智能家居的燈光實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

李春雨，孫憲坤，陳濤

（1.上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海201600；2.上海匡泰信息科技有限公司）

引 言

隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)住所的需求已不僅僅滿足于居室的布局、外觀及周邊環(huán)境，美國(guó)哈里斯民意測(cè)驗(yàn)調(diào)查所調(diào)查結(jié)果顯示，兩千多名美國(guó)成年受訪者中有52%認(rèn)為擁有智能家居比較重要[1]。智能家居是在現(xiàn)有住宅基礎(chǔ)上，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)通信、自動(dòng)控制等技術(shù)將家用設(shè)施集成，以構(gòu)筑安全、舒適、環(huán)保、智能的居住環(huán)境。

燈光控制是智能家居系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)于智能家居燈光控制系統(tǒng)的研究，近幾年國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了很多研究成果[2-5]。周曉偉等[2]提出了利用PC機(jī)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)相連組成系統(tǒng)基站，在數(shù)十米 范圍內(nèi)近距離控制樓宇照明模式，以起到節(jié)約電能作用。蔣小洛等[3]提出了在嵌入式設(shè)備中內(nèi)置Web服務(wù)器，無(wú)論身在何地，都可以通過(guò)Web瀏覽器頁(yè)面上的按鈕遠(yuǎn)程控制燈光亮滅。丁飛等[4]所設(shè)計(jì)的家庭控制系統(tǒng)，支持通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送短信遠(yuǎn)程控制燈光亮滅。Cheong Ghil.Kim 等[5]設(shè)計(jì)了一套基于OpenWrt操作系統(tǒng)，利用智能手機(jī)通過(guò)因特網(wǎng)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)LED燈光亮度的照明模擬系統(tǒng)。

上述設(shè)計(jì)者在燈光控制方面做出了重要貢獻(xiàn)，但他們共同的局限在于沒(méi)有考慮如何將燈光的亮滅狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示在控制界面上，缺乏操作交互性，也沒(méi)有考慮在燈光數(shù)量較多情況下如何確保燈光控制的穩(wěn)定性。

本文所開(kāi)發(fā)的智能家居燈光控制系統(tǒng)采用智能移動(dòng)設(shè)備安裝APP控制軟件，點(diǎn)擊APP界面上燈泡圖標(biāo)，智能移動(dòng)設(shè)備發(fā)出控制指令，經(jīng)云服務(wù)器和系統(tǒng)主機(jī)被轉(zhuǎn)發(fā)到燈控終端，從而遠(yuǎn)程控制家中燈光亮滅。

由于ZigBee通信是雙向無(wú)線通信技術(shù)[6]，使得每一步燈光控制操作都可以將當(dāng)前燈光的亮滅狀態(tài)反饋到APP界面上。同時(shí)利用ZigBee通信自組網(wǎng)特性，讓多個(gè)燈控終端組成網(wǎng)狀網(wǎng)，這使得只要有一個(gè)燈控終端接收到控制指令，該指令便會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)到目的燈控終端，明顯增強(qiáng)了控制穩(wěn)定性。

1 智能家居燈光控制系統(tǒng)

本文開(kāi)發(fā)的智能家居燈光控制系統(tǒng)主要由智能移動(dòng)設(shè)備、云服務(wù)器、系統(tǒng)主機(jī)、家庭局域網(wǎng)、燈光控制終端等部分組成，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 燈光控制系統(tǒng)原理圖

1.1 智能移動(dòng)設(shè)備

智能移動(dòng)設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱設(shè)備）包括智能手機(jī)、平板電腦等可以安裝Android或iOS操作系統(tǒng)的移動(dòng)設(shè)備。在設(shè)備上安裝智能家居APP軟件，打開(kāi)軟件后設(shè)備自動(dòng)通過(guò)WiFi或2G/3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)登陸云服務(wù)器，輸入包含主機(jī)信息的密碼，實(shí)現(xiàn)與對(duì)應(yīng)主機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接。點(diǎn)擊APP界面上的燈泡圖標(biāo)，用戶的操作指令將被發(fā)送到云服務(wù)器，操作完成后設(shè)備會(huì)收到包含當(dāng)前燈光狀態(tài)的反饋信息，燈光狀態(tài)便顯示在APP界面上。

1.2 云服務(wù)器

云服務(wù)器是連接智能移動(dòng)設(shè)備和系統(tǒng)主機(jī)的橋梁。通過(guò)租用第三方大型云計(jì)算服務(wù)，編寫(xiě)云計(jì)算程序在“云”端運(yùn)行實(shí)現(xiàn)。

云服務(wù)器具有巨大的存儲(chǔ)容量，可以存儲(chǔ)海量系統(tǒng)主機(jī)信息，開(kāi)發(fā)人員通過(guò)云服務(wù)器集中管理各個(gè)系統(tǒng)主機(jī)的掛載燈控終端數(shù)量、登陸密碼設(shè)置等項(xiàng)目。

1.3 系統(tǒng)主機(jī)

系統(tǒng)主機(jī)是智能家居燈光控制系統(tǒng)的中樞，其全球唯一的MAC地址存于云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，使得智能移動(dòng)設(shè)備可以通過(guò)連接云服務(wù)器輸入指定密碼與對(duì)應(yīng)主機(jī)通信。

在智能家居燈光控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)主機(jī)負(fù)責(zé)將云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的控制指令通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到燈控終端。

1.4 家庭局域網(wǎng)

家庭局域網(wǎng)（Home-Area Network，HAN）是智能家居燈光控制系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，它負(fù)責(zé)將系統(tǒng)主機(jī)與各個(gè)燈控終端組網(wǎng)通信。本系統(tǒng)采用CC2530芯片構(gòu)建ZigBee家庭局域網(wǎng)。

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。它是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)，工作頻段主要集中在2.4～2.5 GHz，具有使用方便、工作可靠、價(jià)格低廉、雙向通信等特點(diǎn)。

ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以組成星形、樹(shù)形、孔形等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]，網(wǎng)絡(luò)包含協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)三部分。協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起組織、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和管理功能，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)協(xié)調(diào)器，在本系統(tǒng)中它嵌入系統(tǒng)主機(jī)內(nèi)；路由器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由中繼轉(zhuǎn)發(fā)；終端節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，本系統(tǒng)中它嵌入燈控終端內(nèi)。

1.5 燈光控制終端

燈光控制終端是整個(gè)智能家居燈光控制系統(tǒng)的最終執(zhí)行設(shè)備。它通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)接收系統(tǒng)主機(jī)發(fā)來(lái)的控制指令，根據(jù)指令驅(qū)動(dòng)繼電器，控制燈泡的通斷電實(shí)現(xiàn)燈光亮滅。每條指令執(zhí)行后都會(huì)反饋一個(gè)數(shù)據(jù)包給系統(tǒng)主機(jī)，上報(bào)當(dāng)前燈光亮滅狀態(tài)。系統(tǒng)主機(jī)再通過(guò)云服務(wù)器將此狀態(tài)反饋到智能移動(dòng)設(shè)備上顯示。

2 ZigBee通信協(xié)議設(shè)計(jì)

智能移動(dòng)設(shè)備發(fā)出的控制命令經(jīng)云服務(wù)器傳輸?shù)较到y(tǒng)主機(jī)后，系統(tǒng)主機(jī)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將該信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到燈控終端，該控制命令幀格式如下所示：

幀長(zhǎng)度 指令編號(hào) 源地址 目的地址 控制命令1字節(jié) 1字節(jié) 2字節(jié) 2字節(jié) 1字節(jié)

燈控終端根據(jù)控制命令完成相應(yīng)操作后反饋一個(gè)包含當(dāng)前燈光狀態(tài)的數(shù)據(jù)包到主機(jī)，主機(jī)再將反饋數(shù)據(jù)包經(jīng)云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)到智能移動(dòng)設(shè)備，智能移動(dòng)設(shè)備根據(jù)反饋信息顯示當(dāng)前燈光狀態(tài)。燈控終端反饋數(shù)據(jù)包幀格式如下所示：

注：因ZigBee通信可掛載65 535個(gè)節(jié)點(diǎn)，故源地址和目的地址均采用兩個(gè)字節(jié)表示。

根據(jù)以上通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)的燈光控制效果如圖2所示。

圖2 燈光控制效果圖

3 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

本系統(tǒng)測(cè)試采用系統(tǒng)主機(jī)內(nèi)的協(xié)調(diào)器與電腦USB口連接，利用串口軟件循環(huán)發(fā)送開(kāi)燈、關(guān)燈命令到燈控終端實(shí)現(xiàn)。由于燈控終端每接收?qǐng)?zhí)行一條控制命令后都會(huì)反饋一個(gè)包含當(dāng)前燈光狀態(tài)的數(shù)據(jù)包，只有協(xié)調(diào)器成功接收到此反饋數(shù)據(jù)包才視為此次通信成功。采用收包概率（Packet Reception Rate，PRR）來(lái)度量通信質(zhì)量的好壞[7]。通信收包率可用如下公式計(jì)算：

CC2530芯片單次發(fā)送數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)設(shè)置為1000個(gè)，經(jīng)預(yù)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)送速度大于6個(gè)/s時(shí)，燈控終端無(wú)法及時(shí)處理接收到的控制命令，為了給實(shí)際測(cè)試留有余量，數(shù)據(jù)包發(fā)送速度設(shè)置為2個(gè)/s[8]。本次測(cè)試在無(wú)遮擋環(huán)境中進(jìn)行，距離分別設(shè)置為10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m。測(cè)試數(shù)據(jù)如圖3、圖4所示。

圖3 單節(jié)點(diǎn)距離測(cè)試數(shù)據(jù)

圖4 節(jié)點(diǎn)距離測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論：

①在節(jié)點(diǎn)數(shù)不變的情況下，隨著通信距離的增大，通信收包率不斷降低。

②在相同距離情況下，增加終端節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)可以有效增大通信收包率。這是由于ZigBee通信具有自組網(wǎng)特性，本實(shí)驗(yàn)中設(shè)置為自組成網(wǎng)狀網(wǎng)，此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下每一節(jié)點(diǎn)都保留有其他節(jié)點(diǎn)的通信路徑，可以同時(shí)通過(guò)多條通信路徑傳輸數(shù)據(jù)[7]，只要有一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)，該節(jié)點(diǎn)便會(huì)將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給指定目的節(jié)點(diǎn)，可以極大增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

在后續(xù)不斷增加燈控終端節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)100個(gè)的情況下，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)依然符合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。由于本系統(tǒng)主要應(yīng)用于家庭燈光控制，只要家庭安裝5個(gè)以上燈控終端節(jié)點(diǎn)，在25 m范圍內(nèi)通信收包率都能控制在99%以上，在設(shè)計(jì)程序時(shí)將每條控制命令連續(xù)發(fā)送2次，完全可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的燈光控制。遇到墻壁遮擋的情況，可增加中繼模塊，將控制命令多跳轉(zhuǎn)發(fā)，也就相當(dāng)于縮短了系統(tǒng)主機(jī)與燈控終端的通信距離，同樣可以保證通信的穩(wěn)定性。

結(jié) 語(yǔ)

本文開(kāi)發(fā)了一套智能家居燈光控制系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)各個(gè)組成部分的作用，實(shí)現(xiàn)了利用智能移動(dòng)設(shè)備遠(yuǎn)程控制和查看家中燈光亮滅的功能，讓用戶可以身處異地也能遠(yuǎn)程關(guān)閉電燈以節(jié)約電能或外出一鍵關(guān)閉家中所有燈光，回家路上提前打開(kāi)家中燈光等。對(duì)系統(tǒng)ZigBee通信自組網(wǎng)特性作了測(cè)試，分析了提高系統(tǒng)通信穩(wěn)定性的解決方法。

下一步研究方向主要是實(shí)現(xiàn)燈光亮度和色彩調(diào)節(jié)，讓用戶可以設(shè)定不同的情景模式，以提高生活的舒適性。

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