基于藍牙組網(wǎng)的燈光控制系統(tǒng)研究與設計

張曉彬　張珣

摘 要：針對目前燈光控制手段存在的智能化程度低、控制不方便等問題，對藍牙網(wǎng)絡拓撲結構進行了分析，提出了基于蟻群算法的改進型路由協(xié)議構建藍牙散射網(wǎng)，并在此基礎上，設計出了基于藍牙組網(wǎng)的燈光控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了燈光系統(tǒng)的隨心控制。

關鍵詞：散射網(wǎng)；蟻群算法；智能燈光控制；路由協(xié)議

中圖分類號：TN876.3 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）08-00-03

0 引 言

傳統(tǒng)的燈光控制系統(tǒng)一般是固定在某一個區(qū)域上，通過開關設備的閉合來實現(xiàn)燈光系統(tǒng)的控制，因而控制方式很不靈活，控制區(qū)域也有很大的局限性，在很多場合都很不方便，比如黑夜在房間開關燈就是件很費力的事情。而在一些特殊場所，如教學樓、寫字樓等大規(guī)模燈控系統(tǒng)中，統(tǒng)一調(diào)度對管理者也是很大的挑戰(zhàn)。諸多方面表明，目前的燈控系統(tǒng)已經(jīng)完全不能滿足人們的差異化需求，在科技的推動下，我們正在尋求新的控制方式，而藍牙，作為現(xiàn)在智能終端必備的組成部分，可讓燈光控制系統(tǒng)變得更加智能和更加便捷。

1 系統(tǒng)概述

藍牙是一種在全球范圍內(nèi)被采用的簡單而又廣泛的無線短距離通信技術。在眾多藍牙技術優(yōu)越性的推動下，現(xiàn)在，主流的日常設備都配有藍牙模塊，為藍牙技術下一階段的“無線連接，簡易生活”的設備集成組合概念帶來了更多發(fā)展可能。

本系統(tǒng)由燈光節(jié)點、控制器和終端組成，控制器負責網(wǎng)絡的構建和對燈光節(jié)點的控制，其中包括開關狀態(tài)和調(diào)光，同時要保證燈光節(jié)點都加入網(wǎng)絡。終端主要對系統(tǒng)進行智能控制，可采用Android客戶端軟件實現(xiàn)。

2 藍牙組網(wǎng)關鍵技術研究

2.1 藍牙網(wǎng)絡拓撲

藍牙網(wǎng)絡的拓撲結構分為微微網(wǎng)和散列網(wǎng)結構[1]。微微網(wǎng)中有一個主設備和多個從設備，共同構成藍牙通信系統(tǒng)的基本單元。一個微微網(wǎng)可以只是由兩臺相連的設備組成，例如兩部移動電話相連，也可以是8臺連接在一起的設備。在同一個微微網(wǎng)中，所有的設備級別是相同的，具有同樣的權限。主設備主要負責提供時鐘同步信號和跳頻序列。

散射網(wǎng)的構建要經(jīng)歷兩個階段[2]。在第一階段，每個設備都進行鄰居節(jié)點搜索，通過查詢過程，查詢雙方經(jīng)握手獲得鄰居節(jié)點的藍牙地址和同步的相關信息，這些信息由查詢者獲得，被查詢的鄰居并不知道查詢者的信息，為了待加入網(wǎng)絡的所有節(jié)點都能獲取信息，每個設備都要隨機切換自己的狀態(tài)（根節(jié)點除外），并不停地在查詢狀態(tài)和查詢掃描轉換。

當設備都搜集到一定的信息后，節(jié)點開始進行組網(wǎng)。在這一過程中，由根節(jié)點開始出發(fā)，對查詢到的設備發(fā)起呼叫，建立ACL鏈路。當某一設備處于休眠狀態(tài)時，開始對第一階段搜索到的所有節(jié)點發(fā)起呼叫，并重復根節(jié)點的過程。在組網(wǎng)過程中，被呼叫的設備只響應最先呼叫的主設備，并成為其從設備加入微微網(wǎng)。散射網(wǎng)實際上就是多個微微網(wǎng)互連在一起構建的。在散射網(wǎng)中，不同的微微網(wǎng)間使用不同的跳頻序列。只要彼此沒有同時跳躍到同一頻道上，就不會產(chǎn)生干擾。連接微微網(wǎng)之間的節(jié)點角色稱作橋節(jié)點。橋節(jié)點通過不同時隙在不同微微網(wǎng)之間轉換，從而實現(xiàn)跨微微網(wǎng)之間的資料傳輸，“波浪擴張”式地將所有設備加入網(wǎng)絡。

藍牙散射的一種拓撲結構如圖3所示。在圖3給出的網(wǎng)絡主節(jié)點中，1號節(jié)點作為橋節(jié)點，它既是微微網(wǎng)A的主節(jié)點，同時也是微微網(wǎng)B的從節(jié)點；6號節(jié)點作為橋節(jié)點，既是微微網(wǎng)E的從節(jié)點，同時也是微微網(wǎng)C的從節(jié)點，因此，節(jié)點5、6為從/從橋（S/S），節(jié)點1，2，4，7為主/從橋（M/S）。

2.2 基于改進蟻群算法的路由協(xié)議

藍牙散射網(wǎng)組網(wǎng)方法一般可分為按需和主動兩類[3]，主動組網(wǎng)方式在組建網(wǎng)絡后保持網(wǎng)絡的連通，當節(jié)點動態(tài)變化時主動更新。按需組網(wǎng)適合數(shù)據(jù)傳輸頻率低的傳感器網(wǎng)絡，在需要傳輸數(shù)據(jù)時進行組網(wǎng)和建立路由，其余時間節(jié)點處于節(jié)能的休眠狀態(tài)。本文采用按需組網(wǎng)方式、樹狀拓撲結構微微網(wǎng)空位以及關鍵節(jié)點備份機制，網(wǎng)絡具有一定的健壯性，在組網(wǎng)的同時完成路由表的建立。

2.3 蟻群算法研究

蟻群算法源于對蟻群尋找食物過程的研究。觀察發(fā)現(xiàn)，一旦有螞蟻找到食物，在食物和巢穴之間很快就能形成一條近似最短的蟻路，并且蟻路上的螞蟻會越來越多直到食物消耗殆盡。并且，一旦出現(xiàn)斷路情況，蟻群能快速繞過障礙物重新尋找食物并形成新的蟻路。蟻群算法已經(jīng)成為一種優(yōu)秀的獲取優(yōu)化路徑的幾率型算法。由于蟻群算法具有良好的正反饋性、多樣性、健壯性以及自適應性、自組織性，越來越多的被應用于路由優(yōu)化問題[4]。

為了保證螞蟻的多樣性，基于式（1），螞蟻k從位置r移動到位置j的概率計算公式為式（5）。其中，r為（0，1）上均勻分布的隨機數(shù)，p0∈（0，1），當螞蟻從位置i，選擇路徑到達位置j時。選取一個隨機數(shù)r。若r>p0，根據(jù)式（1）選擇路徑，若r≤p0，則根據(jù)式（5）選擇最優(yōu)路徑。

在前向螞蟻到達目的節(jié)點后，會將其攜帶的信息存放至目的節(jié)點，所有的螞蟻都完成這一過程后，根據(jù)信息選擇最優(yōu)路徑并派出后向螞蟻，后向螞蟻將根據(jù)信息進行全局信息素更新，其中，Δτ=c×Ebest，c為常數(shù)， Ebest為路徑最優(yōu)評價值。

當網(wǎng)絡中某一節(jié)點要和目標節(jié)點進行通信時，此節(jié)點作為源節(jié)點，查找路由表是否存在和目標節(jié)點連通的路徑，如果不存在，將根據(jù)式（1）和式（2）的規(guī)則，前向螞蟻根據(jù)啟發(fā)信息和信息素強度，從源節(jié)點的鄰居列表中選擇路徑到達下一節(jié)點，并記錄所經(jīng)節(jié)點的負載接納率、IP地址和路徑的時延。中間節(jié)點接受前向螞蟻后，根據(jù)本節(jié)點的負載情況判斷是否接納前向螞蟻，前向螞蟻選擇其他路徑請求接收，避免持續(xù)擁堵。如果中間節(jié)點不處于擁塞狀態(tài)，則接受前向螞蟻的信息，并建立更新信息素，重復上述過程繼續(xù)轉發(fā)下一節(jié)點。當前向節(jié)點到達目的節(jié)點時，首先目的節(jié)點和源節(jié)點之間建立信息素表并由式（5）、式（6）和更新信息素值派出后向螞蟻返回源節(jié)點。由于后向螞蟻是根據(jù)建立或者更新的信息素表返回，在全局修正的基礎之上，其經(jīng)過的路徑信息素值在增加，其他路徑在減少，當?shù)竭_源節(jié)點后，后向螞蟻銷毀。過程結束[5]。

在整個路徑發(fā)現(xiàn)過程中，要避免擁塞的節(jié)點成為路由節(jié)點，并選擇負載接納能力強的路徑建立路由，節(jié)點要周期性的判斷本節(jié)點的負載能力，可能發(fā)生擁塞的節(jié)點要通知上游節(jié)點減少發(fā)送的信息，避免發(fā)生嚴重的擁堵[6]。

3 軟硬件設計

3.1 系統(tǒng)硬件電路設計

本系統(tǒng)硬件設計包括主控模塊、藍牙通信模塊和LED模塊，整體硬件系統(tǒng)如圖5所示。

LED模塊包括繼電器模塊和調(diào)光模塊兩部分。調(diào)光模塊通過采用PWM調(diào)光原理實現(xiàn)。PWM調(diào)光的基本原理是保持LED 正向導通電流恒定，而通過控制電流導通和關斷的時間比例，即改變輸入脈沖信號的占空比，使LED 產(chǎn)生亮暗變化；并利用人眼的視覺殘留效應，當LED 亮暗變化頻率大于120 Hz 時，人眼就不會感覺到閃爍，而看到的是LED 的平均亮度。PWM 調(diào)光的優(yōu)勢在于LED 正向導通的電流是恒定的，LED 的色度就不會像模擬調(diào)光時產(chǎn)生變化。PWM信號由主控MCU產(chǎn)生R、G、B、W四路信號，采用高性能的PT4115恒流芯片驅動，能將直流電壓直接轉換成穩(wěn)定的恒流輸出。

主控單元采用美國TI公司生產(chǎn)的CC2540芯片，適用于藍牙低功耗應用，同時也作為藍牙傳輸?shù)暮诵牟糠帧C2540集成了2.4 GHz射頻收發(fā)器，是一款完全兼容8051內(nèi)核的無線射頻單片機。CC2540使用單周期訪問SFR、DATA和主SRAM。當CC2540處于空閑狀態(tài)模式時，任何終端都可以將其恢復到主動模式。該芯片的8051不具有PWM模塊，但可以通過定時器和通用輸入輸出產(chǎn)生PWM信號。

整個系統(tǒng)初始化后，判斷該節(jié)點是否加入網(wǎng)絡，如果沒有加入網(wǎng)絡，則尋找相鄰節(jié)點并查找鏈路表加入網(wǎng)絡。在節(jié)點加入網(wǎng)絡后，等待中斷，并開始接收控制指令。整個控制分為開關控制和調(diào)光控制兩部分，并及時回傳燈光狀態(tài)，系統(tǒng)流程如圖6所示。

3.2 系統(tǒng)軟件設計

3.2.1 客戶端整體設計

智能燈光控制軟件Android的客戶端控制系統(tǒng)設計主要包括用戶界面UI、主程序軟件設計、藍牙通信、指令收發(fā)。Android應用程序由一個或多個組件構成，組件包括activities， services， content providers， broadcast receivers等，每個組件在程序中完成不同的任務，每個組件可以單獨被激活，或者由其他應用程序激活。利用Android操作系統(tǒng)提供的各種資源對各個燈光節(jié)點進行編組自定義控制，用戶通過觸屏與系統(tǒng)進行交互。客戶端的設計主要涉及用戶UI界面、Socket通信、線程和SQLite數(shù)據(jù)庫的設計與使用。客戶端流程圖如圖7所示[7]。

3.2.2 功能設計

在ActivityGroup中設計了“狀態(tài)”、“情景”、“自定義”、“更多”、“設置”五個子界面。在“狀態(tài)”列表可以看到所在網(wǎng)絡中每一個燈具的開關狀態(tài)，選擇任何一個燈具都可以進行開關控制操作，進入燈具詳情可以對燈光亮度和色彩進行自定義設置；進入“情景”列表可以設置不同的燈光效果情景，每一種情景包括燈光效果和開關時間的設定，進入選擇的情景即可添加燈具到當前情景；“自定義”模塊主要是對全部燈具自定義編組并自定義名稱，使燈具可以進行分組控制；“更多”界面是針對用戶對客戶端的一些調(diào)節(jié)，比如背景設置、燈光設置方案推薦及展示、個人方案的分享；“設置”主要顯示當前登錄用戶的個人信息，提供用戶的密碼修改和找回密碼等功能，同時還包含用戶自定義頭像的上傳。客戶端軟件如圖8所示，其中自定義設定了某一樓層各個房間的燈光控制效果，也可對整個局域進行控制。

4 結 語

本文介紹了藍牙組網(wǎng)的網(wǎng)絡拓撲結構，并提出了基于蟻群算法的路由協(xié)議。對蟻群算法進行優(yōu)化，可較好的發(fā)現(xiàn)全局最優(yōu)組合方式，較快的完成主節(jié)點、從節(jié)點的角色分配與鏈路的建立；分析了藍牙組網(wǎng)通信過程，包括路由發(fā)現(xiàn)、路徑選擇，提高藍牙組網(wǎng)能力；基于藍牙組網(wǎng)設計了智能燈控系統(tǒng)，并通過手機終端實現(xiàn)對燈光系統(tǒng)的智能控制。本系統(tǒng)不僅可以應用于家居照明環(huán)境，也可推廣應用到餐廳、高校、展廳等照明場合。

參考文獻

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