第1步：選擇燈具

此項目以常規(guī)吸頂燈開始修改。它必須是一個基于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五金店的超級友好人員讓我打開盒子找到合適的盒子，最后我得到了一個Eglo LED GIRON 13493.這是一款24 LED，12瓦型號。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建造這個項目，這絕對是可能的 - 我們將使用的電路可以處理更大的電流。

這個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

我在這個項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PCB螺釘端子，每個2針（2.54mm/0.1‘’）（用于電源和LED連接）

1個公頭PCB接頭，3個引腳（用于可選串口調(diào)試連接）

1個母頭PCB接頭，2行4個引腳（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DX或者AliExpress獲得更好的交易。

您需要以下工具和設(shè)備來構(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/萬用表。

安裝了Arduino IDE的PC/筆記本電腦，可以對ESP-01模塊進行編程。這可以通過常規(guī)USB-to-UART模塊與一些面包板電路相結(jié)合來實現(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，使用示波器會派上用場。

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?；镜南敕ㄊ峭ㄟ^向MOSFET開關(guān)發(fā)送PWM信號來對此事進行編程以保持時間，提供網(wǎng)頁，觸發(fā)警報并控制調(diào)光器。

ESP-01板價格便宜，體積小，并有一個易于使用的2.54mm/0.1‘’間距連接器。缺點是您只能獲得2個通用輸入/輸出（GPIO）引腳：GPIO0和GPIO2。此外，為了正確啟動微控制器，這些都需要先拉高，并且啟動后它們會被啟動加載器驅(qū)動一小段時間（如兩個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驅(qū)動燈，這些事情將導(dǎo)致明顯的閃爍。

再次查看示波器測量結(jié)果，我們可以看到即使在啟動期間，GPIO0和GPIO2也沒有同時被驅(qū)動為低電平。我們將通過構(gòu)造電路來解決這個問題，使得只有當(dāng)GPIO0和GPIO2都被驅(qū)動為低電平時燈才會亮 - 有效地在GPIO0/2和MOSFET之間放置一個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R4和R5饋入運算放大器的反相輸入。運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。通過為運算放大器提供12V電壓，它還可以提供從ESP-01的3.3V邏輯到完全驅(qū)動MOSFET所需的10V +所需的升壓。我們通過R7從運算放大器輸出驅(qū)動MOSFET。雖然這肯定不能成為理想的MOSFET驅(qū)動器，但它對于這種應(yīng)用來說絕對是好的（快速）。當(dāng)在面包板上構(gòu)建電路時，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）通過將C2放在源極和漏極上來抑制這種情況。

電源

我們的部分電路需要大約12V，另一個部分需要大約3.3V，我們有一個現(xiàn)有的12V電源來實現(xiàn)這一目標(biāo)。我們從現(xiàn)有設(shè)計中有效地“竊取”了電力，希望我們吸取的電量不超過現(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，我使用了開關(guān)電源模塊。通過調(diào)節(jié)微調(diào)電位器，可以將這個特定的基于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)個人喜好使用了連接3個孔的銅條類型。我開始在角落鉆4個孔以便以后安裝板，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，但強烈建議在必要時進行調(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，程序很簡單：下載并解壓附帶的‘wakeuplight_esp01.zip’，在Arduino IDE中打開。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）以及任何夏令時規(guī)則。

進行適當(dāng)?shù)母暮?，只需將草圖上傳到ESP-01。

如果您想對軟件進行一些更改，或者只是對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)

我的這個軟件的初始版本是在簡單的C中，并通過實驗有機地發(fā)展。在某些時候，它工作（有點），但它是一個混亂。然后我決定重構(gòu)并切換到C ++，為每個單獨的函數(shù)創(chuàng)建一個單獨的類（由定義類的.h文件和包含實現(xiàn)的.cpp文件組成）。這些類在主模塊中實例化。當(dāng)然，大多數(shù)課程都依賴于其他課程。主模塊通過依賴類的構(gòu)造函數(shù)注入這些依賴項。

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）以及存儲在EEPROM中的數(shù)據(jù)（如報警設(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)光強度。

Wificlient：建立與Wifi接入點的連接。

NTPClient：從時間服務(wù)器獲取通用時間。

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

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

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

Serialhost：允許串行通信以進行調(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’文件包含一個用于生成的Eclipse Java項目。我們將在下面放大。

調(diào)光器

喚醒燈的亮點是讓光強度逐漸增加被人類感知。 PWM機制為我們提供了對光強度的線性控制，但人類感知或多或少是對數(shù)的（Weber-Fechner定律）。如果我們不對此進行補償，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，光強度會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。我們需要在時間上以指數(shù)方式而不是線性方式改變光強度，以使感知在時間上線性增加。

此外，ESP8266 PWM并不完美。它有一些抖動，在非常小的占空比下會引起注意，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，這個問題會變得不那么嚴(yán)重 - 這就是我選擇100Hz的原因。

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

Webserver

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

web-app是一個單頁HTML5/jQuery應(yīng)用程序，當(dāng)用戶按下按鈕時會發(fā)送Ajax POST請求（并定期檢索狀態(tài)更新）。該頁面指示瀏覽器從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，加載頁面只需要向ESP-01發(fā)出一個GET請求，保持一切簡單快捷。

通過包含‘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，智能手機可以將此網(wǎng)頁添加到主屏幕。之后，它可以像應(yīng)用程序一樣啟動（它將在全屏瀏覽器中啟動），很大程度上隱藏了它不是本機應(yīng)用程序的事實。

必須上傳草圖每次測試網(wǎng)頁的小變化都不是一個很好的開發(fā)周期。因此，我在Java Web項目中開發(fā)了這個，使用’LightServlet.java‘模擬ESP-01對Ajax POST請求的響應(yīng)。 ’ConvertWebpageToEsp.java‘將web項目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。

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，以避免鉆孔振動損壞它們。之后，可以使用墊片安裝PCB。我從電源上取下原來的連接線，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)用墻壁開關(guān)打開燈泡時，燈應(yīng)該像往常一樣完全打開，但延遲很短（遠(yuǎn)不到一秒鐘，但值得注意）。您現(xiàn)在應(yīng)該可以將移動瀏覽器指向燈泡的IP地址，并查看網(wǎng)頁。通過“添加到主屏幕”選項，您可以在主屏幕上添加一個圖標(biāo)作為真正的應(yīng)用程序啟動（在Android上測試，但也可以在iOS上運行）。

您現(xiàn)在可以配置喚醒期并啟用它。當(dāng)您想要進入睡眠狀態(tài)時，請不要關(guān)閉墻壁開關(guān)，因為整個裝置當(dāng)然會失去動力。而是按下應(yīng)用程序中的“關(guān)閉”按鈕。第二天早上，您將在配置的時間輕輕地醒來。