楊代利，陸川，汪怡梅

(1.四川文理學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，達(dá)州 635000；2.成都市六二五科技有限公司；3.成都金網(wǎng)安泰信息技術(shù)有限公司)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能燈光場(chǎng)景切換控制系統(tǒng)

楊代利1，陸川2，汪怡梅3

(1.四川文理學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，達(dá)州 635000；2.成都市六二五科技有限公司；3.成都金網(wǎng)安泰信息技術(shù)有限公司)

摘要:現(xiàn)有燈光控制系統(tǒng)普遍采用有線控制方式，無(wú)法遠(yuǎn)程控制且燈光亮度不能根據(jù)場(chǎng)景智能調(diào)節(jié)，存在浪費(fèi)電能的情況。通過(guò)融合ZigBee無(wú)線通信技術(shù)、遠(yuǎn)程服務(wù)器和安卓技術(shù)，將硬件和軟件有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了智能燈光控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制燈光節(jié)點(diǎn)，并設(shè)計(jì)了手動(dòng)模式和自動(dòng)模式兩種切換模式，提高用戶體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞:ZigBee；遠(yuǎn)程控制；服務(wù)器；APP；燈光控制系統(tǒng)

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類社會(huì)迎來(lái)了電子信息時(shí)代。而智能家居燈光控制技術(shù)隨著智能化住宅的蓬勃興起而飛速發(fā)展，成為燈光控制技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，照明系統(tǒng)已經(jīng)完成由傳統(tǒng)的可燃物燃燒到電力供電照明的轉(zhuǎn)變，而今，電燈進(jìn)入了我們生活的方方面面，能源消耗也成為時(shí)代越來(lái)越重視的問(wèn)題，同時(shí)隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，人們不斷追求著更加舒適，便捷的生活方式，智能的概念應(yīng)運(yùn)而生。

當(dāng)前，樓宇照明系統(tǒng)的照明方式普遍采用線路控制方式，鋪設(shè)線路工程量大，常常會(huì)遇到線路穿墻和跨越距離大的困擾，而且線路上電能損失增加，會(huì)造成不必要的電能浪費(fèi)，對(duì)遠(yuǎn)程控制有很大的障礙。

另外，樓宇中的照明設(shè)備數(shù)量和種類多，分布在各個(gè)房間中，需要照明的時(shí)間根據(jù)房間的用途和場(chǎng)景有比較大的區(qū)別，特別在公共區(qū)域常處于無(wú)人管理的狀態(tài)，易造成無(wú)人時(shí)照明或白天強(qiáng)光照明等浪費(fèi)電能的情況?；谝陨弦恍┓治?，該項(xiàng)目引入“物聯(lián)網(wǎng)”概念。物聯(lián)網(wǎng)就是讓所有的物體都連接到網(wǎng)絡(luò)上，通過(guò)控制存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，達(dá)到控制每個(gè)設(shè)備的目的。

本系統(tǒng)使用ZigBee的自動(dòng)組網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中所有燈控設(shè)備的連接、數(shù)據(jù)共享及網(wǎng)內(nèi)統(tǒng)一控制。在這些家庭網(wǎng)內(nèi)燈控節(jié)點(diǎn)中加入人體紅外熱釋電傳感器、光敏傳感器，收集環(huán)境中的有用數(shù)據(jù)，給燈控節(jié)點(diǎn)的智能控制器提供依據(jù)。系統(tǒng)提供了以太網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的接入方式，以便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控,同時(shí)設(shè)計(jì)了人性化、便于操作和控制的安卓手機(jī)控制終端，只要攜帶手機(jī)就可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

1智能燈光控制系統(tǒng)流程

本系統(tǒng)主要由終端燈控節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)程序、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、手機(jī)APP終端共5部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知系統(tǒng)的5大組成部分，以及它們的層次關(guān)系。位于最底層的終端燈控節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器都是以CC2530作為主控芯片，它們之間的通信使用自定義的通信協(xié)議，該協(xié)議采用主從模式進(jìn)行通信，即每一次的通信發(fā)起者都為協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器發(fā)送控制指令，終端燈控節(jié)點(diǎn)返回處理結(jié)果，協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求指令，終端燈控節(jié)點(diǎn)返回當(dāng)前的光照調(diào)節(jié)強(qiáng)度，是否有人等數(shù)據(jù)信息。

采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式可以很好地避免所有燈控節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)而造成數(shù)據(jù)沖突。上位機(jī)程序的主要功能就是將協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，同時(shí)接收APP客戶端發(fā)送的控制命令，再經(jīng)過(guò)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)控制指令給上位機(jī)管理程序，然后通過(guò)串口發(fā)送到協(xié)調(diào)器。遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的工作就是接收上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，同時(shí)也向上位機(jī)發(fā)送APP端發(fā)送過(guò)來(lái)的控制指令，同時(shí)也把節(jié)點(diǎn)的最新數(shù)據(jù)發(fā)送給APP，APP及時(shí)更新界面上的光照、家庭成員等參數(shù)值。

2智能燈光切換控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1燈光控制節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用CC2530作為主控芯片，CC2530引腳資源較為豐富，本系統(tǒng)主要采用I/O端口P1_0、P1_1、P1_4三個(gè)輸出口作為PWM的調(diào)光輸出口，P0_5口作為光敏傳感器的信號(hào)輸入口，P2_0口作為按鍵控制開(kāi)關(guān)，P0_4口作為紅外熱釋電的信號(hào)輸入口，P0_2、P0_3口作為串口通信口。硬件分為協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)(即燈控節(jié)點(diǎn))兩大部分。

本系統(tǒng)在ZigBee協(xié)議棧基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，不僅方便快捷，而且協(xié)議棧的代碼可移植性高、技術(shù)成熟、成本低，廣泛用于當(dāng)前ZigBee開(kāi)發(fā)控制，使整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性更高?；赯igBee技術(shù)的程序流程圖如圖2所示。

圖2　基于ZigBee技術(shù)的程序流程圖

2.1.1協(xié)調(diào)器控制及檢測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)協(xié)調(diào)器主要實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能：利用協(xié)調(diào)器組建一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其他所有的終端節(jié)點(diǎn)都加入該網(wǎng)絡(luò)；接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的各種數(shù)據(jù)，包括各個(gè)節(jié)點(diǎn)的PWM值、光照強(qiáng)度、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、是否啟用智能模式等信息，通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)管理程序；接收從串口發(fā)送到的數(shù)據(jù)指令，根據(jù)定義好的通信協(xié)議，解析出地址發(fā)給對(duì)應(yīng)終端節(jié)點(diǎn)。

控制指令的通信協(xié)議如下：協(xié)調(diào)器發(fā)給終端節(jié)點(diǎn)0xFF、0x01、0x01、0x89、0xFF。其中，0xFF為起始位；0x01為控制設(shè)備；0x89為PWM值；0xFF為停止位。

協(xié)調(diào)器的核心是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器十分簡(jiǎn)單，因?yàn)閰f(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)地址是固定的0x0000；協(xié)調(diào)器廣播給所有的終端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址為0xFFFF。但協(xié)調(diào)器要控制某一個(gè)節(jié)點(diǎn),該如何處理呢？這就要用到單播，但協(xié)調(diào)器并不知道各個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，該如何做呢？首先，需要在終端節(jié)點(diǎn)加入?yún)f(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)并成功組網(wǎng)后，先向協(xié)調(diào)器(地址0x0000)發(fā)送一個(gè)心跳包，發(fā)送的心跳包中包含自己的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后先從數(shù)據(jù)包中解析出設(shè)備編號(hào)，判斷該設(shè)備編號(hào)是否已經(jīng)存在，如果不存在，就從發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)請(qǐng)求頭中解析出該設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址(網(wǎng)絡(luò)地址是ZigBee協(xié)議棧隨機(jī)分配的)，把該網(wǎng)絡(luò)地址和設(shè)備編號(hào)相互綁定，分別放入兩個(gè)數(shù)據(jù)中，數(shù)據(jù)下標(biāo)必須保持一致。當(dāng)要控制某個(gè)設(shè)備時(shí)，可通過(guò)設(shè)備編號(hào)查詢到與該設(shè)備綁定的網(wǎng)絡(luò)地址，從而可以單播數(shù)據(jù)給這個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令了。

2.1.2終端燈控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)包括3個(gè)LED燈、1個(gè)光敏電阻、1個(gè)紅外熱釋電傳感器、1個(gè)按鍵控制開(kāi)關(guān)。光敏電阻器的阻值隨入射光線(可見(jiàn)光)的強(qiáng)弱變化而變化，系統(tǒng)每秒通過(guò)ADC采集當(dāng)前環(huán)境的光照強(qiáng)度，紅外熱釋電能夠檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境中是否有人，按鍵能夠直接控制燈的開(kāi)關(guān)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)有智能模式和用戶模式：

① 用戶模式：用戶可以隨時(shí)通過(guò)APP調(diào)節(jié)3個(gè)燈的亮度。

② 智能模式：

a. 燈1仍然可以被用戶自己調(diào)節(jié);

b. 燈2不能由用戶控制，只會(huì)隨光照強(qiáng)度的改變而改變，光照越弱，燈就會(huì)越亮；

c. 燈3也不能由用戶控制，在檢測(cè)到有人的情況下，隨光照強(qiáng)度的改變而改變，光照越弱，燈就會(huì)越亮。

這3種情況用于不同的場(chǎng)景，同時(shí)終端節(jié)點(diǎn)每隔5 s會(huì)周期性地把3個(gè)燈的亮度、光照強(qiáng)度、是否有人、控制方式等參數(shù)信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器，讓協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器中。

2.2上位機(jī)管理程序

上位機(jī)程序是硬件(下發(fā)數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器)和軟件控制的接口，軟件控制，硬件執(zhí)行，上位機(jī)程序?qū)④浖绦蚝陀布绦蛲ㄟ^(guò)串口結(jié)合起來(lái)。上位機(jī)程序包含兩大部分：串口通信和Socket通信。

2.2.1串口通信

串口通信是通過(guò)串口向硬件層通信，通過(guò)串口讀寫數(shù)據(jù)，達(dá)到通信的目的。首先連接串口、設(shè)置波特率和COM口，然后設(shè)置校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位、停止位，就可以開(kāi)始讀寫數(shù)據(jù)了。發(fā)送的數(shù)據(jù)是指令，用下十六進(jìn)制表示為FF 01 01 89 FF。

數(shù)據(jù)通信協(xié)議如下：0xFF為起始位；0x01為節(jié)點(diǎn)編號(hào)0～9；0x01為控制標(biāo)識(shí)；0x89為參數(shù)；0xff停止位。

接收到的數(shù)據(jù)為各個(gè)節(jié)點(diǎn)的各種設(shè)備的目前狀態(tài),用字符串表示如下：s100271271271271e。

其中各位數(shù)含義如下:

0：起始位為‘s’。

1：設(shè)備號(hào)為1～9。

2：智能為‘1’， 非智能為‘0’。

3～5: 代表光強(qiáng)。

6～8: PWM1值范圍為0～255， 0為熄滅，255 為全亮。

9～11:代表PWM2值。

12～14:代表PWM3 值。

15:繼電器開(kāi)為‘0’，關(guān)為‘1’。

16:停止位為‘e’。

2.2.2Socket 通信

Socket是通過(guò)建立Socket連接服務(wù)器進(jìn)行通信，接收服務(wù)器發(fā)送過(guò)來(lái)的控制指令，并反饋從串口中讀取的各種設(shè)備的目前狀態(tài)。

首先通過(guò)服務(wù)的IP地址和端口號(hào)連接上服務(wù)器，然后建立一個(gè)子線程就可以和服務(wù)器進(jìn)行通信了。使用Socket通信有兩點(diǎn)好處：①實(shí)時(shí)性好，在網(wǎng)絡(luò)流暢的情況下能夠及時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；②Socket是透明傳輸，無(wú)論傳輸?shù)氖亲址袷降臄?shù)據(jù)還是十六進(jìn)制的數(shù)據(jù)，Socket都能很方便地進(jìn)行傳輸。

2.3遠(yuǎn)程服務(wù)器和APP客戶端設(shè)計(jì)

2.3.1服務(wù)器設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程服務(wù)是數(shù)據(jù)的倉(cāng)庫(kù)和樞紐站，不僅隨時(shí)接收來(lái)自APP用戶端和硬件層發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，面且要向APP發(fā)送當(dāng)前的各設(shè)備的狀態(tài)，向硬件層發(fā)送控制命令。系統(tǒng)的整個(gè)流程如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)流程圖

服務(wù)器與APP客戶端通過(guò)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信，與上位機(jī)通信通過(guò)Socket網(wǎng)絡(luò)編程實(shí)現(xiàn)。同時(shí)將所有數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，如MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，方便查詢和數(shù)據(jù)持久化。服務(wù)器通過(guò)JavaWeb進(jìn)行編寫，同時(shí)支持HTTP請(qǐng)求和Socket連接。為了數(shù)據(jù)的一致性，兩種請(qǐng)求都只能操作同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，從同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)。

2.3.2基于手機(jī)APP客戶端設(shè)計(jì)

智能燈控通過(guò)一塊控制面板(可以是手機(jī)，也可以是任意一種能夠連接互聯(lián)網(wǎng)帶觸摸屏的設(shè)備),就可以控制家居中的所有燈光，不僅減少了裝修房屋中在墻璧上錯(cuò)綜復(fù)雜的走線，同時(shí)也方便了開(kāi)關(guān)。只要掏出手機(jī)，開(kāi)燈關(guān)燈即可輕松解決(即使你還在被窩里，或是在回家的路上)。Android手機(jī)APP智能燈光客戶端界面如圖4所示。

圖4　Android手機(jī)APP智能燈光客戶端界面

Scene Switching Control System of Intelligent Lighting Based on Internet of Things

Yang Daili1,Lu Chuan2,Wang Yimei3

(1.Department of Computer,Sichuan University of Arts and Science,Dazhou 635000，China;2.Chengdu Six-Two-Five Science and Technology Co.,Ltd.;3.Chengdu Network Aetna Information Technology Co.,Ltd.)

Abstract：The wired control is widely used in the existing lighting control system,so the system can not achieve the remote control and the lighting brightness can not be intelligent adjusted according to the scene.In the paper,an intelligent lighting control system is designed,which uses the ZigBee wireless communication technology,remote server and Android technology to combine the hardware and software.The lighting node can be controlled by the phone APP,and two switching modes are designed such as the manual mode and the automatic mode,which improves the user experience.

Key words:ZigBee;remote control;server;APP;lighting control system

中圖分類號(hào):TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A