基于底層組網與云端互聯的高校智能照明控制系統

鄢秋榮, 陳 祺, 廖瑞祥, 李 炫, 王瀟玉, 胡文凱

(南昌大學 信息工程學院, 南昌 330031)

基于底層組網與云端互聯的高校智能照明控制系統

鄢秋榮, 陳 祺, 廖瑞祥, 李 炫, 王瀟玉, 胡文凱

(南昌大學 信息工程學院, 南昌 330031)

為了擺脫高校傳統機械式開關控制照明的方式，設計了一種基于底層組網與云端互聯相結合的高校智能照明控制系統。本系統由嵌入式智能硬件控制平臺、燈具控制器和環境信息感知模塊組成，實現了手機等智能終端與硬件控制平臺的遠程網絡通信，達到了利用手機等智能終端上的應用程序對教室進行開、關燈以及感知教室環境狀態的控制效果。同時，管理用戶可通過應用程序將硬件平臺設置成自動控制模式，由系統自主根據環境信息對燈進行開、關設置。經實時環境測試，已驗證該照明系統的可行性和實用性。

照明； 智能控制； 組網； 感知； 智能終端

0 引 言

科技進步促進了社會的發展，使我們的生活水平不斷提高。人們對生活各方面都提出了更高的要求，對于家電也不僅僅是實用，還應邁向智能化、節能化[1]。眾所周知，照明與人類的生活息息相關，而其存在的意義也已超過了照明本身。優質的照明環境不僅為人們帶來優質的視覺體驗，更能營造舒適的環境和氛圍，促進人體身心健康。隨著社會的發展和進步，大到整所城市、巨型購物商場、大型寫字樓，小到個體用戶，都體現出對優質照明愈來愈明顯的需求。與此同時，因為城市的巨大化，對照明的管理也成為一大難題，人們需要一種更便捷的管理方式來解決這一問題。當今社會能源短缺日益突出，溫室效應越發嚴重，而像高校這種用電大戶，在樓宇照明大部分處于粗獷管理模式，存在電能浪費嚴重，無法合理配置資源等問題。然而智能照明控制系統節電率卻可達20%～40%。近年來高校不斷擴張，用電需求量不斷加大，而教室用電因為學生自習的關系，長期不關燈，造成了大量電能浪費[2-4]。在這一大背景下，本文提出了智能照明這一解決方案。

此方案依托于Android平臺以及stm32控制芯片來構建專門適用于各大高校的智能照明系統。該系統的可視化客戶端運行于Android操作系統上，此客戶端可以應用在越來越多的便攜終端和智能手機上，用戶可以通過手機端實現遠程對LED燈的開關調光，分組控制，狀態查詢，設置燈密碼和手動添加、刪除燈的操作，硬件控制端同時還可以作為路由器來使用，提供網絡接入服務[5]。依托于紅外、光照等傳感器采集的數據傳輸到服務器上，在服務器上對數據進行處理，可以實現自動控制照明，從而達到智能、節能的目的。此外對底層數據的采集并進行挖掘，再用大數據的思維對數據進行分析整合，提取出有用的信息，將信息進行處理后，不僅會反饋給管理人員，從而實現利用好每一點數據，而且還能實時反饋信息給用戶，實現真正意義的人工智能。

1 系統結構與功能

智能照明控制系統網絡拓撲圖如圖1所示，由硬件控制模塊、通信網絡、Android可視化控制客戶端3個模塊組成。通信網絡則有兩種選擇，局域網、云服務器。通信網絡的功能是使各個硬件控制端組網，實現聯機控制。局域網控制就是使各個硬件控制端和控制客戶端處于同一WiFi網絡環境下，無需連接外網，就能實現客戶端和燈控硬件端進行通信從而實現控制功能，適用于家庭等小型場所。云端則是對局域網的升華，使局域網能和外網連接，利用Yeelink提供的免費服務器(Web服務器)，可以實現燈控硬件端和控制客戶端超遠程通信，只要有網的地方，就能實現遠程控制功能[6]。Android客戶端則是一個用Java編寫的應用程序，通過一些簡單的操作便可使手機向燈控硬件端傳送控制指令和接收燈控硬件端反饋的信息。也可設置自動控制模式，客戶端將對各種傳感器反饋過來的信息進行分析，從而實現自動控制[7]。該燈控硬件端集成了 WiFi通信模塊(CLIENT)和STM32單片機控制模塊以及電源模塊，控制指令最終傳送到STM32單片機，單片機執行相關操作，并將狀態信息返回到手機，數據的雙向流動實現智能手機或平板對 LED 照明設備的便捷智能控制。用戶能夠對任何一個單燈進行操控，也能夠對一個場所的數個單燈同步操控，還能對所有房間進行整體的控制，實現室內的智能照明控制。同時我們對傳感器采集并傳送到服務器的大量信息運用大數據的思維進行分析和處理，設計相應的算法，給管理者提供一個最節能、最省心的照明解決方案。

圖1 系統網絡拓撲圖

2 底層組網

“底層組網”即無線傳感網絡，每個燈的控制模塊接上若干個傳感器，這些傳感器將采集到的數據以IO口電平變化的形式傳送給單片機。單片機循環查詢紅外傳感器和溫濕度傳感器來判斷教室內人員情況和更新溫濕度信息。煙霧傳感器采取中斷方式來實現火警檢測和報警功能。單片機將采集到的數據通過自定義的協議進行打包封裝，并通過串口傳輸給WiFi模塊。相關數據再由WiFi模塊連接路由器上傳至Web服務器進行儲存。同一WiFi環境下的相鄰幾個燈通過不斷查詢相關標志位的方式來實現燈的開關而互不沖突。

2.1主控芯片

在本控制系統中的硬件控制端結構如圖2所示，STM32單片機是整個系統的核心，起著控制核心、信息存貯、信息處理、信息傳輸的作用。完成的工作包括與服務器的通信，接收傳感器的感應電平，控制界面的LCD觸摸顯示，蜂鳴器報警，SD卡信息存儲，燈光的控制。

STM32通過串口與WIFI模塊進行通信，完成片上數據到服務器的傳輸工作，波特率設置為115200 Baud。單片機的GPIOC0 ～ GPIOC4和GPIOB12設置為浮空輸入，用于采集紅外傳感器、煙霧傳感器和溫濕度傳感器的電平變化；GPIO6 ～ GPIOB9設置為推挽輸出模式，用以控制繼電器以控制燈具的亮滅；GPIOC8 ～ GPIOC12復用為SDIO接口與SD卡通信，并利用文件系統進行數據的儲存的工作；單片機通過GPIO口驅動FSMC液晶顯示屏進行界面的顯示，通過模擬SPI進行觸摸控制[8]。

圖2 硬件控制端結構圖

2.2通信模塊

本系統中的通信模塊采用有人公司生產的USR-WIFI232-B模塊，這是一款工業級一體化802.11 b/g/n模組，實現TTL串口、WiFi無線網絡和以太網口雙向透明傳輸。傳統的串口設備或MCU控制設備利用WiFi模塊可以快速接入WiFi無線網絡，從而實現物聯網絡控制與管理[9]。

WiFi模塊工作于POST和GET工作模式，POST模式下的WiFi模塊通過USART3與單片機進行通信，向服務器發送數據，GET模式下的WiFi模塊通過USART2與單片機進行通信，從服務器接收數據。硬件控制端接收數據后，便能實現控制功能。

3 云端互聯

本系統所采用的服務器為YEELINK物聯網平臺的Web服務器，該服務器具有設計的高并發接入服務器和云存儲方案，能夠同時完成海量的傳感器數據接入和存儲任務，利用本服務器實現數據的跨網傳輸,可以讓硬件端便捷地接入互聯網[10]。硬件端與Web服務器傳輸信息使用的是HTTP協議，HTTP是一種無狀態的協議，無狀態是指Web服務器和Web服務器之間不需要建立持久的鏈接，Web服務器對客戶端發出的請求響應了之后，連接就被關閉。

為了實現服務器與客戶機間的通信，服務器與客戶機都必須創建套接字，具體的套接字工作原理如圖3所示。服務器在創建套接字后，需要指定監聽的端口來等待客戶機，故還需綁定端口號。Connect()函數的功能是為客戶端連接服務器，并且建立連接是通過3次握手完成的，客戶端的Connect()函數默認會一直阻塞，直到3次握手成功或超時失敗才返回[11]。服務器則是被動的，Listen()函數的主要作用就是將套接字變成被動的連接監聽套接字，只要TCP服務器調用了Listen()，客戶端就可以通過Connect()和服務器建立連接。建立連接之后TCP客戶端便可以使用HTTP請求來請求數據了。一個HTTP請求包含請求行、消息報頭、請求正文三部分。HTTP的響應也包含狀態行、消息報頭、響應正文[12]三部分。

圖3 套接字工作原理

利用HTTP請求的POST方式向服務器發送數據，由于使用的WiFi模塊是集成的，將HTTP請求的相關內同按圖4配置好[13]，再以JSON的數據格式({“value”:1210101})便可將數據發送到服務器。其中自定的通信協議表示方法如圖5所示。

圖4 WiFi模塊配置

圖5 自定義通信協議圖(可擴展)

手機 --gt; 硬件端(控制使用7位指令)：

A0(樓棟)A1(教室) A2～A5(4個繼電器)A6(校驗位，自加1)

硬件端 --gt; 手機(信息反饋使用13位指令)：

B0(樓棟)B1(教室)B2B3(溫度)B4B5(濕度)B6(煙霧)B7(紅外)B8～B11(4個繼電器)B12(校驗位，自加1)。

使用校驗位的目的是讓觸摸屏和可視化控制客戶端可同時對燈進行控制，但是兩者之間會產生控制沖突，原因是硬件控制端是不斷的查詢服務器上的命令來實現控制，如果通過觸摸屏來操作之后，硬件端還會查詢服務器給的命令，這時便會覆蓋原來直接通過觸摸屏的操作，導致沖突。解決辦法便是加一個校驗位，觸摸屏操作之后命令的校驗位會自動加一，使原來存儲在服務器上的命令失效。如若軟件控制端想操作，軟件發出的有效命令的校驗位也會自動加一。

例子中的1210101(控制命令實體)表示控制第1棟樓的第2個教室兩個燈開兩個燈滅。指令發送出去后WEB服務器會返回下面的信息：

HTTP/1.1 200 OK

Server: nginx/1.1.19

Date: Wed, 02 Mar 2016 07:50:23 GMT

Content-Type: text/html

Transfer-Encoding: chunked

Connection: keep-alive

X-Powered-By: PHP/5.3.10-1ubuntu3.6

響應的第1行類似請求行的第1行，告訴我們所用的協議是HTTP 1.1,OK表示請求成功[14]。后面的是響應的時間、格式、版本，keep-alive表示連接持續有效，當出現對服務器的后繼請求時，keep-alive功能避免了建立或者重新建立連接。

從服務器上取數據便是使用GET方式，與POST請求方式配置方法相似，僅僅將請求類型改成GET便可，下面給出響應。

HTTP/1.1 200 OK

Server: nginx/1.1.19

Date: Wed, 02 Mar 2016 07:50:23 GMT

Content-Type: text/html

Transfer-Encoding: chunked

Connection: keep-alive

X-Powered-By:PHP/5.3.101ubuntu3.6

{"value":1325861011012,"timestamp":"2016-0301T15:41:36","sensor_id":"214579","device_id":"196181"}

“value”表示在服務器上所訪問的變量，其值為1325861011012，其表示第1棟樓的第3個教室溫度為25°、濕度86%、3盞燈開、校驗位為2。利用從服務器取回的數據，便可以發送相應的7位控制指令來控制硬件端，方便、快捷。整個系統的數據流傳輸流程如圖6所示。

圖6 數據流框圖

4 可視化控制客戶端(APP)

隨著智能手機的普及，APP技術在物聯網監控發展平臺的應用也正在擴大，智能手機憑借其獨特的便捷性深受大眾的喜愛以及4G技術的推廣，這在一定程度上也會推動物聯網的發展[15]。

客戶端為一基于Android操作系統的APP，此APP框架如圖7所示。

圖7 APP框架

進入軟件界面后需要先登錄，用戶ID為學工號，系統自動根據ID確定當前用戶的權限。登錄后將調用百度地圖，通過GPS定位硬件控制端所處位置，同時用戶可以根據權限選擇相應樓棟，擁有管理員權限的管理人員可以選擇任意樓棟，擁有教師權限的可以選擇用于教學的樓棟，而學生只能選擇所在教室的樓棟。

進入樓棟(樓棟可刪除和添加)后還得確定哪一間教室，這級菜單主界面為常用房間，右向滑動出現所有房間號，同時這級菜單還具有添加和刪除教室的功能(管理員權限下)。

選定教室進入后，在這一級菜單里可以看到從Web服務器返回的當前教室內的溫度、濕度等信息。單擊燈泡可控制LED的亮度，或者點擊總開關統一控制所有燈泡。管理員權限下對燈進行系統管理則可實現增、減新燈和重置WiFi熱點名稱的功能[16]。

5 系統測試

系統實物圖如圖8和圖9所示，本系統可通過硬件端的觸摸顯示屏控制燈的亮滅，同時將傳感 器采集到的教室室內內溫濕度的信息在液晶屏上顯示。通過手機APP也可以代替硬件端平臺實現燈的控制，同時可以將系統設置為自動控制模式，即通過紅外傳感器檢測教室內是否有人員進入，當有人進入教室時，燈光自動開啟，當教室無人時，經過一段時間延時后，燈光自動關閉。除了進行燈的控制，手機APP可將一段時間內采集到的傳感器信息進行儲存以及繪制相關圖表，供管理者查看以便設計合理的照明方案。測試場所選在本校信工樓的普通上課教室中，經測試上述設計目標均實現。

圖8 硬件實物圖

圖9 軟件APP界面

6 結 語

本文設計了一個基于底層組網與云端互聯的智能照明控制系統，主要包括硬件控制平臺、Web服務器和可視化控制客戶端。使用者可以同時通過硬件端和移動端對教室內的燈光進行控制，代替了燈的傳統開關，更加智能便捷。解決了市場上存在的智能照明燈的控制距離小，功能不完善，使用者無法實時查詢室內情況的問題。操作簡單，成本低廉，可以滿足高校對照明系統大規模安裝的需求，無需大規模改變原有線路。本照明系統不僅適用于高校照明，而且可廣泛用于大型公共場所等，前景無限。

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IntelligentLightControlSystemBasedonUnderlyingNetworkandCloudInterconnection

YANQiurong,CHENQi,LIAORuixiang,LIXuan,WANGXiaoyu,HUWenkai

(College of Information Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China)

To get rid of the way of controlling lights using traditional mechanical switches in colleges and universities, an intelligent light control system based on underlying network and cloud interconnection was proposed in this paper.To achieve the remote communication between mobile phone (or other intelligent terminals) and hardware platform, we designed and developed a hardware platform including embedded controller, lamps controller and environmental message sensor module.The system can accomplish remote light control, sense the environmental state through operations on the application of mobile phone (or other intelligent terminals).Simultaneously, administrators can set the hardware platform into automatic control mode in which the system can turn on/off lamps automatically according to environmental message.By testing the system in a real environment, the feasibility and practicality of the intelligent light control system have been verified.

light; intelligent control; networking; sensors; intelligent terminals

TN 872

A

1006-7167(2017)10-0153-05

2017-02-28

2015年產學合作專業綜合改革項目和國家大學生創新創業訓練計劃聯合基金資助課題(教高司函[2015]51號)；江西省教改重點課題(批準號:JXJG-14-1-8)資助課題

鄢秋榮(1982-),男，江西寧都人，博士，副教授，主要從事無線通信系統研究。Tel.:13755756837； E-mail:Yanqiurong@ncu.edu.cn