基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)策略

李 婷

武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430000

0 引言

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信中不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的互聯(lián)，為信息的傳遞和共享提供了便利。隨著傳感器和設(shè)備技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域的設(shè)備互聯(lián)成為過去幾年的研究熱點(diǎn)，基于設(shè)備互聯(lián)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)能夠大幅度提高生產(chǎn)效率，為提升企業(yè)的核心競爭力提供良好的技術(shù)支持[1]。

隨著經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，人們對生活質(zhì)量的要求也不斷提高，對于居家生活的品質(zhì)有了更高的追求[2]。由此，智能家居的概念應(yīng)運(yùn)而生，與家庭適配的各類安防、通信設(shè)備和智能電器不斷涌現(xiàn)，為家庭安全防護(hù)、自動化家務(wù)、居家環(huán)境的改善等帶來了良好的效果。但在各類電器的集中管理、遠(yuǎn)程遙控、成本降低等方面，智能家居設(shè)備的應(yīng)用較少。隨著物聯(lián)網(wǎng)及智能家居技術(shù)的不斷發(fā)展，在需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及運(yùn)轉(zhuǎn)效率等方面仍然存在許多問題，這些是智能家居發(fā)展的瓶頸問題，尤其在照明方面，問題更加突出[3]。如何將各類智能設(shè)備互聯(lián)，為使用者提供全方位一體化的智能化服務(wù)是當(dāng)今家居生活追求的終極目標(biāo)[4]。在此背景下，文章對基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)策略進(jìn)行了研究。

1 智能照明和傳統(tǒng)照明的區(qū)別及常用控制協(xié)議

1.1 區(qū)別

隨著照明技術(shù)的不斷發(fā)展，照明系統(tǒng)已經(jīng)由傳統(tǒng)照明逐步向智能照明發(fā)展。智能照明和傳統(tǒng)照明相比優(yōu)勢較大，主要體現(xiàn)在如下方面。

（1）控制方式，智能照明采用手動或者自動控制的方式，也能夠控制多路電路，而傳統(tǒng)照明只能采用手動開關(guān)方式，并且只可進(jìn)行單路或者雙路控制[5]。

（2）照明效果，智能照明具有光的亮度調(diào)整模塊，可以根據(jù)周圍環(huán)境營造不同的燈光效果，而傳統(tǒng)照明的方式比較單一，只有燈的開合和關(guān)閉。

（3）管理方式，智能照明能夠借助網(wǎng)絡(luò)或者電腦進(jìn)行自動化管理，而傳統(tǒng)照明只能以人為主進(jìn)行管理。

（4）安全方面，智能照明可以采用弱電驅(qū)動燈具的方式，不會對人體產(chǎn)生危害，而傳統(tǒng)照明只能采用強(qiáng)電控制，存在較大的安全隱患。

（5）節(jié)能方面，智能照明方式下，節(jié)能燈具對于光能的轉(zhuǎn)化率正在不斷提升，而傳統(tǒng)照明方式對于燈具或者光能的轉(zhuǎn)化效率較低。

總之，智能照明在照明方式上有了巨大的變革，相比于傳統(tǒng)照明方式優(yōu)勢明顯。

1.2 控制協(xié)議

智能照明的控制方式有多種，其中常用的控制方式有下列5種。

（1）CEBus，此協(xié)議是一種相對比較成熟的協(xié)議，可以支撐雙絞線、電纜等傳輸方式，其優(yōu)勢是后期的改造和維護(hù)方便，能夠最大化地利用家中的布線系統(tǒng)。

（2）Lonworks協(xié)議，此協(xié)議問世于20世紀(jì)80年代，其優(yōu)勢是在對傳感器等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控的過程中具有高可靠性。

（3）DMX-512協(xié)議，此協(xié)議由美國制定，其優(yōu)勢在于可以支持多路控制，適用于大型樓宇和劇場等各類大型場所燈光的控制。

（4）DyNet，此協(xié)議由邦奇公司制定，是一款面向分布式照明的控制系統(tǒng)，在此協(xié)議下其節(jié)點(diǎn)可以達(dá)到4 000個(gè)以上，支持復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的布局要求。

（5）DALI協(xié)議，這是一款面向數(shù)字化的協(xié)議，具有可尋址的調(diào)光接口，其優(yōu)勢是可以實(shí)現(xiàn)對整個(gè)控制系統(tǒng)內(nèi)單個(gè)光源的獨(dú)立控制，因此基于此協(xié)議的照明方案，個(gè)性化色彩比較強(qiáng)。

2 智能家居照明系統(tǒng)的構(gòu)成和基礎(chǔ)功能

2.1 照明系統(tǒng)的基本構(gòu)成

（1）感知層。感知層是指整個(gè)控制系統(tǒng)以傳感器為感知觸角，實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)和人體基本情況參數(shù)的采集。其中，環(huán)境數(shù)據(jù)主要包括室內(nèi)部光照、溫度和是否有物體接近三方面的數(shù)據(jù)，人體數(shù)據(jù)主要包括人體的心率、面部表情信息。如今，對于人體面部表情信息的采集還未實(shí)現(xiàn)，主要實(shí)現(xiàn)了對人體心率數(shù)據(jù)的采集。

（2）傳輸層。傳輸層是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，在照明系統(tǒng)內(nèi)部，其傳輸層主要是考慮采用哪種協(xié)議和通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)所感知數(shù)據(jù)由感知層向應(yīng)用層的傳輸。

（3）應(yīng)用層。照明系統(tǒng)是智能家居系統(tǒng)中的主要組成部分，照明系統(tǒng)主要以燈具的開閉狀態(tài)和展示顏色等控制為工作核心。照明系統(tǒng)中，家庭照明系統(tǒng)中各個(gè)傳感器和控制單元會借助一定的方式實(shí)現(xiàn)與主控制器的連接，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)單元之間的數(shù)據(jù)互通和控制。該系統(tǒng)能夠擴(kuò)展到外部網(wǎng)絡(luò)中，并將其中的各類數(shù)據(jù)及人體的基本參數(shù)上傳至互聯(lián)網(wǎng)，使用人員可用手機(jī)或者計(jì)算機(jī)等設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問。

2.2 照明系統(tǒng)的功能組成

（1）照明。照明是照明系統(tǒng)最主要的功能，也是照明系統(tǒng)中必須具備的基本功能。在不同的照明場所中，對于照明的需求不同。隨著人們對光照舒適度要求以及節(jié)能要求的不斷提高，近年來對于照明提出了新的要求，照明應(yīng)該根據(jù)室外的環(huán)境變化進(jìn)行動態(tài)的調(diào)整。對照明強(qiáng)度進(jìn)行動態(tài)變化的調(diào)整，為用戶提供舒適的工作和生活環(huán)境是未來照明系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。

（2）節(jié)能。隨著能源的不斷被消耗，可持續(xù)發(fā)展的理念被提出。能源已經(jīng)成為當(dāng)今世界謀求發(fā)展過程中必須解決的問題。在家庭和工作環(huán)境中，能源的消耗占比較大，節(jié)能是智能照明系統(tǒng)中必須解決的問題。

（3）氛圍控制和情緒調(diào)節(jié)功能。隨著照明技術(shù)的不斷發(fā)展，通過照明技術(shù)可以影響家庭成員的情緒以及環(huán)境氛圍。在一天的不同時(shí)段，家庭成員對于照明強(qiáng)度的要求是不同的，因此通過傳感器技術(shù)以及無線通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對燈光照射強(qiáng)度的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對人體生理情緒的調(diào)整。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居照明系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能化控制系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的骨架，軟件系統(tǒng)是系統(tǒng)的靈魂。在硬件照明系統(tǒng)中，主控制部分電路將串口通信和ZigBee模塊以及藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)連接。其中，ZigBee模塊是感知室內(nèi)各類數(shù)據(jù)的核心媒介，主要實(shí)現(xiàn)傳感器所采集數(shù)據(jù)的感知和傳輸。在控制系統(tǒng)內(nèi)部，被控制的設(shè)備為燈光的控制器，包含主照明燈和背景燈的控制。隨著系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，在ZigBee模塊中可以存儲的節(jié)點(diǎn)數(shù)量是不斷增加的。藍(lán)牙作為重要的通信手段，可以將傳感器所采集的各類數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)端，方便數(shù)據(jù)的監(jiān)控和管理。

一般而言，智能照明控制系統(tǒng)的硬件部分主要包含主控中心電路設(shè)計(jì)、傳感器電路設(shè)計(jì)、燈光控制模塊設(shè)計(jì)和無線通信的電路設(shè)計(jì)。傳感器電路設(shè)計(jì)包含溫度、光照和心率傳感器的電路設(shè)計(jì)；燈光控制模塊設(shè)計(jì)主要是指主照明燈控制電路和背景燈控制電路設(shè)計(jì)；無線通信電路設(shè)計(jì)主要包含ZigBee傳輸模塊和藍(lán)牙傳輸模塊的電路設(shè)計(jì)。如圖1所示，以傳感器設(shè)計(jì)中的光敏傳感器電路設(shè)計(jì)為例，電路中光敏電阻和滑動電阻組成一個(gè)分壓式電路，因?yàn)楣饷綦娮枳柚凳请S著光照強(qiáng)度的變化而變化的，所以ADC0口的電壓值也在0～3.3 V浮動變化。在此情況下，CC2530微處理器可以對端口的電壓進(jìn)行處理，由此推算當(dāng)前的光照強(qiáng)度，并使用ZigBee模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至Sink節(jié)點(diǎn)中。

圖1 光敏傳感器設(shè)計(jì)電路

4 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居照明系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 主控制的軟件設(shè)計(jì)

通信和控制是主控制軟件的核心功能，在通信方面主要是使用ZigBee協(xié)議和藍(lán)牙通信協(xié)議向移動終端等發(fā)送傳感器采集的各類數(shù)據(jù)。在燈光的控制方面，主要包括背景和主燈具的控制。在主控制器運(yùn)行階段，需要設(shè)置系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)鐘，主要包括對主控和外設(shè)的時(shí)鐘來源的設(shè)置。此外，還需要對I/O、其他通信模塊完成初始化。在完成初始化工作后，需要對外圍電路的設(shè)備進(jìn)行初始化操作，隨后主控制器的程序進(jìn)入主程序，次程序主要進(jìn)行主控制平臺和外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。

4.2 傳感器的軟件設(shè)計(jì)

在眾多傳感器中，除心率傳感器外均可通過直接進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。心率傳感器設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。根據(jù)人體心率正常范圍，在對心率傳感器進(jìn)行頻率設(shè)置時(shí)一般擴(kuò)大至人體正常頻率的5～10倍，為提升其準(zhǔn)確度，將心率的采集頻率設(shè)置為10 Hz，并且采樣周期設(shè)置為100 ms。首先通過傳感器采集模擬信號，然后讀取模擬信號并形成一組三元素的移動窗口數(shù)組，利用三點(diǎn)極值法計(jì)算出全部峰值。去除異常峰值后，將正常峰值存入數(shù)據(jù)庫。計(jì)算兩個(gè)峰值之間的時(shí)間間隔，將其放入一維數(shù)組元素中，并采用冒泡排序法對其進(jìn)行排序。將1 min內(nèi)的脈搏次數(shù)作為最終的心率數(shù)值，數(shù)值更新的頻率為10 s/次。

4.3 照明燈具的軟件設(shè)計(jì)

照明燈具的軟件設(shè)計(jì)分為主照明和背景照明燈具的軟件設(shè)計(jì)。其中，主照明燈具的軟件設(shè)計(jì)包含兩個(gè)方面的主要內(nèi)容：開合的控制和亮度的控制。其詳細(xì)控制機(jī)理為，首先對人體的各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)基于傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，當(dāng)傳感器檢測到有人進(jìn)入燈具照射范圍時(shí)，便開啟主照明燈具。當(dāng)主照明燈具持續(xù)亮20 s以后，繼續(xù)讀取人體的紅外傳感數(shù)據(jù)，如果仍然檢測到人處于能被檢測到的范圍之內(nèi)，則持續(xù)保持主照明燈具的開啟；如果檢測不到人的信息，則立刻關(guān)閉主照明燈。當(dāng)主照明燈具處于開啟狀態(tài)時(shí)，光敏傳感器開始工作。光敏傳感器會對環(huán)境內(nèi)亮度情況進(jìn)行分析判斷，從而對主照明燈具的亮度進(jìn)行調(diào)整。

對背景燈的控制和主照明燈類似，包含對開合狀態(tài)的控制和對顏色的控制。背景燈開合狀態(tài)的控制機(jī)理和主照明燈的控制機(jī)理相同，同樣是根據(jù)對人體紅外數(shù)據(jù)的檢測，進(jìn)而判斷背景燈的開合。背景燈處于開啟狀態(tài)時(shí)，心率檢測傳感器會檢測人體的心率，當(dāng)人體的心率處于正常范圍內(nèi)且周圍溫度大于24 ℃時(shí)，可以將背景燈的顏色調(diào)整為青色；當(dāng)溫度小于24 ℃時(shí)，則調(diào)整為橙色。心率處于非正常狀態(tài)時(shí)，需要對其心率值進(jìn)行分析，心率大于或小于正常范圍時(shí)，分別將背景燈的顏色調(diào)整為淡藍(lán)色或番茄色。

5 結(jié)束語

隨著照明方式以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，照明技術(shù)由傳統(tǒng)照明向智能照明不斷發(fā)展。硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)是智能家居照明控制系統(tǒng)的核心。當(dāng)前，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居照明系統(tǒng)已經(jīng)在家庭中得到大范圍應(yīng)用，但是在智能家居照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，仍然存在創(chuàng)新性不足、人機(jī)交互設(shè)計(jì)界面不夠友好等問題。未來，智能家居系統(tǒng)應(yīng)該向人機(jī)交互界面優(yōu)化、智能化水平提升等方向發(fā)展。