基于云計算的高端LED吸頂燈的照明控制系統

　　該系統與網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)緊密結合，利用炙手可熱的移動(dòng)設備如手機，Ipad作為控制端，不僅能夠實(shí)現對室內LED吸頂燈的遠程開(kāi)關(guān)控制，而且還可以實(shí)現色溫、亮度的無(wú)極調節，關(guān)燈定時(shí)等功能。同時(shí)與云計算平臺的相結合，可以實(shí)現對家中狀況的實(shí)時(shí)監控。在任何有網(wǎng)絡(luò )覆蓋的地方，無(wú)論有線(xiàn)網(wǎng)、WIFI網(wǎng)絡(luò )、GPRS網(wǎng)絡(luò )或3G網(wǎng)絡(luò )，都可以通過(guò)手機登錄應用軟件對系統進(jìn)行操控。

　　LED光源因其能耗少、顯色度高、壽命長(cháng)、無(wú)毒、可回收再利用等優(yōu)點(diǎn)，被稱(chēng)為是21世紀最有發(fā)展前景的綠色照明光源。室內吸頂燈采用LED燈珠，可以實(shí)現良好的顯色指數，并能利用LED的色溫特性實(shí)現對燈具的色溫調節，以滿(mǎn)足人對視覺(jué)的要求。

　　網(wǎng)絡(luò )的廣泛普及和通信技術(shù)的高速度發(fā)展，給社會(huì )帶來(lái)了數字化和信息化的改變，各種家用電器也更加智能化。智能手機的大力普及為人們提供了一個(gè)可以隨時(shí)隨地接入互聯(lián)網(wǎng)的智能終端，利用手機、IPAD等對燈具進(jìn)行控制免去了找遙控器的煩惱，方便快捷。同時(shí)，在開(kāi)啟家庭監控功能的時(shí)候，能夠將實(shí)時(shí)監視視頻保存在大存儲容量的云服務(wù)平臺上，出差在外的用戶(hù)通過(guò)手機可以登錄云平臺及時(shí)了解家中的情況，且不會(huì )占據手機內存。本設計系統利用因特網(wǎng)和WIFI無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)以及云計算平臺設計了一種智能照明控制技術(shù)，通過(guò)移動(dòng)終端實(shí)現對LED燈的遠程開(kāi)關(guān)、亮度和色溫調節，同時(shí)利用云服務(wù)平臺實(shí)現對家中情況的實(shí)時(shí)監控。

　　總體結構設計

　　基于云計算的高端LED吸頂燈的照明控制系統分為三大模塊，分別為移動(dòng)控制端、云服務(wù)平臺，控制中心。整體結構如圖1所示?？刂浦行?，是整個(gè)系統的控制樞紐，在控制端與控制對象之間建立起連接，統籌各個(gè)部分協(xié)調工作。LED吸頂燈內置WIFI模塊，手機可以直接連接到其發(fā)出的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)對其進(jìn)行近距離控制，當然也可以將燈具和手機同時(shí)連接到因特網(wǎng)對燈具進(jìn)行遠程控制。

　　引入云計算平臺之后，我們通過(guò)遠程監控技術(shù)，方便出差在外的人們通過(guò)網(wǎng)絡(luò )攝像頭了解家中燈具開(kāi)啟情況，方便及時(shí)對燈具進(jìn)行相應操作，實(shí)現未進(jìn)家門(mén)先將燈具開(kāi)啟以及解決出門(mén)忘記關(guān)燈的煩擾。照明控制技術(shù)與云計算相結合，使得云服務(wù)器可以連接成千上萬(wàn)的燈具子系統，進(jìn)行統籌控制。

　　2.1控制中心

　　控制中心是整個(gè)照明控制系統的核心模塊，如圖2所示。它在控制端與控制對象之間建立起連接，統籌各個(gè)部分協(xié)調工作?？刂浦行牡闹饕ぷ靼ê褪謾C移動(dòng)端的通信、和云服務(wù)器的信息交互以及對燈具的調節控制。其中最主要的部分是WIFI通信部分，其工作原理是接收手機發(fā)送來(lái)的指令，將接收到的網(wǎng)絡(luò )信號轉換為串口數據，輸入到單片機，經(jīng)過(guò)燈具控制模塊的解碼譯碼，對兩路PWM信號進(jìn)行調節，使之輸出不同的占空比，改變調光電源輸出電流的大小，進(jìn)而調節燈具亮度和色溫的狀態(tài)。

　　本設計通過(guò)USR-WIFI232-SUART接口WIFI數據傳輸模塊實(shí)現網(wǎng)絡(luò )信號與串口信號之間的轉換，進(jìn)而實(shí)現手機等移動(dòng)控制端通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )對燈具的控制。本系統選用臺灣宏晶的STC12C5620AD單片機作為主控芯片。如圖3所示，為USR-WIFI232-Ｓ模塊與單片機 STC12C5620AD的接口電路設計。USR-WIFI232-Ｓ模塊與STC12Ｃ5620ＡＤ通過(guò)串口進(jìn)行連接，完成數據的交互。

　　USR-WIFI232-Ｓ模塊有三種工作模式，包括AP模式，STA模式和STA+AP模式。

　　本設計系統使用STA+AP模式。如圖4所示，采用STA+AP模式，可以利用手機等手持設備對用戶(hù)設備進(jìn)行監控，而不改變其原來(lái)的網(wǎng)絡(luò )設置。

　　這種組網(wǎng)應用可以采集用戶(hù)設備上的數據并將其發(fā)送到服務(wù)器上處理和存儲，服務(wù)器也可以發(fā)送命令對用戶(hù)設備進(jìn)行控制。用戶(hù)既可以用手機或者PC通過(guò)局域網(wǎng)進(jìn)行設備控制，又可以遠程通過(guò)手機或PC與服務(wù)器通信，實(shí)現遠程數據獲取或者遠程設備控制。

　　2.2云服務(wù)平臺架構

　　云服務(wù)平臺架構包括云計算平臺層、服務(wù)層和手機端應用層。如圖5所示。

　　云計算平臺旨在現有的軟硬件基礎設施上構建云環(huán)境，為上一級的控制層提供云計算相關(guān)的基礎服務(wù)，包括數據存儲、數據處理服務(wù)、分布式數據庫技術(shù)等。

　　控制服務(wù)層不僅要提供與云計算平臺層即通信接口，還要與手機端應用進(jìn)行交互，處理來(lái)自用戶(hù)客戶(hù)端的請求，如需要查看家中監控視頻。手機端應用層直接面向用戶(hù)，與用戶(hù)進(jìn)行界面互動(dòng)，進(jìn)而控制燈具狀態(tài)、反饋信息等。

　　云計算平臺層是一個(gè)提供云服務(wù)的服務(wù)器集群，提供如下功能：

　?。?）通過(guò)Internet接收來(lái)自控制中心的命令，存儲家庭網(wǎng)絡(luò )攝像頭的錄像數據并存儲，并根據控制端的指令將數據傳遞給手機。

　?。?）通過(guò)Internet與控制端連接，接受來(lái)自控制端的指令。

　?。?）內置大量有關(guān)光的色溫，眩光等有關(guān)光健康的相關(guān)知識，供用戶(hù)下載查看。

　　2.3移動(dòng)控制端

　　移動(dòng)控制端是一個(gè)人機界面設備，是用戶(hù)使用該系統的媒介。本系統利用當前主流的Android、IOS系統作為平臺開(kāi)發(fā)控制終端APP來(lái)對系統進(jìn)行操作。界面和燈具的之間通信通過(guò)網(wǎng)絡(luò )通信來(lái)完成。目前的網(wǎng)絡(luò )通信模式有多種，如HTTP通信方式、Socket通信以及WebService方式等。本系統采用Socket通信方式與服務(wù)器建立連接并傳遞數據。

　　建立Socket連接至少需要一對套接字，一個(gè)是運行在客戶(hù)端的Client Socket，另一個(gè)是運行于服務(wù)器端的Server Socket。套接字之間的連接過(guò)程可以歸為三個(gè)步驟：服務(wù)器監聽(tīng)，客戶(hù)端請求，連接確認。Java.net.Socket這一接口，提供了實(shí)現 Socket通信的完整API。

　　軟件設計工作主要分為三個(gè)部分。一是單片機接收WIFI信號進(jìn)行調光、調色控制部分，二是云計算平臺的軟件部分，三是移動(dòng)控制端部分，包括Android和IOS系統的應用端APP。

　　3.1 LED調光控制

　　如圖6所示為L(cháng)ED調光控制程序流程圖。在程序執行開(kāi)始時(shí)，先對單片機的PCA寄存器進(jìn)行初始化。然后不斷地等待WIFI模塊傳送過(guò)來(lái)的信號。當單片機接收到數據后，接受標志位置1，讀入到接收緩存器內，然后由單片機對收到的代碼進(jìn)行解碼譯碼，進(jìn)而執行相應的操作。

　　3.2云計算平臺軟件結構

　　云計算平臺的軟件結構層次如圖7所示。

　　云計算平臺的實(shí)現既可以自行搭建服務(wù)器集群的私有云，也可以直接租用大型云計算公司所提供的服務(wù)，如云計算行業(yè)巨頭Google、Amazon推出的云服務(wù)。

　　在云計算平臺上，我們提供一個(gè)基礎服務(wù)層，來(lái)為該系統提供一些必須的功能，如用戶(hù)認證、數據存儲、與控制中心和智能終端的聯(lián)網(wǎng)和編程接口。這為更高級的應用層提供了一些標準的服務(wù)。我們可以利用這些服務(wù)來(lái)維護我們的軟件系統，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)系統軟件應用，實(shí)現數據及時(shí)更新。

　　3.3移動(dòng)控制端軟件開(kāi)發(fā)

　　根據智能LED吸頂燈系統的設計需求，控制終端系統應包括如下功能：

　?。?）通過(guò)手機實(shí)現對LED吸頂燈的一鍵開(kāi)關(guān)、一健全亮、暖白、正白設置。

　?。?）通過(guò)手機實(shí)現對LED吸頂燈的亮度無(wú)極調節（5%-100%）以及色溫無(wú)極調節（2700K-6500K）。

　?。?）實(shí)現對LED吸頂燈的定時(shí)功能，分別為：“無(wú)定時(shí)”，“10分鐘”、“20分鐘”，“30分鐘”。

　?。?）通過(guò)手機實(shí)現對LED吸頂燈的按鍵指示音的開(kāi)啟和關(guān)閉以及常夜燈三檔亮度調節（30%、60%、100%）。

　　手機端APP的整體設計如圖8所示。在登陸界面上輸入IP和端口號，即能連接上網(wǎng)絡(luò )。隨后進(jìn)入主界面，既可以對燈具進(jìn)行控制。

　　主界面右上角的白色按鈕是收藏夾按鈕，收藏夾中有用戶(hù)的賬戶(hù)管理、添加燈組、訂閱、退出等功能。

　　結論

　　系統測試結果表明，該系統在任何有網(wǎng)絡(luò )覆蓋的地方都可以通過(guò)手機或Ipad登陸應用程序APP，對LED吸頂燈進(jìn)行開(kāi)關(guān)、亮度、色溫的控制。本系統可以應用到家庭照明，特別適合家居面積較大、房屋較多的別墅，可以方便的對家中燈具進(jìn)行組網(wǎng)控制。此外，若對本設計稍作修改，則可以推廣到類(lèi)似的項目，如遠程智能家居的管理、遠程攝像頭控制管理系統以及許多其他的類(lèi)似項目。