智能家居的燈光實時監(jiān)控系統(tǒng)設計

摘要：針對現(xiàn)有智能家居燈光控制系統(tǒng)存在的無法實時監(jiān)測燈光狀態(tài)，無法大規(guī)模穩(wěn)定控制等問題，開發(fā)了一種基于ZigBee通信技術的智能家居燈光控制系統(tǒng)。利用ZigBee通信的雙向性，燈控終端在接收執(zhí)行控制指令后實時反饋當前燈光狀態(tài)，實現(xiàn)了利用智能移動設備遠程控制和查看家中燈光狀態(tài)的功能。對系統(tǒng)ZigBee通信自組網(wǎng)特性測試表明，增加系統(tǒng)中燈控終端數(shù)量可以有效增強通信可靠性，從而穩(wěn)定控制燈光亮滅。

引言

隨著科技的發(fā)展，人們對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者中有52%認為擁有智能家居比較重要。智能家居是在現(xiàn)有住宅基礎上，運用網(wǎng)絡通信、自動控制等技術將家用設施集成，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(tǒng)的重要組成部分，對于智能家居燈光控制系統(tǒng)的研究，近幾年國內外出現(xiàn)了很多研究成果。周曉偉等提出了利用PC機與ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調器節(jié)點相連組成系統(tǒng)基站，在數(shù)十米范圍內近距離控制樓宇照明模式，以起到節(jié)約電能作用。蔣小洛等提出了在嵌入式設備中內置Web服務器，無論身在何地，都可以通過Web瀏覽器頁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(tǒng)，支持通過GPRS網(wǎng)絡發(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(tǒng)，利用智能手機通過因特網(wǎng)遠程調節(jié)LED燈光亮度的照明模擬系統(tǒng)。

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有考慮如何將燈光的亮滅狀態(tài)實時顯示在控制界面上，缺乏操作交互性，也沒有考慮在燈光數(shù)量較多情況下如何確保燈光控制的穩(wěn)定性。

本文所開發(fā)的智能家居燈光控制系統(tǒng)采用智能移動設備安裝APP控制軟件，點擊APP界面上燈泡圖標，智能移動設備發(fā)出控制指令，經(jīng)云服務器和系統(tǒng)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通信是雙向無線通信技術，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。同時利用ZigBee通信自組網(wǎng)特性，讓多個燈控終端組成網(wǎng)狀網(wǎng)，這使得只要有一個燈控終端接收到控制指令，該指令便會被轉發(fā)到目的燈控終端，明顯增強了控制穩(wěn)定性。

1 智能家居燈光控制系統(tǒng)

本文開發(fā)的智能家居燈光控制系統(tǒng)主要由智能移動設備、云服務器、系統(tǒng)主機、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。

1.1 智能移動設備

智能移動設備(以下簡稱設備)包括智能手機、平板電腦等可以安裝Android或iOS操作系統(tǒng)的移動設備。在設備上安裝智能家居APP軟件，打開軟件后設備自動通過WiFi或2G/3G移動網(wǎng)絡登陸云服務器，輸入包含主機信息的密碼，實現(xiàn)與對應主機網(wǎng)絡連接。點擊APP界面上的燈泡圖標，用戶的操作指令將被發(fā)送到云服務器，操作完成后設備會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APP界面上。

1.2 云服務器

云服務器是連接智能移動設備和系統(tǒng)主機的橋梁。通過租用第三方大型云計算服務，編寫云計算程序在“云”端運行實現(xiàn)。

云服務器具有巨大的存儲容量，可以存儲海量系統(tǒng)主機信息，開發(fā)人員通過云服務器集中管理各個系統(tǒng)主機的掛載燈控終端數(shù)量、登陸密碼設置等項目。

1.3 系統(tǒng)主機

系統(tǒng)主機是智能家居燈光控制系統(tǒng)的中樞，其全球唯一的MAC地址存于云服務器數(shù)據(jù)庫中，使得智能移動設備可以通過連接云服務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(tǒng)中，系統(tǒng)主機負責將云服務器轉發(fā)來的控制指令通過ZigBee網(wǎng)絡轉發(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(tǒng)的重要結構基礎，它負責將系統(tǒng)主機與各個燈控終端組網(wǎng)通信。本系統(tǒng)采用CC2530芯片構建ZigBee家庭局域網(wǎng)。

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議。它是一種短距離、低功耗的無線通信技術，工作頻段主要集中在2.4～2.5 GHz，具有使用方便、工作可靠、價格低廉、雙向通信等特點。

ZigBee無線網(wǎng)絡可以組成星形、樹形、孔形等多種網(wǎng)絡拓撲結構，網(wǎng)絡包含協(xié)調器、路由器和終端節(jié)點三部分。協(xié)調器是網(wǎng)絡的中心節(jié)點，負責網(wǎng)絡的發(fā)起組織、網(wǎng)絡維護和管理功能，一個網(wǎng)絡只有一個協(xié)調器，在本系統(tǒng)中它嵌入系統(tǒng)主機內;路由器負責數(shù)據(jù)的路由中繼轉發(fā);終端節(jié)點只負責本節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，本系統(tǒng)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智能家居燈光控制系統(tǒng)的最終執(zhí)行設備。它通過ZigBee網(wǎng)絡接收系統(tǒng)主機發(fā)來的控制指令，根據(jù)指令驅動繼電器，控制燈泡的通斷電實現(xiàn)燈光亮滅。每條指令執(zhí)行后都會反饋一個數(shù)據(jù)包給系統(tǒng)主機，上報當前燈光亮滅狀態(tài)。系統(tǒng)主機再通過云服務器將此狀態(tài)反饋到智能移動設備上顯示。

2 ZigBee通信協(xié)議設計

智能移動設備發(fā)出的控制命令經(jīng)云服務器傳輸?shù)较到y(tǒng)主機后，系統(tǒng)主機通過ZigBee網(wǎng)絡將該信號轉發(fā)到燈控終端，該控制命令幀格式如下所示：

燈控終端根據(jù)控制命令完成相應操作后反饋一個包含當前燈光狀態(tài)的數(shù)據(jù)包到主機，主機再將反饋數(shù)據(jù)包經(jīng)云服務器轉發(fā)到智能移動設備，智能移動設備根據(jù)反饋信息顯示當前燈光狀態(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個節(jié)點，故源地址和目的地址均采用兩個字節(jié)表示。

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

3 系統(tǒng)測試與結果分析

本系統(tǒng)測試采用系統(tǒng)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)送開燈、關燈命令到燈控終端實現(xiàn)。由于燈控終端每接收執(zhí)行一條控制命令后都會反饋一個包含當前燈光狀態(tài)的數(shù)據(jù)包，只有協(xié)調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)來度量通信質量的好壞。通信收包率可用如下公式計算：

CC2530芯片單次發(fā)送數(shù)據(jù)包個數(shù)設置為1000個，經(jīng)預測試發(fā)現(xiàn)，當發(fā)送速度大于6個/s時，燈控終端無法及時處理接收到的控制命令，為了給實際測試留有余量，數(shù)據(jù)包發(fā)送速度設置為2個/s。本次測試在無遮擋環(huán)境中進行，距離分別設置為10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m。測試數(shù)據(jù)如圖3、圖4所示。

通過以上實驗數(shù)據(jù)可以得出結論：

①在節(jié)點數(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)點個數(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，本實驗中設置為自組成網(wǎng)狀網(wǎng)，此種拓撲結構下每一節(jié)點都保留有其他節(jié)點的通信路徑，可以同時通過多條通信路徑傳輸數(shù)據(jù)，只要有一個節(jié)點接收到數(shù)據(jù)，該節(jié)點便會將接收到的數(shù)據(jù)轉發(fā)給指定目的節(jié)點，可以極大增強數(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)點數(shù)達100個的情況下，實驗數(shù)據(jù)依然符合上述實驗結果分析。由于本系統(tǒng)主要應用于家庭燈光控制，只要家庭安裝5個以上燈控終端節(jié)點，在25 m范圍內通信收包率都能控制在99%以上，在設計程序時將每條控制命令連續(xù)發(fā)送2次，完全可以實現(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，將控制命令多跳轉發(fā)，也就相當于縮短了系統(tǒng)主機與燈控終端的通信距離，同樣可以保證通信的穩(wěn)定性。

結語

本文開發(fā)了一套智能家居燈光控制系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)各個組成部分的作用，實現(xiàn)了利用智能移動設備遠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程關閉電燈以節(jié)約電能或外出一鍵關閉家中所有燈光，回家路上提前打開家中燈光等。對系統(tǒng)ZigBee通信自組網(wǎng)特性作了測試，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現(xiàn)燈光亮度和色彩調節(jié)，讓用戶可以設定不同的情景模式，以提高生活的舒適性。