智能家居的燈光實時監控系統設計＊

李春雨，孫憲坤，陳濤

（1.上海工程技術大學 電子電氣工程學院，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[1]。智能家居是在現有住宅基礎上，運用網絡通信、自動控制等技術將家用設施集成，以構筑安全、舒適、環保、智能的居住環境。

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[2-5]。周曉偉等[2]提出了利用PC機與ZigBee網絡協調器節點相連組成系統基站，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[3]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[4]所設計的家庭控制系統，支持通過GPRS網絡發送短信遠程控制燈光亮滅。Cheong Ghil.Kim 等[5]設計了一套基于OpenWrt操作系統，利用智能手機通過因特網遠程調節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有考慮如何將燈光的亮滅狀態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量較多情況下如何確保燈光控制的穩定性。

本文所開發的智能家居燈光控制系統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，智能移動設備發出控制指令，經云服務器和系統主機被轉發到燈控終端，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[6]，使得每一步燈光控制操作都可以將當前燈光的亮滅狀態反饋到APP界面上。同時利用ZigBee通信自組網特性，讓多個燈控終端組成網狀網，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

本文開發的智能家居燈光控制系統主要由智能移動設備、云服務器、系統主機、家庭局域網、燈光控制終端等部分組成，系統原理圖如圖1所示。

圖1 燈光控制系統原理圖

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移動網絡登陸云服務器，輸入包含主機信息的密碼，實現與對應主機網絡連接。點擊APP界面上的燈泡圖標，用戶的操作指令將被發送到云服務器，操作完成后設備會收到包含當前燈光狀態的反饋信息，燈光狀態便顯示在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。

云服務器具有巨大的存儲容量，可以存儲海量系統主機信息，開發人員通過云服務器集中管理各個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地址存于云服務器數據庫中，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中，系統主機負責將云服務器轉發來的控制指令通過ZigBee網絡轉發到燈控終端。

1.4 家庭局域網

家庭局域網（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燈控終端組網通信。本系統采用CC2530芯片構建ZigBee家庭局域網。

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協議。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無線網絡可以組成星形、樹形、孔形等多種網絡拓撲結構[6]，網絡包含協調器、路由器和終端節點三部分。協調器是網絡的中心節點，負責網絡的發起組織、網絡維護和管理功能，一個網絡只有一個協調器，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；終端節點只負責本節點的數據發送和接收，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智能家居燈光控制系統的最終執行設備。它通過ZigBee網絡接收系統主機發來的控制指令，根據指令驅動繼電器，控制燈泡的通斷電實現燈光亮滅。每條指令執行后都會反饋一個數據包給系統主機，上報當前燈光亮滅狀態。系統主機再通過云服務器將此狀態反饋到智能移動設備上顯示。

2 ZigBee通信協議設計

智能移動設備發出的控制命令經云服務器傳輸到系統主機后，系統主機通過ZigBee網絡將該信號轉發到燈控終端，該控制命令幀格式如下所示：

幀長度 指令編號 源地址 目的地址 控制命令1字節 1字節 2字節 2字節 1字節

燈控終端根據控制命令完成相應操作后反饋一個包含當前燈光狀態的數據包到主機，主機再將反饋數據包經云服務器轉發到智能移動設備，智能移動設備根據反饋信息顯示當前燈光狀態。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個節點，故源地址和目的地址均采用兩個字節表示。

根據以上通信協議實現的燈光控制效果如圖2所示。

圖2 燈光控制效果圖

3 系統測試與結果分析

本系統測試采用系統主機內的協調器與電腦USB口連接，利用串口軟件循環發送開燈、關燈命令到燈控終端實現。由于燈控終端每接收執行一條控制命令后都會反饋一個包含當前燈光狀態的數據包，只有協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）來度量通信質量的好壞[7]。通信收包率可用如下公式計算：

CC2530芯片單次發送數據包個數設置為1000個，經預測試發現，當發送速度大于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，數據包發送速度設置為2個/s[8]。本次測試在無遮擋環境中進行，距離分別設置為10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m。測試數據如圖3、圖4所示。

圖3 單節點距離測試數據

圖4 節點距離測試結果對比圖

通過以上實驗數據可以得出結論：

①在節點數不變的情況下，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，增加終端節點個數可以有效增大通信收包率。這是由于ZigBee通信具有自組網特性，本實驗中設置為自組成網狀網，此種拓撲結構下每一節點都保留有其他節點的通信路徑，可以同時通過多條通信路徑傳輸數據[7]，只要有一個節點接收到數據，該節點便會將接收到的數據轉發給指定目的節點，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數達100個的情況下，實驗數據依然符合上述實驗結果分析。由于本系統主要應用于家庭燈光控制，只要家庭安裝5個以上燈控終端節點，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發送2次，完全可以實現穩定的燈光控制。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，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

本文開發了一套智能家居燈光控制系統，介紹了該系統各個組成部分的作用，實現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ZigBee通信自組網特性作了測試，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現燈光亮度和色彩調節，讓用戶可以設定不同的情景模式，以提高生活的舒適性。

[1]安珀.一圖看懂智能家居在美國的地位 [EB/OL].[2015-04].http：//www.199it.com/archives/273852.html.

[2]周曉偉，蔡建平，鄭增威，等.基于ZigBee傳感網的樓宇智能照明控制系統的設計與實現[J].計算機工程與科學，2009，31（8）：150-152.

[3]蔣小洛，胡大可.智能家居系統中的遠程燈光控制[J].中國照明電器，2005（12）：18-20.

[4]Ding Fei，Song Guangming，Li Jianqing，et al.Home control system based on ZigBee wireless sensor networks[J].Journal of Southeast University（English Edition），2008，24（4）：420-423.

[5]Cheong Ghil Kim，Kuinam J Kim.Implementation of a cost-effective home lighting control system on embedded Linux with OpenWrt[J].Pers Ubiquitous Comput，2014（18）：535-542.

[6]王東，張金榮，魏延，等.利用ZigBee技術構建無線傳感器網絡[J].重慶大學學報：自然科學版，2006，29（8）：95-97.

[7]李燕君，王智，孫優賢.無線傳感器網絡的鏈路分析與建模[J].傳感技術學報，2007，20（8）：1846-1851.

[8]張猛，房俊龍，韓雨.基于ZigBee和Internet的溫室群環境遠程監控系統設計[J].農業工程學報，2013，29（S1）：171-176.