第1步：選擇燈具

此項(xiàng)目以常規(guī)吸頂燈開(kāi)始修改。它必須是一個(gè)基于LED的燈，內(nèi)置12伏電源模塊和LED單元。此設(shè)置允許您在電源和LED單元之間連接自己的電子設(shè)備。當(dāng)然，燈具也需要有足夠的物理空間用于我們的電子設(shè)備 - 大約8.0 x 5.0 x 3.0厘米（或3.1 x 2.0 x 1.2英寸）。

我當(dāng)?shù)豀ubo五金店的超級(jí)友好人員讓我打開(kāi)盒子找到合適的盒子，最后我得到了一個(gè)Eglo LED GIRON 13493.這是一款24 LED，12瓦型號(hào)。圖為未修改形狀的燈泡，蓋子已拆下。如果你想用更大的燈來(lái)建造這個(gè)項(xiàng)目，這絕對(duì)是可能的 - 我們將使用的電路可以處理更大的電流。

這個(gè)特殊吸頂燈的成本是40歐元（約合44美元） 。

第2步：其他零件和設(shè)備

我在這個(gè)項(xiàng)目中使用了以下電子元件：

LM2596 DC/DC降壓穩(wěn)壓器模塊（不僅僅是LM2596 IC）。

ESP-01模塊。

LM358運(yùn)算放大器。

STP65NF06功率MOSFET。

7電阻：5x 2k2，1x 100k，1x 220R

2電容：1x 100n，1x 47n

1二極管：1N4148

MOSFET類型并不重要。它只需要是采用TO-220封裝的N溝道功率MOSFET，具有低導(dǎo)通電阻 - 許多其他類型都可以。

以下連接器等用于構(gòu)建電路：

2個(gè)PCB螺釘端子，每個(gè)2針（2.54mm/0.1‘’）（用于電源和LED連接）

1個(gè)公頭PCB接頭，3個(gè)引腳（用于可選串口調(diào)試連接）

1個(gè)母頭PCB接頭，2行4個(gè)引腳（我們將ESP-01模塊插入此端口） ）

一塊原型PCB，銅帶連接3個(gè)孔，就像這樣。

幾根安裝線，最好是幾種不同的顏色（用于PCB）。

一根雙線電纜（用于電源和我們的PCB之間）。

4個(gè)墊片/螺釘/螺栓，用于將PCB牢固地安裝在燈泡內(nèi)。

當(dāng)然還有一些焊料。

組件的總成本與供應(yīng)商的差異很大。我認(rèn)為我為所有東西支付了大約15歐元（約合16.50美元），但應(yīng)該可以通過(guò)DX或者AliExpress獲得更好的交易。

您需要以下工具和設(shè)備來(lái)構(gòu)建它：

常用工具，如螺絲刀，剪線鉗和剝線鉗。

烙鐵。

鉆頭用鉆頭在PCB和金屬上鉆孔 - 我使用了3.0mm（0.12英寸）鉆頭。

電壓/萬(wàn)用表。

安裝了Arduino IDE的PC/筆記本電腦，可以對(duì)ESP-01模塊進(jìn)行編程。這可以通過(guò)常規(guī)USB-to-UART模塊與一些面包板電路相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)，以便將ESP-01置于編程模式，或者（我認(rèn)為更方便）使用ESP-01編程板（如圖所示）。

雖然不是嚴(yán)格要求，但如果需要調(diào)試電路，使用示波器會(huì)派上用場(chǎng)。

步驟3：電路

微控制器核心

電路的核心是ESP8266基于ESP-01的wifi微控制器模塊。基本的想法是通過(guò)向MOSFET開(kāi)關(guān)發(fā)送PWM信號(hào)來(lái)對(duì)此事進(jìn)行編程以保持時(shí)間，提供網(wǎng)頁(yè)，觸發(fā)警報(bào)并控制調(diào)光器。

ESP-01板價(jià)格便宜，體積小，并有一個(gè)易于使用的2.54mm/0.1‘’間距連接器。缺點(diǎn)是您只能獲得2個(gè)通用輸入/輸出（GPIO）引腳：GPIO0和GPIO2。此外，為了正確啟動(dòng)微控制器，這些都需要先拉高，并且啟動(dòng)后它們會(huì)被啟動(dòng)加載器驅(qū)動(dòng)一小段時(shí)間（如兩個(gè)附加的示波器屏幕截圖所示）。如果我們直接從這些引腳中的任何一個(gè)驅(qū)動(dòng)燈，這些事情將導(dǎo)致明顯的閃爍。

再次查看示波器測(cè)量結(jié)果，我們可以看到即使在啟動(dòng)期間，GPIO0和GPIO2也沒(méi)有同時(shí)被驅(qū)動(dòng)為低電平。我們將通過(guò)構(gòu)造電路來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，使得只有當(dāng)GPIO0和GPIO2都被驅(qū)動(dòng)為低電平時(shí)燈才會(huì)亮 - 有效地在GPIO0/2和MOSFET之間放置一個(gè)NOR門。 GPIO0將用于（反向）PWM，GPIO2將用作“使能”引腳。這種設(shè)置使我們能夠完全控制以避免閃爍。

Opamp和MOSFET

GPIO0和GPIO2的輸出通過(guò)R4和R5饋入運(yùn)算放大器的反相輸入。運(yùn)算放大器的非反相輸入獲得由R6/D1產(chǎn)生的約0.5V的參考電壓。這設(shè)置了所需的NOR功能。通過(guò)為運(yùn)算放大器提供12V電壓，它還可以提供從ESP-01的3.3V邏輯到完全驅(qū)動(dòng)MOSFET所需的10V +所需的升壓。我們通過(guò)R7從運(yùn)算放大器輸出驅(qū)動(dòng)MOSFET。雖然這肯定不能成為理想的MOSFET驅(qū)動(dòng)器，但它對(duì)于這種應(yīng)用來(lái)說(shuō)絕對(duì)是好的（快速）。當(dāng)在面包板上構(gòu)建電路時(shí)，我注意到一些電壓尖峰和振鈴，可能與MOSFET和LED單元之間的導(dǎo)線的自感有關(guān)。我（粗略但有效地）通過(guò)將C2放在源極和漏極上來(lái)抑制這種情況。

電源

我們的部分電路需要大約12V，另一個(gè)部分需要大約3.3V，我們有一個(gè)現(xiàn)有的12V電源來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。我們從現(xiàn)有設(shè)計(jì)中有效地“竊取”了電力，希望我們吸取的電量不超過(guò)現(xiàn)有燈泡的安全裕度 - 這意味著我們必須保持較低的用電量。

根據(jù)這項(xiàng)研究，我們需要假設(shè)ESP-01的電流為215mA。使用線性穩(wěn)壓器（如LD1117）不是一個(gè)好選擇。這意味著我們還將從額定電流為1A的原始電源中吸取215mA電流 - 因此215mA將非常重要。此外，穩(wěn)壓器將耗散約1.9W，因此需要散熱器。因此，我使用了開(kāi)關(guān)電源模塊。通過(guò)調(diào)節(jié)微調(diào)電位器，可以將這個(gè)特定的基于LM2596的模塊調(diào)節(jié)到所需的3.3V。假設(shè)轉(zhuǎn)換效率為85％，它將從原始電源消耗70mA，耗散125mW - 這更容易接受。

步驟4：PCB

我在一塊原型PCB板上構(gòu)建了所有東西。我根據(jù)個(gè)人喜好使用了連接3個(gè)孔的銅條類型。我開(kāi)始在角落鉆4個(gè)孔以便以后安裝板，然后焊接ESP-01的主要有源元件和插座，然后是其他所有。

包括這兩個(gè)圖插入和不插入ESP-01模塊的PCB和照片。這些應(yīng)該提供所有需要的信息。

為了連接PCB，我使用螺絲端子連接電源和LED單元，并使用公頭打印頭暴露ESP-01的串口。后者不是必需的，但強(qiáng)烈建議在必要時(shí)進(jìn)行調(diào)試。

步驟5：軟件

如果你想要按原樣使用軟件而不做任何修改并且不關(guān)心它是如何制作的，程序很簡(jiǎn)單：下載并解壓附帶的‘wakeuplight_esp01.zip’，在Arduino IDE中打開(kāi)。修改‘configuration.h’中的設(shè)置。它需要您的Wifi SSID和密碼，IP地址信息，NTP服務(wù)器的名稱（您可以保持不變）和時(shí)區(qū)信息 - 您的UTC標(biāo)準(zhǔn)偏差（以分鐘為單位）以及任何夏令時(shí)規(guī)則。

進(jìn)行適當(dāng)?shù)母暮?，只需將草圖上傳到ESP-01。

如果您想對(duì)軟件進(jìn)行一些更改，或者只是對(duì)它的工作方式感興趣，可以參考一些更詳細(xì)的信息如下所示。

整體架構(gòu)

我的這個(gè)軟件的初始版本是在簡(jiǎn)單的C中，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)有機(jī)地發(fā)展。在某些時(shí)候，它工作（有點(diǎn)），但它是一個(gè)混亂。然后我決定重構(gòu)并切換到C ++，為每個(gè)單獨(dú)的函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的類（由定義類的.h文件和包含實(shí)現(xiàn)的.cpp文件組成）。這些類在主模塊中實(shí)例化。當(dāng)然，大多數(shù)課程都依賴于其他課程。主模塊通過(guò)依賴類的構(gòu)造函數(shù)注入這些依賴項(xiàng)。

存在以下類：

配置：提供所有配置數(shù)據(jù)的接口，兩者都是硬編碼的（如上所述）以及存儲(chǔ)在EEPROM中的數(shù)據(jù)（如報(bào)警設(shè)置）。所有其他模塊（調(diào)光器除外）取決于配置。

調(diào)光器：使用PWM調(diào)節(jié)光強(qiáng)度。

Wificlient：建立與Wifi接入點(diǎn)的連接。

NTPClient：從時(shí)間服務(wù)器獲取通用時(shí)間。

LocalClock：將通用時(shí)間轉(zhuǎn)換為本地時(shí)間，并考慮DST規(guī)則（如果有）。

鬧鐘：使用Dimmer，LocalClock和Configuration執(zhí)行在設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)逐漸打開(kāi)燈光的基本功能。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器：提供適合移動(dòng)設(shè)備的網(wǎng)頁(yè)，以啟用警報(bào)配置和手動(dòng)控制。

Serialhost：允許串行通信以進(jìn)行調(diào)試。

源文件中提供了更多詳細(xì)信息。 Dimmer和Webserver模塊在某種意義上是特殊的，它們部分地使用生成的代碼。 ‘wakeuplight_java_helpers.zip’文件包含一個(gè)用于生成的Eclipse Java項(xiàng)目。我們將在下面放大。

調(diào)光器

喚醒燈的亮點(diǎn)是讓光強(qiáng)度逐漸增加被人類感知。 PWM機(jī)制為我們提供了對(duì)光強(qiáng)度的線性控制，但人類感知或多或少是對(duì)數(shù)的（Weber-Fechner定律）。如果我們不對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，只需讓PWM占空比在1000步中從0增加到100％，結(jié)果就是在喚醒周期的早期階段，光強(qiáng)度會(huì)增加得太快而且明顯跳躍，提前達(dá)到高水平，然后在周期的剩余時(shí)間內(nèi)從高到高非常緩慢地上升。這顯然不是我們想要的。我們需要在時(shí)間上以指數(shù)方式而不是線性方式改變光強(qiáng)度，以使感知在時(shí)間上線性增加。

此外，ESP8266 PWM并不完美。它有一些抖動(dòng)，在非常小的占空比下會(huì)引起注意，并導(dǎo)致燈泡明顯閃爍。因此，光可以完全關(guān)閉，或者處于某種最小穩(wěn)定值，但我們應(yīng)該避免介于兩者之間。如果PWM頻率很低，這個(gè)問(wèn)題會(huì)變得不那么嚴(yán)重 - 這就是我選擇100Hz的原因。

文件‘DutyCycle.java’從感知光強(qiáng)度（0到1800比例）和PWM值（0到20000比例）的所需步驟計(jì)算函數(shù)。 ‘ConvertDutyCycleToEsp.java’程序計(jì)算此函數(shù)并將其寫入.h文件以包含在Arduino項(xiàng)目中。 Arduino中的Dimmer代碼只是查看生成的表格。

Webserver

我想用智能手機(jī)控制項(xiàng)目。由于我在編寫網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序方面比使用原生移動(dòng)應(yīng)用程序有更多經(jīng)驗(yàn)，因此我決定采用適合移動(dòng)設(shè)備的Web應(yīng)用程序方法。

web-app是一個(gè)單頁(yè)HTML5/jQuery應(yīng)用程序，當(dāng)用戶按下按鈕時(shí)會(huì)發(fā)送Ajax POST請(qǐng)求（并定期檢索狀態(tài)更新）。該頁(yè)面指示瀏覽器從jsDelivr CDN獲取jQuery，所有JavaScript和CSS代碼都包含在HTML中，以及使用數(shù)據(jù)URL的圖像。因此，加載頁(yè)面只需要向ESP-01發(fā)出一個(gè)GET請(qǐng)求，保持一切簡(jiǎn)單快捷。

通過(guò)包含‘mobile-web-app-capable’和‘a(chǎn)pple-mobile-具有網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用功能的標(biāo)簽和快捷圖標(biāo)鏈接，智能手機(jī)可以將此網(wǎng)頁(yè)添加到主屏幕。之后，它可以像應(yīng)用程序一樣啟動(dòng)（它將在全屏瀏覽器中啟動(dòng)），很大程度上隱藏了它不是本機(jī)應(yīng)用程序的事實(shí)。

必須上傳草圖每次測(cè)試網(wǎng)頁(yè)的小變化都不是一個(gè)很好的開(kāi)發(fā)周期。因此，我在Java Web項(xiàng)目中開(kāi)發(fā)了這個(gè)，使用’LightServlet.java‘模擬ESP-01對(duì)Ajax POST請(qǐng)求的響應(yīng)。 ’ConvertWebpageToEsp.java‘將web項(xiàng)目index.html轉(zhuǎn)換為’webserver_homepage.h‘包含文件，其中包含作為字符串常量的網(wǎng)頁(yè)。

步驟6：將所有內(nèi)容放在一起

隨著PCB的建立和軟件上傳到ESP-01，現(xiàn)在是時(shí)候了將所有東西放在一起。

要將PCB安裝在夾具中，當(dāng)然需要在其中鉆一些孔。在此之前我移除了電源和LED單元，以避免鉆孔振動(dòng)損壞它們。之后，可以使用墊片安裝PCB。我從電源上取下原來(lái)的連接線，然后用它們連接到PCB。我用一根雙線將PCB連接到電源上。在此之后，燈可以安裝在天花板上！

當(dāng)用墻壁開(kāi)關(guān)打開(kāi)燈泡時(shí)，燈應(yīng)該像往常一樣完全打開(kāi)，但延遲很短（遠(yuǎn)不到一秒鐘，但值得注意）。您現(xiàn)在應(yīng)該可以將移動(dòng)瀏覽器指向燈泡的IP地址，并查看網(wǎng)頁(yè)。通過(guò)“添加到主屏幕”選項(xiàng)，您可以在主屏幕上添加一個(gè)圖標(biāo)作為真正的應(yīng)用程序啟動(dòng)（在Android上測(cè)試，但也可以在iOS上運(yùn)行）。

您現(xiàn)在可以配置喚醒期并啟用它。當(dāng)您想要進(jìn)入睡眠狀態(tài)時(shí)，請(qǐng)不要關(guān)閉墻壁開(kāi)關(guān)，因?yàn)檎麄€(gè)裝置當(dāng)然會(huì)失去動(dòng)力。而是按下應(yīng)用程序中的“關(guān)閉”按鈕。第二天早上，您將在配置的時(shí)間輕輕地醒來(lái)。