基于藍(lán)牙組網(wǎng)的燈光控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

張曉彬　張珣

摘 要：針對(duì)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(duì)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，提出了基于蟻群算法的改進(jìn)型路由協(xié)議構(gòu)建藍(lán)牙散射網(wǎng)，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了基于藍(lán)牙組網(wǎng)的燈光控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了燈光系統(tǒng)的隨心控制。

關(guān)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(hào)：TN876.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(gè)區(qū)域上，通過開關(guān)設(shè)備的閉合來實(shí)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(chǎng)合都很不方便，比如黑夜在房間開關(guān)燈就是件很費(fèi)力的事情。而在一些特殊場(chǎng)所，如教學(xué)樓、寫字樓等大規(guī)模燈控系統(tǒng)中，統(tǒng)一調(diào)度對(duì)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(dòng)下，我們正在尋求新的控制方式，而藍(lán)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(lán)牙是一種在全球范圍內(nèi)被采用的簡(jiǎn)單而又廣泛的無線短距離通信技術(shù)。在眾多藍(lán)牙技術(shù)優(yōu)越性的推動(dòng)下，現(xiàn)在，主流的日常設(shè)備都配有藍(lán)牙模塊，為藍(lán)牙技術(shù)下一階段的“無線連接，簡(jiǎn)易生活”的設(shè)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(diǎn)、控制器和終端組成，控制器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和對(duì)燈光節(jié)點(diǎn)的控制，其中包括開關(guān)狀態(tài)和調(diào)光，同時(shí)要保證燈光節(jié)點(diǎn)都加入網(wǎng)絡(luò)。終端主要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行智能控制，可采用Android客戶端軟件實(shí)現(xiàn)。

2 藍(lán)牙組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為微微網(wǎng)和散列網(wǎng)結(jié)構(gòu)[1]。微微網(wǎng)中有一個(gè)主設(shè)備和多個(gè)從設(shè)備，共同構(gòu)成藍(lán)牙通信系統(tǒng)的基本單元。一個(gè)微微網(wǎng)可以只是由兩臺(tái)相連的設(shè)備組成，例如兩部移動(dòng)電話相連，也可以是8臺(tái)連接在一起的設(shè)備。在同一個(gè)微微網(wǎng)中，所有的設(shè)備級(jí)別是相同的，具有同樣的權(quán)限。主設(shè)備主要負(fù)責(zé)提供時(shí)鐘同步信號(hào)和跳頻序列。

散射網(wǎng)的構(gòu)建要經(jīng)歷兩個(gè)階段[2]。在第一階段，每個(gè)設(shè)備都進(jìn)行鄰居節(jié)點(diǎn)搜索，通過查詢過程，查詢雙方經(jīng)握手獲得鄰居節(jié)點(diǎn)的藍(lán)牙地址和同步的相關(guān)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(luò)的所有節(jié)點(diǎn)都能獲取信息，每個(gè)設(shè)備都要隨機(jī)切換自己的狀態(tài)（根節(jié)點(diǎn)除外），并不停地在查詢狀態(tài)和查詢掃描轉(zhuǎn)換。

當(dāng)設(shè)備都搜集到一定的信息后，節(jié)點(diǎn)開始進(jìn)行組網(wǎng)。在這一過程中，由根節(jié)點(diǎn)開始出發(fā)，對(duì)查詢到的設(shè)備發(fā)起呼叫，建立ACL鏈路。當(dāng)某一設(shè)備處于休眠狀態(tài)時(shí)，開始對(duì)第一階段搜索到的所有節(jié)點(diǎn)發(fā)起呼叫，并重復(fù)根節(jié)點(diǎn)的過程。在組網(wǎng)過程中，被呼叫的設(shè)備只響應(yīng)最先呼叫的主設(shè)備，并成為其從設(shè)備加入微微網(wǎng)。散射網(wǎng)實(shí)際上就是多個(gè)微微網(wǎng)互連在一起構(gòu)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(shí)跳躍到同一頻道上，就不會(huì)產(chǎn)生干擾。連接微微網(wǎng)之間的節(jié)點(diǎn)角色稱作橋節(jié)點(diǎn)。橋節(jié)點(diǎn)通過不同時(shí)隙在不同微微網(wǎng)之間轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)跨微微網(wǎng)之間的資料傳輸，“波浪擴(kuò)張”式地將所有設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。

藍(lán)牙散射的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。在圖3給出的網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)中，1號(hào)節(jié)點(diǎn)作為橋節(jié)點(diǎn)，它既是微微網(wǎng)A的主節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也是微微網(wǎng)B的從節(jié)點(diǎn)；6號(hào)節(jié)點(diǎn)作為橋節(jié)點(diǎn)，既是微微網(wǎng)E的從節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也是微微網(wǎng)C的從節(jié)點(diǎn)，因此，節(jié)點(diǎn)5、6為從/從橋（S/S），節(jié)點(diǎn)1，2，4，7為主/從橋（M/S）。

2.2 基于改進(jìn)蟻群算法的路由協(xié)議

藍(lán)牙散射網(wǎng)組網(wǎng)方法一般可分為按需和主動(dòng)兩類[3]，主動(dòng)組網(wǎng)方式在組建網(wǎng)絡(luò)后保持網(wǎng)絡(luò)的連通，當(dāng)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化時(shí)主動(dòng)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(luò)，在需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)行組網(wǎng)和建立路由，其余時(shí)間節(jié)點(diǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)微微網(wǎng)空位以及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)備份機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)具有一定的健壯性，在組網(wǎng)的同時(shí)完成路由表的建立。

2.3 蟻群算法研究

蟻群算法源于對(duì)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(huì)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(yīng)性、自組織性，越來越多的被應(yīng)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(dòng)到位置j的概率計(jì)算公式為式（5）。其中，r為（0，1）上均勻分布的隨機(jī)數(shù)，p0∈（0，1），當(dāng)螞蟻從位置i，選擇路徑到達(dá)位置j時(shí)。選取一個(gè)隨機(jī)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(dá)目的節(jié)點(diǎn)后，會(huì)將其攜帶的信息存放至目的節(jié)點(diǎn)，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(jìn)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(píng)價(jià)值。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某一節(jié)點(diǎn)要和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，此節(jié)點(diǎn)作為源節(jié)點(diǎn)，查找路由表是否存在和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)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(qiáng)度，從源節(jié)點(diǎn)的鄰居列表中選擇路徑到達(dá)下一節(jié)點(diǎn)，并記錄所經(jīng)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載接納率、IP地址和路徑的時(shí)延。中間節(jié)點(diǎn)接受前向螞蟻后，根據(jù)本節(jié)點(diǎn)的負(fù)載情況判斷是否接納前向螞蟻，前向螞蟻選擇其他路徑請(qǐng)求接收，避免持續(xù)擁堵。如果中間節(jié)點(diǎn)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(fù)上述過程繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)下一節(jié)點(diǎn)。當(dāng)前向節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，首先目的節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。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(chǔ)之上，其經(jīng)過的路徑信息素值在增加，其他路徑在減少，當(dāng)?shù)竭_(dá)源節(jié)點(diǎn)后，后向螞蟻銷毀。過程結(jié)束[5]。

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

3 軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括主控模塊、藍(lán)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(shí)現(xiàn)。PWM調(diào)光的基本原理是保持LED 正向?qū)娏骱愣ǎㄟ^控制電流導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間比例，即改變輸入脈沖信號(hào)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(yīng)，當(dāng)LED 亮暗變化頻率大于120 Hz 時(shí)，人眼就不會(huì)感覺到閃爍，而看到的是LED 的平均亮度。PWM 調(diào)光的優(yōu)勢(shì)在于LED 正向?qū)ǖ碾娏魇呛愣ǖ?，LED 的色度就不會(huì)像模擬調(diào)光時(shí)產(chǎn)生變化。PWM信號(hào)由主控MCU產(chǎn)生R、G、B、W四路信號(hào)，采用高性能的PT4115恒流芯片驅(qū)動(dòng)，能將直流電壓直接轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的恒流輸出。

主控單元采用美國(guó)TI公司生產(chǎn)的CC2540芯片，適用于藍(lán)牙低功耗應(yīng)用，同時(shí)也作為藍(lán)牙傳輸?shù)暮诵牟糠?。CC2540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(jī)。CC2540使用單周期訪問SFR、DATA和主SRAM。當(dāng)CC2540處于空閑狀態(tài)模式時(shí)，任何終端都可以將其恢復(fù)到主動(dòng)模式。該芯片的8051不具有PWM模塊，但可以通過定時(shí)器和通用輸入輸出產(chǎn)生PWM信號(hào)。

整個(gè)系統(tǒng)初始化后，判斷該節(jié)點(diǎn)是否加入網(wǎng)絡(luò)，如果沒有加入網(wǎng)絡(luò)，則尋找相鄰節(jié)點(diǎn)并查找鏈路表加入網(wǎng)絡(luò)。在節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，等待中斷，并開始接收控制指令。整個(gè)控制分為開關(guān)控制和調(diào)光控制兩部分，并及時(shí)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(shè)計(jì)

3.2.1 客戶端整體設(shè)計(jì)

智能燈光控制軟件Android的客戶端控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括用戶界面UI、主程序軟件設(shè)計(jì)、藍(lán)牙通信、指令收發(fā)。Android應(yīng)用程序由一個(gè)或多個(gè)組件構(gòu)成，組件包括activities， services， content providers， broadcast receivers等，每個(gè)組件在程序中完成不同的任務(wù)，每個(gè)組件可以單獨(dú)被激活，或者由其他應(yīng)用程序激活。利用Android操作系統(tǒng)提供的各種資源對(duì)各個(gè)燈光節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編組自定義控制，用戶通過觸屏與系統(tǒng)進(jìn)行交互?？蛻舳说脑O(shè)計(jì)主要涉及用戶UI界面、Socket通信、線程和SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)與使用?？蛻舳肆鞒虉D如圖7所示[7]。

3.2.2 功能設(shè)計(jì)

在ActivityGroup中設(shè)計(jì)了“狀態(tài)”、“情景”、“自定義”、“更多”、“設(shè)置”五個(gè)子界面。在“狀態(tài)”列表可以看到所在網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)燈具的開關(guān)狀態(tài)，選擇任何一個(gè)燈具都可以進(jìn)行開關(guān)控制操作，進(jìn)入燈具詳情可以對(duì)燈光亮度和色彩進(jìn)行自定義設(shè)置；進(jìn)入“情景”列表可以設(shè)置不同的燈光效果情景，每一種情景包括燈光效果和開關(guān)時(shí)間的設(shè)定，進(jìn)入選擇的情景即可添加燈具到當(dāng)前情景；“自定義”模塊主要是對(duì)全部燈具自定義編組并自定義名稱，使燈具可以進(jìn)行分組控制；“更多”界面是針對(duì)用戶對(duì)客戶端的一些調(diào)節(jié)，比如背景設(shè)置、燈光設(shè)置方案推薦及展示、個(gè)人方案的分享；“設(shè)置”主要顯示當(dāng)前登錄用戶的個(gè)人信息，提供用戶的密碼修改和找回密碼等功能，同時(shí)還包含用戶自定義頭像的上傳?？蛻舳塑浖鐖D8所示，其中自定義設(shè)定了某一樓層各個(gè)房間的燈光控制效果，也可對(duì)整個(gè)局域進(jìn)行控制。

4 結(jié) 語

本文介紹了藍(lán)牙組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并提出了基于蟻群算法的路由協(xié)議。對(duì)蟻群算法進(jìn)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(diǎn)、從節(jié)點(diǎn)的角色分配與鏈路的建立；分析了藍(lán)牙組網(wǎng)通信過程，包括路由發(fā)現(xiàn)、路徑選擇，提高藍(lán)牙組網(wǎng)能力；基于藍(lán)牙組網(wǎng)設(shè)計(jì)了智能燈控系統(tǒng)，并通過手機(jī)終端實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光系統(tǒng)的智能控制。本系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用于家居照明環(huán)境，也可推廣應(yīng)用到餐廳、高校、展廳等照明場(chǎng)合。

參考文獻(xiàn)

[1]翟峰.藍(lán)牙通信模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].硅谷， 2011 （11）： 34.

[2] Chih-Min Y， Shao-Kai H， Yu-Chih C. Forming mesh topology for Bluetooth ad hoc networks[C]. Hsinchu，2013： 123-124.

[3]付彬，李仁發(fā)，肖雄仁.一種新的環(huán)型藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫纬蓞f(xié)議及仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)， 2006（3）： 633-637.

[4]張千里.基于蟻群的Mesh網(wǎng)絡(luò)路由算法模型的設(shè)計(jì)[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2012（17）： 28-29.

[5]樊銳，李茹，王績(jī)一.藍(lán)牙/ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2013（1）： 209-213.

[6] Chih-Min Y， Yin-Bin Y. Reconfigurable Algorithm for Bluetooth Sensor Networks[J]. Sensors Journal， IEEE， 2014， 14（10）： 3506-3507.

[7]周進(jìn)波，張磊，張敏，等.基于Android系統(tǒng)藍(lán)牙開發(fā)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].光學(xué)儀器， 2013（1）： 34-36.

[8]侯金鳳.多個(gè)藍(lán)牙微微網(wǎng)之間同頻干擾問題的研究[D].吉林：吉林大學(xué)， 2011： 79.