李春雨，孫憲坤，陳濤

（1.上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海201600；2.上海匡泰信息科技有限公司）

引 言

隨著科技的發(fā)展，人們對住所的需求已不僅僅滿足于居室的布局、外觀及周邊環(huán)境，美國哈里斯民意測驗調(diào)查所調(diào)查結(jié)果顯示，兩千多名美國成年受訪者中有52%認為擁有智能家居比較重要[1]。智能家居是在現(xiàn)有住宅基礎(chǔ)上，運用網(wǎng)絡(luò)通信、自動控制等技術(shù)將家用設(shè)施集成，以構(gòu)筑安全、舒適、環(huán)保、智能的居住環(huán)境。

燈光控制是智能家居系統(tǒng)的重要組成部分，對于智能家居燈光控制系統(tǒng)的研究，近幾年國內(nèi)外出現(xiàn)了很多研究成果[2-5]。周曉偉等[2]提出了利用PC機與ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點相連組成系統(tǒng)基站，在數(shù)十米 范圍內(nèi)近距離控制樓宇照明模式，以起到節(jié)約電能作用。蔣小洛等[3]提出了在嵌入式設(shè)備中內(nèi)置Web服務(wù)器，無論身在何地，都可以通過Web瀏覽器頁面上的按鈕遠程控制燈光亮滅。丁飛等[4]所設(shè)計的家庭控制系統(tǒng)，支持通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送短信遠程控制燈光亮滅。Cheong Ghil.Kim 等[5]設(shè)計了一套基于OpenWrt操作系統(tǒng)，利用智能手機通過因特網(wǎng)遠程調(diào)節(jié)LED燈光亮度的照明模擬系統(tǒng)。

上述設(shè)計者在燈光控制方面做出了重要貢獻，但他們共同的局限在于沒有考慮如何將燈光的亮滅狀態(tài)實時顯示在控制界面上，缺乏操作交互性，也沒有考慮在燈光數(shù)量較多情況下如何確保燈光控制的穩(wěn)定性。

本文所開發(fā)的智能家居燈光控制系統(tǒng)采用智能移動設(shè)備安裝APP控制軟件，點擊APP界面上燈泡圖標，智能移動設(shè)備發(fā)出控制指令，經(jīng)云服務(wù)器和系統(tǒng)主機被轉(zhuǎn)發(fā)到燈控終端，從而遠程控制家中燈光亮滅。

由于ZigBee通信是雙向無線通信技術(shù)[6]，使得每一步燈光控制操作都可以將當(dāng)前燈光的亮滅狀態(tài)反饋到APP界面上。同時利用ZigBee通信自組網(wǎng)特性，讓多個燈控終端組成網(wǎng)狀網(wǎng)，這使得只要有一個燈控終端接收到控制指令，該指令便會被轉(zhuǎn)發(fā)到目的燈控終端，明顯增強了控制穩(wěn)定性。

1 智能家居燈光控制系統(tǒng)

本文開發(fā)的智能家居燈光控制系統(tǒng)主要由智能移動設(shè)備、云服務(wù)器、系統(tǒng)主機、家庭局域網(wǎng)、燈光控制終端等部分組成，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 燈光控制系統(tǒng)原理圖

1.1 智能移動設(shè)備

智能移動設(shè)備（以下簡稱設(shè)備）包括智能手機、平板電腦等可以安裝Android或iOS操作系統(tǒng)的移動設(shè)備。在設(shè)備上安裝智能家居APP軟件，打開軟件后設(shè)備自動通過WiFi或2G/3G移動網(wǎng)絡(luò)登陸云服務(wù)器，輸入包含主機信息的密碼，實現(xiàn)與對應(yīng)主機網(wǎng)絡(luò)連接。點擊APP界面上的燈泡圖標，用戶的操作指令將被發(fā)送到云服務(wù)器，操作完成后設(shè)備會收到包含當(dāng)前燈光狀態(tài)的反饋信息，燈光狀態(tài)便顯示在APP界面上。

1.2 云服務(wù)器

云服務(wù)器是連接智能移動設(shè)備和系統(tǒng)主機的橋梁。通過租用第三方大型云計算服務(wù)，編寫云計算程序在“云”端運行實現(xiàn)。

云服務(wù)器具有巨大的存儲容量，可以存儲海量系統(tǒng)主機信息，開發(fā)人員通過云服務(wù)器集中管理各個系統(tǒng)主機的掛載燈控終端數(shù)量、登陸密碼設(shè)置等項目。

1.3 系統(tǒng)主機

系統(tǒng)主機是智能家居燈光控制系統(tǒng)的中樞，其全球唯一的MAC地址存于云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，使得智能移動設(shè)備可以通過連接云服務(wù)器輸入指定密碼與對應(yīng)主機通信。

在智能家居燈光控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)主機負責(zé)將云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)來的控制指令通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到燈控終端。

1.4 家庭局域網(wǎng)

家庭局域網(wǎng)（Home-Area Network，HAN）是智能家居燈光控制系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，它負責(zé)將系統(tǒng)主機與各個燈控終端組網(wǎng)通信。本系統(tǒng)采用CC2530芯片構(gòu)建ZigBee家庭局域網(wǎng)。

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議。它是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，工作頻段主要集中在2.4～2.5 GHz，具有使用方便、工作可靠、價格低廉、雙向通信等特點。

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)可以組成星形、樹形、孔形等多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)[6]，網(wǎng)絡(luò)包含協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點三部分。協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起組織、網(wǎng)絡(luò)維護和管理功能，一個網(wǎng)絡(luò)只有一個協(xié)調(diào)器，在本系統(tǒng)中它嵌入系統(tǒng)主機內(nèi)；路由器負責(zé)數(shù)據(jù)的路由中繼轉(zhuǎn)發(fā)；終端節(jié)點只負責(zé)本節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，本系統(tǒng)中它嵌入燈控終端內(nèi)。

1.5 燈光控制終端

燈光控制終端是整個智能家居燈光控制系統(tǒng)的最終執(zhí)行設(shè)備。它通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)接收系統(tǒng)主機發(fā)來的控制指令，根據(jù)指令驅(qū)動繼電器，控制燈泡的通斷電實現(xiàn)燈光亮滅。每條指令執(zhí)行后都會反饋一個數(shù)據(jù)包給系統(tǒng)主機，上報當(dāng)前燈光亮滅狀態(tài)。系統(tǒng)主機再通過云服務(wù)器將此狀態(tài)反饋到智能移動設(shè)備上顯示。

2 ZigBee通信協(xié)議設(shè)計

智能移動設(shè)備發(fā)出的控制命令經(jīng)云服務(wù)器傳輸?shù)较到y(tǒng)主機后，系統(tǒng)主機通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將該信號轉(zhuǎn)發(fā)到燈控終端，該控制命令幀格式如下所示：

幀長度 指令編號 源地址 目的地址 控制命令1字節(jié) 1字節(jié) 2字節(jié) 2字節(jié) 1字節(jié)

燈控終端根據(jù)控制命令完成相應(yīng)操作后反饋一個包含當(dāng)前燈光狀態(tài)的數(shù)據(jù)包到主機，主機再將反饋數(shù)據(jù)包經(jīng)云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)到智能移動設(shè)備，智能移動設(shè)備根據(jù)反饋信息顯示當(dāng)前燈光狀態(tài)。燈控終端反饋數(shù)據(jù)包幀格式如下所示：

注：因ZigBee通信可掛載65 535個節(jié)點，故源地址和目的地址均采用兩個字節(jié)表示。

根據(jù)以上通信協(xié)議實現(xiàn)的燈光控制效果如圖2所示。

圖2 燈光控制效果圖

3 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

本系統(tǒng)測試采用系統(tǒng)主機內(nèi)的協(xié)調(diào)器與電腦USB口連接，利用串口軟件循環(huán)發(fā)送開燈、關(guān)燈命令到燈控終端實現(xiàn)。由于燈控終端每接收執(zhí)行一條控制命令后都會反饋一個包含當(dāng)前燈光狀態(tài)的數(shù)據(jù)包，只有協(xié)調(diào)器成功接收到此反饋數(shù)據(jù)包才視為此次通信成功。采用收包概率（Packet Reception Rate，PRR）來度量通信質(zhì)量的好壞[7]。通信收包率可用如下公式計算：

CC2530芯片單次發(fā)送數(shù)據(jù)包個數(shù)設(shè)置為1000個，經(jīng)預(yù)測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)送速度大于6個/s時，燈控終端無法及時處理接收到的控制命令，為了給實際測試留有余量，數(shù)據(jù)包發(fā)送速度設(shè)置為2個/s[8]。本次測試在無遮擋環(huán)境中進行，距離分別設(shè)置為10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m。測試數(shù)據(jù)如圖3、圖4所示。

圖3 單節(jié)點距離測試數(shù)據(jù)

圖4 節(jié)點距離測試結(jié)果對比圖

通過以上實驗數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論：

①在節(jié)點數(shù)不變的情況下，隨著通信距離的增大，通信收包率不斷降低。

②在相同距離情況下，增加終端節(jié)點個數(shù)可以有效增大通信收包率。這是由于ZigBee通信具有自組網(wǎng)特性，本實驗中設(shè)置為自組成網(wǎng)狀網(wǎng)，此種拓撲結(jié)構(gòu)下每一節(jié)點都保留有其他節(jié)點的通信路徑，可以同時通過多條通信路徑傳輸數(shù)據(jù)[7]，只要有一個節(jié)點接收到數(shù)據(jù)，該節(jié)點便會將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給指定目的節(jié)點，可以極大增強數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

在后續(xù)不斷增加燈控終端節(jié)點數(shù)達100個的情況下，實驗數(shù)據(jù)依然符合上述實驗結(jié)果分析。由于本系統(tǒng)主要應(yīng)用于家庭燈光控制，只要家庭安裝5個以上燈控終端節(jié)點，在25 m范圍內(nèi)通信收包率都能控制在99%以上，在設(shè)計程序時將每條控制命令連續(xù)發(fā)送2次，完全可以實現(xiàn)穩(wěn)定的燈光控制。遇到墻壁遮擋的情況，可增加中繼模塊，將控制命令多跳轉(zhuǎn)發(fā)，也就相當(dāng)于縮短了系統(tǒng)主機與燈控終端的通信距離，同樣可以保證通信的穩(wěn)定性。

結(jié) 語

本文開發(fā)了一套智能家居燈光控制系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)各個組成部分的作用，實現(xiàn)了利用智能移動設(shè)備遠程控制和查看家中燈光亮滅的功能，讓用戶可以身處異地也能遠程關(guān)閉電燈以節(jié)約電能或外出一鍵關(guān)閉家中所有燈光，回家路上提前打開家中燈光等。對系統(tǒng)ZigBee通信自組網(wǎng)特性作了測試，分析了提高系統(tǒng)通信穩(wěn)定性的解決方法。

下一步研究方向主要是實現(xiàn)燈光亮度和色彩調(diào)節(jié)，讓用戶可以設(shè)定不同的情景模式，以提高生活的舒適性。

[1]安珀.一圖看懂智能家居在美國的地位 [EB/OL].[2015-04].http：//www.199it.com/archives/273852.html.

[2]周曉偉，蔡建平，鄭增威，等.基于ZigBee傳感網(wǎng)的樓宇智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與科學(xué)，2009，31（8）：150-152.

[3]蔣小洛，胡大可.智能家居系統(tǒng)中的遠程燈光控制[J].中國照明電器，2005（12）：18-20.

[4]Ding Fei，Song Guangming，Li Jianqing，et al.Home control system based on ZigBee wireless sensor networks[J].Journal of Southeast University（English Edition），2008，24（4）：420-423.

[5]Cheong Ghil Kim，Kuinam J Kim.Implementation of a cost-effective home lighting control system on embedded Linux with OpenWrt[J].Pers Ubiquitous Comput，2014（18）：535-542.

[6]王東，張金榮，魏延，等.利用ZigBee技術(shù)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].重慶大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，29（8）：95-97.

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[8]張猛，房俊龍，韓雨.基于ZigBee和Internet的溫室群環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29（S1）：171-176.