命令以使所述草坪灯模块播放下一组情景图案。