基于BLE的智能家居燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

張欣國 趙楠 尹富民

摘要：近年來，伴隨著我國計算機科技以及社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，以往的根據(jù)人的行為習(xí)慣布置開關(guān)控制照明的方式的已經(jīng)不能夠滿足人們的需求，達不到人們需要的方便、舒適、靈活的要求，而本次項目的宗旨就是體現(xiàn)以人為本的設(shè)計理念，讓燈光控制可以更加符合人的行為方式，這便是智能家居燈光控制系統(tǒng)。現(xiàn)通過BLE網(wǎng)絡(luò)建立燈光控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過藍牙工具實現(xiàn)對燈光的控制，在發(fā)送指令后，系統(tǒng)可以反饋控制結(jié)果。

關(guān)鍵詞：BLE;燈光控制;智能家居

1 引言

當今社會，一個好的燈光控制系統(tǒng)對于人們的生活可以起到至關(guān)重要的改善作用，可以讓我們的生活更加便利，隨著生活水平的提高，人們對于智能化生活的需求日益增多，而進行基于BLE的智能化燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)是基本的，也是必須的步驟。人們對于燈光的控制已經(jīng)不僅僅滿足于原來的基于行為習(xí)慣進行控制開關(guān)設(shè)置的方式，但是在智能化的燈光控制系統(tǒng)的設(shè)計方面又存在很大的缺口，并且各個開發(fā)部門對于這個方面的重視程度也不夠高，因此，在基于BLE的智能家居燈光控制系統(tǒng)方面還沒有比較完善，比較突出的設(shè)計成果。一個好的智能家居燈光控制系統(tǒng)，不僅僅是要在操控上實現(xiàn)便利，還要有兼顧性和低功耗性，這樣才算是一個比較完善的智能家居燈光控制系統(tǒng)，這樣的控制系統(tǒng)無論對于智能家居這個領(lǐng)域的發(fā)展無疑具有重要的意義。

2 基于BLE的燈光控制系統(tǒng)

Android是由Alphabet旗下Google公司開發(fā)的一種基于Linux內(nèi)核的自由及開放源碼的操作系統(tǒng)，主要用于移動設(shè)備。目前我國幾乎所有智能手機科技公司均使用Android操作系統(tǒng)作為自家智能手機及平板的操作系統(tǒng)。根據(jù)近年來大學(xué)市場調(diào)查顯示高校學(xué)生中使用國產(chǎn)手機比例高達80.16%，故而，我們的BLE智能家居燈光控制系統(tǒng)也是基于比較大眾化的Android系統(tǒng)，這樣對于系統(tǒng)的應(yīng)用范圍來說也更好的普及。

BLE又稱低功耗藍牙，也就是說，本次實驗是基于藍牙的燈光控制系統(tǒng)，這其中涉及的內(nèi)容就是無線通信里面的相關(guān)知識，藍牙對于燈光的控制就需要以控制節(jié)點以及相關(guān)協(xié)議為基礎(chǔ)，當然不同版本的協(xié)議之間的通信方式也許有略微的差異，但是由于本系統(tǒng)主要針對的是對于燈光控制系統(tǒng)的實現(xiàn)，所以不影響整體實現(xiàn)。對于本系統(tǒng)來說控制節(jié)點的設(shè)置，指令的控制以及相應(yīng)的Android傳感器的開發(fā)都是比較重要的步驟，無論哪一個步驟邏輯涉及不清晰，都進行不了最后的無線通信，也就進行不了后面關(guān)于的燈光控制。

上述中提到由于需要實現(xiàn)無線通信，所以，對于Android傳感器的開發(fā)也是有必要的，主要是針對于獲取傳感器管理對象和傳感器類型的確定，并且在最終對于指令結(jié)果的返回也需要進行相應(yīng)傳感器的設(shè)置，相當于進行數(shù)據(jù)的傳輸與返回。

3 實現(xiàn)技術(shù)

3.1 系統(tǒng)的設(shè)計總框架

基于BLE的智能家居燈光控制系統(tǒng)，總的來說分為兩個模塊，一個就是對于遠程通信控制設(shè)計模塊，另一個就是硬件設(shè)計模塊，其中硬件設(shè)計模塊相對比較簡單，芯片與LED燈進行連接，保證輸入輸出流的傳輸，其中，芯片直接驅(qū)動LED燈，根據(jù)無線通信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包對LED燈的狀態(tài)進行相應(yīng)的改變。但是，對于遠程通信控制模塊，就比較繁瑣，涉及到的知識比較多，其中有關(guān)于Android BLE，Android傳感器的應(yīng)用，無線通信協(xié)議的應(yīng)用，以及數(shù)據(jù)包傳輸與解析所涉及的內(nèi)容，這些內(nèi)容是保證本系統(tǒng)可以正常實現(xiàn)的前提。

本系統(tǒng)基于BLE，其中涉及到各種通信協(xié)議的連接，這樣的話可以保證無線通信的實現(xiàn)，燈光控制系統(tǒng)是由軟硬件組成，構(gòu)成了一個比較完善的物聯(lián)網(wǎng)云平臺，其中，智能網(wǎng)關(guān)可以設(shè)定為開關(guān)形式或者接口形式，以確保該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸可以得到保證。

3.2 遠程通信控制設(shè)計

面對如此多的控制方式以及通信協(xié)議，根據(jù)我們想要達成的目的選擇相應(yīng)的控制方式以及通信協(xié)議的設(shè)定是很有必要的。我們在這個過程中要進行控制類節(jié)點邏輯事件的設(shè)計與實現(xiàn)，遠程控制程序的設(shè)計，控制類協(xié)議設(shè)計，以及Android傳感器的接口設(shè)計，基于以上四個模塊的設(shè)計，所涉及到的無線數(shù)據(jù)包才可以進行相應(yīng)的收發(fā)和解析，這也是實現(xiàn)無線通信的比較核心和關(guān)鍵的設(shè)計思想與步驟。

首先，控制類節(jié)點的邏輯事件需要實現(xiàn)的三個步驟：1.遠程設(shè)備對相應(yīng)的節(jié)點發(fā)送控制指令，并且節(jié)點實現(xiàn)相應(yīng)的響應(yīng)。2.遠程節(jié)點收到指令后進行查詢，實時響應(yīng)后返回設(shè)備狀態(tài)。3.控制節(jié)點設(shè)備狀態(tài)并進行反饋。以上三個步驟是實現(xiàn)通信的主要依托，這其中涉及到相應(yīng)的邏輯判斷的設(shè)定，以保證通信的實現(xiàn)。其次，針對于控制類協(xié)議的設(shè)計，是后面實現(xiàn)無線通信的基礎(chǔ)，協(xié)議的設(shè)定相當于是進行通信準則的設(shè)定，這其中包括，起始字符的設(shè)定，參數(shù)個數(shù)的設(shè)定，以及分隔符的設(shè)定，更有甚者，對于上下行數(shù)據(jù)的格式參考和命令參考進行相應(yīng)的設(shè)定，這樣在后面進行無線通信的時候可以很好的進行狀態(tài)等的判斷，保證數(shù)據(jù)沿著特定的方向有條不紊的傳輸，不會出現(xiàn)不必要的麻煩。

對于Android BLE來說，通過API來掃描周圍的設(shè)備，之后進行相應(yīng)的連接，發(fā)送相應(yīng)的指令，進行相應(yīng)的執(zhí)行，其特點有三個：1.低功耗，使用其進行通信時，需要的耗能是普通藍牙的一般。2.傳輸距離遠，提升至一百米。3.低延時，可以在極短的時間內(nèi)進行數(shù)據(jù)的傳輸。雖然其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小，但是對于燈光控制來說也是充足有余的，正因如此，其在智能家居，智能硬件方面應(yīng)用范圍極廣。對于BLE來說，其工作模有四種：1.主設(shè)備模式，可以與一個從設(shè)備進行連接，同時獲得相應(yīng)的地址。2.從設(shè)備模式，BLE支持從設(shè)備模式，可以通過兩個通道進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，當然這里面涉及到一些服務(wù)地址，不過可以進行查找。3.廣播模式，這種模式可以進行一對多的廣播，該模塊可以在低功耗的方式下持續(xù)進行數(shù)據(jù)的廣播，是一種比較便捷的方式。4.Mesh組網(wǎng)模式，這種模式下，每個模塊可以自由組網(wǎng)，不會有那么多的局限性，或者說是數(shù)據(jù)傳輸不流暢，當某一個設(shè)備受到阻礙時，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以自動跳過，尋找最近的節(jié)點進行相應(yīng)的傳輸。這樣也是Android BLE的自身優(yōu)勢，也是它收到廣泛歡迎的重要原因。

對于傳感器的接口設(shè)計也是十分重要的，傳感器起到的是過渡的作用，每個函數(shù)或者接口進行相應(yīng)的功能，那么，當一個函數(shù)或者接口執(zhí)行完，需要調(diào)入下一個函數(shù)或者接口進行執(zhí)行的時候，需要先將相應(yīng)的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)絺鞲衅鳎瑐鞲衅鞲惺艿街螅賯鞯綄?yīng)的接口位置，所以，傳感器接口的設(shè)計是保證數(shù)據(jù)包可以傳輸?shù)娇刂乒?jié)點的前提，傳感器的設(shè)計包括四個方面：1.硬件初始化。2.控制器控制函數(shù)。3.數(shù)據(jù)傳輸與解析。4.用戶事件的處理。這樣，有了傳感器的設(shè)置，就可以保證數(shù)據(jù)的及時傳輸，以及狀態(tài)的實時反饋。最后，對于無線數(shù)據(jù)包的收發(fā)與解析，則要具體到每一個函數(shù)，相應(yīng)的功能對應(yīng)相應(yīng)的函數(shù)。

4 結(jié)語

此應(yīng)用設(shè)計的目的在于設(shè)計一個基于BLE的智能家居燈光控制系統(tǒng)，基于全球智能手機市場所占比最大的Android操作系統(tǒng)，保證了我們的系統(tǒng)可以被絕大部分的用戶使用。基于BLE的智能家居燈光控制系統(tǒng)是一個比較完善，并且可以根據(jù)使用者的需求實時進行燈光控制的系統(tǒng)，這是一種發(fā)展的趨勢。為了追求高質(zhì)量的服務(wù)，我們進行了比較細致的設(shè)計，保證無線通信的順利進行，其中涉及到的知識層面比較多，對于知識的應(yīng)用能力的提高起到了至關(guān)重要的作用。為了實現(xiàn)一個比較完善的基于BLE的智能家居燈光控制系統(tǒng)，我們需要結(jié)合Android BLE，Android傳感器以及各個通信協(xié)議的工作方式等知識，這樣的設(shè)計，最后會出現(xiàn)一個面向大眾化的燈光控制系統(tǒng)，會大大的便利人們的生活，提供給人們比較完備和靈活的系統(tǒng)，給人以更大程度的享受，這樣的系統(tǒng)無論是對于人們的享受程度還是對于智能家居本身的發(fā)展，無疑是具有重大的意義。

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基金：西北民族大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費資助本科生科研能力訓(xùn)練項目（項目編號：XBMU21196）