基于物聯網的智能家居照明設計方案

崔松健

（南京信息職業技術學院 江蘇省南京市 210046）

1 序言

隨著中國城市化建設的提速和新農村建設的步伐加快，人們的家居環境得到了很好的改善。人民追求的不再僅限于住房面積的大幅度提高，同時對居住舒適度也提出了很高的要求，目標是能提供一個舒適、安全、方便和高效的生活環境。于是智能家居概念便應運而生，得到了廣大住戶的青睞。智能家居最重要的是實用，應該摒棄那些華而不實，只作擺設的功能，產品著重體現實用性、易用性和人性化。

智慧照明系統作為智能家居的重要組成部分，具有廣闊的發展前景。隨著先進的傳感器技術、通信技術、自動化技術、互聯網技術和人工智能技術滲透到人們的日常生活中的各個領域。智慧照明系統將克服傳統照明系統開關不方便、亮度無法調控、不環保、不節能等問題，通過引入ZigBee、Wi-Fi、4G 等有線或無線技術來實現自動控制。用戶可以通過智能面板/觸屏、手機、Pad、電腦等任意設備實現照明控制。

本文將給出的一種基于物聯網技術的智慧能照明系統建設方案，能夠很好地做到使用方便、節能環保，具有良好的經濟和社會效益。

2 智能控制原理

2.1 智能控制

一般包括智能信息處理、智能信息反饋和智能控制決策三個方面，是控制理論發展的高級階段。智能控制以控制理論、計算機科學、人工智能、運籌學等學科為基礎，擴展了相關的理論和技術，其中應用較多的有模糊邏輯、神經網絡、專家系統、遺傳算法等理論，以及自適應控制、自組織控制和自學習控制等技術。智慧照明應用智能控制技術進行照明燈的開與關，分組控制，調光控制等。

2.2 傳感器技術

傳感器技術是實現自動化和智能化控制的重要環節，傳感器實現智能控制的主要部件,處于智能控制的最外層，被廣泛應用于數據采集,如溫度、濕度、氣壓、光照、重力、位移等。并將獲得的信息轉換為數據后通過網絡傳送給計算機進行處理。智慧照明系統中的主要傳感器有雷達、人體紅外感應器、重力感應器、聲控感應器、照度感應器等。

2.3 ZigBee技術

圖1：智慧照明系統分層結構圖

ZigBee，也稱紫蜂，是一種低速短距離傳輸的無線網上協議，工作速率在20 ～250kbps 之間，分別提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz)和20kbps(868 MHz)三種原始的數據吞吐率，滿足低速率傳輸數據的應用需求；傳輸范圍一般介于10 ～100m 之間，增加發射功率后，可增加到1 ～3km。ZigBee 的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms，節點連接進入網絡只需30ms。組網靈活，ZigBee 可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254 個子節點；同時主節點還可由上一層網絡節點管理，最多可組成65000 個節點的大網。ZigBee 提供了三級安全模式，包括安全設定、使用訪問控制清單防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AES 128)的對稱密碼，可以靈活確定其安全屬性。ZigBee 成本較低。基于以上的這些特點，在家庭智慧照明系統中采用ZigBee 進行組網是經濟實惠的，也是可行的。

3 技術方案

智能照明系統由感知層、控制層、網絡層、應用層四部分構成。如圖1所示。

3.1 感知層

感知層作為照明系統的最前端，主要用于數據的采集。常用的采集設備有雷達、攝像、紅外定位及光敏傳感器、溫度傳感器、電壓電流傳感器等。根據家居特點，家庭照明的地方主要有：車庫、走廊、庭院、衛生間、臥室、客廳等，根據不同的用燈特點和習慣，使用不同采集設備。車庫可以使用雷達或攝像，發現車來了就亮燈；走廊和衛生間可以使用人體紅外探測，人來亮燈，人走滅燈；樓梯間可以使用聲控延時進行控制；庭院燈可以使用照度進行調光控制輔以遠程定時關燈；臥室和客廳可以使用紅外遙控進行控制。

圖2：燈具控制

圖3：能耗檢測

圖4：單燈調光

3.2 控制層

家居照明控制器主要是單燈控制器、成組控制器、調光控制器，主要功能是根據感知層的傳感器傳入的信號做出對單燈或成組控制亮燈、滅燈、延時、定時等處理。控制器可以是有線的，也可以是無線的，控制器與相應的網關相連，接收服務器下達的控制指令從而實現對照明燈的控制效果。控制器具備通過Zigbee 無線自組網進行通信連接，實時在線接收信息；具有自診斷和自恢復功能；斷電數據保持功能；遠程或就地自動調光實現亮燈、暗燈的節能控制；無線路由功能，實現通信的中繼功能。

3.3 網絡層

由網關節點構成。網絡層在應用層與感知層之間、應用層和控制器之間起到一個傳遞信息的功能。網關節點經過數據適配中間件和網關中間件來接收傳感器感知的數據信息并上傳至服務中心，網關結點接收來自服務器的控制指令并下發至相關控制器控制相應燈的亮和滅。

中間件的作用是為多種異構設備的采集數據和下發指令提供統一的接口，完成異構數據的轉換和解析。

數據適配中間件：由于傳感器的類型和功用有很大的區別，不一樣廠家的、不一樣類型的、不一樣用處的傳感器具有不一樣數據格式和通訊協議。因此感知層對采集上來的數據要通過解析后封裝成通用的協議格式上傳到服務器，服務器根據不同的傳感信號向相應的控制對象下發控制指令，完成相應的控制。

在本解決方案中網關和服務器之間選用4G 或有線進行連接，感知層及控制器之間選用低速短距離傳輸的無線網上協議ZigBee作為通訊方法。因為ZigBee 具有低速、低耗電、低成本、支持大量網上節點、支持多種網上拓撲、低復雜度、快速、可靠、安全等特點，完全可以滿足家居照明感知層和控制層與網關之間的鏈接。

3.4 應用層

通過感知層和網絡層后，數據最終進入控制中心，由控制中心進行集中處理。應用層包含PC 端和移動端的運用。

智慧照明平臺具有高效節能、管理優化、穩定可靠、配置靈活的特點。可實現遠程監控和可視化操作，可以對任意一盞、一組燈或任意自定義組的路燈進行開關燈、調光等操作；可以使用分布圖對每盞燈進行操作，可以完成關、開燈、調光燈功能，每個單燈的故障報警信息可以在地圖上動態顯示。應用層的主要功能有：

（1）單燈控制：可以通過手機或電腦在地圖上對每一盞燈具進行開關控制，見圖2。

（2）分組控制：可對燈具進行任意分組，實現一鍵開啟和一鍵關閉功能，見圖2。

（3）定時控制：對室外燈光可以設定定時開啟和關閉，見圖2。

（4）單燈狀態檢測。遠程查詢每一盞燈具的開關狀態，遠程監測燈具的電流、電壓、功率、電能等電參數，遠程監測分支回路的電流、電壓、功率、電能等電參數，見圖3。

（5）單燈調光。遠程對每一盞燈具進行調光控制，調光范圍為0-100%，見圖4。

（6）故障報警。具備異常開/關燈、燈具故障等報警功能。

4 總結

本文給出了一種智能家居中智慧照明系統的設計方案，該方案實現家庭照明系統的智能控制，根據不同的地點和不能的功能燈實現不同的控制方案，經濟實惠，實現簡單。該方案可以實現燈具的一鍵全開和一鍵全關功能,還可以實現自定義組合控制和地圖控制燈的開關,同時可以實現室外通過照度控制燈光亮度的調節，也可定時開關燈；室內可以通過人體感應傳感器實現照明設備的自動開啟功能，從而達到節電的功效。智慧照明控制系統作為智能家居的重要組成部分,可以極大地提高用戶體驗,為智能家居的推廣和應用起到一定的作用。