智能家居的燈光實(shí)時(shí)監控系統設計

摘要：針對現有智能家居燈光控制系統存在的無(wú)法實(shí)時(shí)監測燈光狀態(tài)，無(wú)法大規模穩定控制等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一種基于ZigBee通信技術(shù)的智能家居燈光控制系統。利用ZigBee通信的雙向性，燈控終端在接收執行控制指令后實(shí)時(shí)反饋當前燈光狀態(tài)，實(shí)現了利用智能移動(dòng)設備遠程控制和查看家中燈光狀態(tài)的功能。對系統ZigBee通信自組網(wǎng)特性測試表明，增加系統中燈控終端數量可以有效增強通信可靠性，從而穩定控制燈光亮滅。

引言

隨著(zhù)科技的發(fā)展，人們對住所的需求已不僅僅滿(mǎn)足于居室的布局、外觀(guān)及周邊環(huán)境，美國哈里斯民意測驗調查所調查結果顯示，兩千多名美國成年受訪(fǎng)者中有52%認為擁有智能家居比較重要。智能家居是在現有住宅基礎上，運用網(wǎng)絡(luò )通信、自動(dòng)控制等技術(shù)將家用設施集成，以構筑安全、舒適、環(huán)保、智能的居住環(huán)境。

燈光控制是智能家居系統的重要組成部分，對于智能家居燈光控制系統的研究，近幾年國內外出現了很多研究成果。周曉偉等提出了利用PC機與ZigBee網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器節點(diǎn)相連組成系統基站，在數十米范圍內近距離控制樓宇照明模式，以起到節約電能作用。蔣小洛等提出了在嵌入式設備中內置Web服務(wù)器，無(wú)論身在何地，都可以通過(guò)Web瀏覽器頁(yè)面上的按鈕遠程控制燈光亮滅。丁飛等所設計的家庭控制系統，支持通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )發(fā)送短信遠程控制燈光亮滅。Cheong Ghil.Kim等設計了一套基于OpenWrt操作系統，利用智能手機通過(guò)因特網(wǎng)遠程調節LED燈光亮度的照明模擬系統。

上述設計者在燈光控制方面做出了重要貢獻，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)有考慮在燈光數量較多情況下如何確保燈光控制的穩定性。

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

由于ZigBee通信是雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，使得每一步燈光控制操作都可以將當前燈光的亮滅狀態(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 )被轉發(fā)到目的燈控終端，明顯增強了控制穩定性。

1 智能家居燈光控制系統

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

1.1 智能移動(dòng)設備

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

1.2 云服務(wù)器

云服務(wù)器是連接智能移動(dòng)設備和系統主機的橋梁。通過(guò)租用第三方大型云計算服務(wù)，編寫(xiě)云計算程序在“云”端運行實(shí)現。

云服務(wù)器具有巨大的存儲容量，可以存儲海量系統主機信息，開(kāi)發(fā)人員通過(guò)云服務(wù)器集中管理各個(gè)系統主機的掛載燈控終端數量、登陸密碼設置等項目。

1.3 系統主機

系統主機是智能家居燈光控制系統的中樞，其全球唯一的MAC地址存于云服務(wù)器數據庫中，使得智能移動(dòng)設備可以通過(guò)連接云服務(wù)器輸入指定密碼與對應主機通信。

在智能家居燈光控制系統中，系統主機負責將云服務(wù)器轉發(fā)來(lái)的控制指令通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )轉發(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的重要結構基礎，它負責將系統主機與各個(gè)燈控終端組網(wǎng)通信。本系統采用CC2530芯片構建ZigBee家庭局域網(wǎng)。

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。它是一種短距離、低功耗的無(wú)線(xiàn)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以組成星形、樹(shù)形、孔形等多種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，網(wǎng)絡(luò )包含協(xié)調器、路由器和終端節點(diǎn)三部分。協(xié)調器是網(wǎng)絡(luò )的中心節點(diǎn)，負責網(wǎng)絡(luò )的發(fā)起組織、網(wǎng)絡(luò )維護和管理功能，一個(gè)網(wǎng)絡(luò )只有一個(gè)協(xié)調器，在本系統中它嵌入系統主機內;路由器負責數據的路由中繼轉發(fā);終端節點(diǎn)只負責本節點(diǎn)的數據發(fā)送和接收，本系統中它嵌入燈控終端內。

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的最終執行設備。它通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )接收系統主機發(fā)來(lái)的控制指令，根據指令驅動(dòng)繼電器，控制燈泡的通斷電實(shí)現燈光亮滅。每條指令執行后都會(huì )反饋一個(gè)數據包給系統主機，上報當前燈光亮滅狀態(tài)。系統主機再通過(guò)云服務(wù)器將此狀態(tài)反饋到智能移動(dòng)設備上顯示。

2 ZigBee通信協(xié)議設計

智能移動(dòng)設備發(fā)出的控制命令經(jīng)云服務(wù)器傳輸到系統主機后，系統主機通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )將該信號轉發(fā)到燈控終端，該控制命令幀格式如下所示：

燈控終端根據控制命令完成相應操作后反饋一個(gè)包含當前燈光狀態(tài)的數據包到主機，主機再將反饋數據包經(jīng)云服務(wù)器轉發(fā)到智能移動(dòng)設備，智能移動(dòng)設備根據反饋信息顯示當前燈光狀態(tài)。燈控終端反饋數據包幀格式如下所示：

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

根據以上通信協(xié)議實(shí)現的燈光控制效果如圖2所示。

3 系統測試與結果分析

本系統測試采用系統主機內的協(xié)調器與電腦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。由于燈控終端每接收執行一條控制命令后都會(huì )反饋一個(gè)包含當前燈光狀態(tài)的數據包，只有協(xié)調器成功接收到此反饋數據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。通信收包率可用如下公式計算：

CC2530芯片單次發(fā)送數據包個(gè)數設置為1000個(gè)，經(jīng)預測試發(fā)現，當發(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)際測試留有余量，數據包發(fā)送速度設置為2個(gè)/s。本次測試在無(wú)遮擋環(huán)境中進(jìn)行，距離分別設置為10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m。測試數據如圖3、圖4所示。

通過(guò)以上實(shí)驗數據可以得出結論：

①在節點(diǎn)數不變的情況下，隨著(zhù)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，增加終端節點(diǎn)個(gè)數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)驗中設置為自組成網(wǎng)狀網(wǎng)，此種拓撲結構下每一節點(diǎn)都保留有其他節點(diǎn)的通信路徑，可以同時(shí)通過(guò)多條通信路徑傳輸數據，只要有一個(gè)節點(diǎn)接收到數據，該節點(diǎn)便會(huì )將接收到的數據轉發(fā)給指定目的節點(diǎn)，可以極大增強數據傳輸的可靠性。

在后續不斷增加燈控終端節點(diǎn)數達100個(gè)的情況下，實(shí)驗數據依然符合上述實(shí)驗結果分析。由于本系統主要應用于家庭燈光控制，只要家庭安裝5個(gè)以上燈控終端節點(diǎn)，在25 m范圍內通信收包率都能控制在99%以上，在設計程序時(shí)將每條控制命令連續發(fā)送2次，完全可以實(shí)現穩定的燈光控制。遇到墻壁遮擋的情況，可增加中繼模塊，將控制命令多跳轉發(fā)，也就相當于縮短了系統主機與燈控終端的通信距離，同樣可以保證通信的穩定性。

結語(yǔ)

本文開(kāi)發(fā)了一套智能家居燈光控制系統，介紹了該系統各個(gè)組成部分的作用，實(shí)現了利用智能移動(dòng)設備遠程控制和查看家中燈光亮滅的功能，讓用戶(hù)可以身處異地也能遠程關(guān)閉電燈以節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。對系統ZigBee通信自組網(wǎng)特性作了測試，分析了提高系統通信穩定性的解決方法。

下一步研究方向主要是實(shí)現燈光亮度和色彩調節，讓用戶(hù)可以設定不同的情景模式，以提高生活的舒適性。