智能家居燈光控制系統的設計與實現

楊 艷

山東技師學院，山東 濟南 250200

0 引言

在科學技術快速發展的背景下，人們的生活水平大幅提高，對居住環境提出了更高的要求，不僅需要滿足日常遮風擋雨的功能，還應具有健康、舒適等特點。在日常的生活環境中，燈光控制系統具有重要作用，很多區域為了達到相應的照明條件，需要安裝大量的燈具系統，這些燈具的控制開關分布不均勻，給整體燈光控制帶來消極影響。目前，大部分家庭使用的家庭燈光控制系統都是有線系統，雖然這些系統的結構相對較為簡單，但是布線的難度相對較大，而且不容易改動，如果后續需要進行設備的增減，則其接線過程的復雜度和能耗度都較高，甚至存在工期長、移動困難等缺點。在無線通信技術不斷發展的背景下，燈光控制技術也變得越發簡便，文章主要研究使用無線通信技術進行智能家居燈光控制系統的設計以及安裝[1]。

1 整體方案

目前燈光控制系統存在的問題相對較多，例如，需要增加照明類型的數量不斷上升，關于如何進行布局的規劃以及布線的規劃，甚至是人力物力和成本的規劃，都需要花費更多的時間和精力。為了有效避免有線傳輸的缺點，文章提出無線通信傳輸方法。終端節點、控制中心和移動終端是整個系統的重要組成部分。終端節點包括燈光亮度調節的驅動器，以及能夠從控制中心進行命令接收的無線通信電路。控制中心主要包括鍵盤電路與終端節點往來交互的無線通信，以及移動終端網絡交互的藍牙通信系統，可以通過移動終端的App發送指令，保證控制中心在獲取信息和指令后快速進行下一個環節的操作，而且可以以藍牙為基礎進行指令和數據的接收，再通過無線通信傳輸到終端節點，從而利用手機進行燈光的控制和調節。此外，控制中心還可以使用按鍵調控的方式，控制某一個房間的燈光。

2 終端節點的設計與實現

終端節點設計分為終端節點硬件電路設計與終端節點程序設計兩方面的內容。終端節點的電路設計系統以及組件復雜度相對較高，包括單片機最小系統、燈光控制電路系統。同時，無線通信電路的運行效率直接影響整個系統的運行效果。其中，單片機具有重要作用，對整個系統的工作起到指揮作用，單片機可以選擇具有低功耗特點的元器件。燈光作為設計中的主要控制對象，設計中選用了LED為控制中心執行控制的作用機制。系統只需提供寬和窄的數字脈沖,就可以有效調節LED的亮度，同時可以保證系統的白光質量相對較高，具有效率高、應用簡單等優點。控制中心與終端節點的無線通信選擇工作在2.4 GHz射頻的nRF24L01，具有體積小、功耗低的特點，與Wi-Fi技術相比，其傳輸距離更遠但傳輸的數據量在低功耗模式和空閑模式時卻比Wi-Fi更小，這樣在設計上更容易做到節能。

從終端節點程序設計的角度分析，需要以nRF24L01初始化作為基礎在初始化定時器的基礎上進行輸出電路的模擬工作，定初值為100，同時開展數據的讀取以及分析工作，使其進入緩沖區。判斷緩沖期是否具有數據和信息，如果區域內具有大量的數據和信息，則需要進行系統分析工作，解析指令修改相關的比例，在LED具有閃爍信號的情況下，說明系統已經修改成功。如果區域內沒有數據，則需要重新進入系統，進行數據的等待接收和處理[2]。

3 控制中心的設計與實現

3.1 硬件電路設計

在控制中心中，除了單片機最小系統核心元器件，還包括無線通信部分、藍牙部分和鍵盤電路部分的內容，其中無線通信部分仍然選擇nRF24L01。一般情況下藍牙的數據傳輸距離都控制在10 m之內，可以支持點對點的連接，也可以支持點對多通信的連接，從而保證手機和其他移動終端可以進入無線數據通信的數據傳輸系統中，以更好進行數據通信分析。與其他系統相比，藍牙系統的穩定性相對較高，可以將其作為替代數據電纜長距離無線通信技術的主要工具和載體，該方案主要使用藍牙系統進行移動終端數據的接收工作。鍵盤電路用來使用戶直接控制燈的開關和亮暗。單擊為開或者關，長按為調節亮暗模式。

3.2 程序設計

控制中心主要包括鍵盤、藍牙、nRF24L01，對其進行設計可以保證移動終端和終端節點的通信目的得到實現。在此過程中，需要先對串口和nRF24L01進行初始化，然后掃描按鍵,判斷是否有數據，以及數據和信息屬于哪種類型的操作指令。如果數據屬于短按數據，說明對燈的開關進行控制；如果屬于長按數據，則說明是對燈的亮度進行控制。控制中心程序流程如圖1所示。如果按鍵中沒有數據，則需要等待藍牙移動終端的數據傳輸是否到達，然后再次判斷是否有數據信息。在獲取到數據信息的指令后，立即開展相應的修改工作，如果沒有數據信息，則需要重新進入接收狀態[3]。

圖1 控制中心程序流程圖

4 移動終端設計

移動終端部分包括初始界面設計和控制界面設計兩個方面。

4.1 初始界面設計

初始界面設計主要是以移動終端連接以及佩戴藍牙設備作為基礎。在此過程中，需要先初始化鏡面，配置參數，并對藍牙進行初始化，再開展全線的檢查工作，最終判斷Android版本是否在6.0以上。在完成以上操作后讀取系統和藍牙配對的數據，通過點擊刷新的方式，不斷地更新數據，直至系統中出現可以操作的配對選項，再點擊跳轉到控制頁面中，從而對燈光進行有效控制。

4.2 控制界面設計

控制界面中具有4個滑動條的數據，每個滑動條的數據可以對一盞燈進行控制，如果滑動數據為0%，說明開關裝置屬于關閉狀態；100%則為最亮。系統在接收到界面滑動數據和信息后，第一時間應該判斷數據是否真實有效，在數據真實有效的情況下，可以將轉換數據設置到占空比狀態，再按照數據的比例進行系統的調節工作，最后向藍牙板塊發送控制信息。

5 軟件設計

系統軟件設計主要包括以下六個方面：第一，將單片機的系統始終進行初始化；第二，將初始化IO端口與初始化LED硬件接口進行連接；第三，將初始化定時器和串行端口連接，通過設置定時器的計數頻率以及計數值，甚至是串行端口波特率的方式，保證系統進入穩定運行的狀態；第四，將單片機通過串口進行初始化后，保證系統可以進入正常運行模式，并且允許連接開展端口號的創建工作；第五，對無線傳輸窗口進行實時監測，判斷是否接收到數據，如果已經接收到數據需要進行數據的解析處理，如果沒有接收到數據，則需要繼續進行監測；第六，對無線傳輸數據進行解析以及處理，并且根據解析得到的數據進行數值的控制設計，從而調節LED燈的開關亮度。

6 結束語

目前，我國智能家居燈光控制系統的研究仍然處于初步階段，規模相對較小，而且應用范圍無法得到快速拓寬，但是相信在未來一段時間內，智能家居燈光控制系統將會廣泛應用在普通家庭場所中。文章對目前廣泛應用的無線通信技術以及智能家居的概念進行了簡單描述，并且研究開發了一種以無線通信技術作為基礎的燈光控制系統。該系統在運行期間，可以通過將各種指令傳輸到前端燈光設備的控制中心，對這些數據及信息進行綜合分析，可實現燈光多樣化控制，甚至可以避免燈光控制系統的布線問題。