基于Android的智能家居照明系統

吳 迪，徐衛林，覃玉良，楊少東，江國強

(桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林 541004)

基于Android的智能家居照明系統

吳 迪，徐衛林，覃玉良，楊少東，江國強

(桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林 541004)

針對人們對家居照明系統智能化控制的需求，提出了一種基于Android的解決方案。該方案采用自主研發的Android APP以調整LED發光顏色和亮度等特征參數，將其通過手機藍牙和ZigBee拓撲網絡發送到采用S3C44B0處理器和嵌入式ucLinux系統作為軟硬件平臺LED終端，利用三基色LED的PWM調節組成混合光源，實現了燈泡的顏色、亮度的變化。該系統經過測試運行穩定，實時性好，性價比高，滿足智能家居情景多變的照明需求。

智能家居；安卓；藍牙；ZigBee；照明系統

智能家居照明系統是未來物聯網和智慧城市發展的重要趨勢之一，這種照明系統要保證正常工作生活所需要的照明智能化、便攜化控制。快速發展的嵌入式系統、物聯網和智能手機為智能家居照明系統提出的個性化、美觀化、智能化和便攜控制的要求提供了新的機遇。

目前普遍使用的Android智能手機和平板電腦為智能家居照明系統提供了一個直觀快捷的控制，針對基于Android的智能家居照明，文獻[1]采用了WiFi作為無線通信方式，但是每個節點只能在WiFi信號覆蓋范圍內進行控制；文獻[2]采用GSM的方式進行家居照明系統的智能控制，由于GSM信號受限于當地的信道復雜度和基站分布密度，對于居家范圍的智能照明系統而言操作起來靈敏度、辨識度并不高，且只能通過網頁進行命令控制，無法實現控制的移動化。因此本設計采用了靈敏度高、成本低，Android手機和平板電腦基本都具備的藍牙作為和照明系統進行交互的通信模塊，創新性提出一種利用ZigBee拓撲網絡進行遠距離節點通信控制和識別的算法，從而實現控制節點覆蓋范圍極大增加，同時添加了控制燈的顏色變化的功能，可以根據心情為不同情景氛圍營造出不同的炫麗燈光效果，因此本設計方案不僅可用于家居智能照明，還可應用在奶茶店、咖啡廳、大型超市等烘托氛圍。

1 總體架構

本文設計的智能家居照明系統調節燈光顏色亮度的特征參數有兩種方式：其一為通過Android手機APP觸屏拖動RGB色條；其二為直接觸屏選擇設定色塊。該特征參數可利用藍牙實現10 m以內近場通信，利用ZigBee拓撲網絡實現100 m以上遠場通信遠場通信，最終由基于S3C44B0處理器的嵌入式ucLinux系統控制3路PWM合成目標光源，其系統框圖如圖1所示。

圖1 系統整體設計簡圖

智能家居照明系統的主要功能包括：Android手機APP調節功能，藍牙收發特征參數功能，ZigBee拓撲網絡功能，基于ucLinux的模式切換功能，PWM調節三基色混合光源功能。各個系統的功能詳細描述如下。

1)Android手機APP調節功能[3]：Android編程，通過觸屏拖動RGB色條，或者直接選擇設定好的色塊，來設定可調色參數。

2)藍牙收發特征參數功能[4]：近場通信時，通過藍牙收發系統將調色調亮特征參數從手機發送到下位機接收系統；遠場通信時，根據藍牙握手協議結果和下位機拓撲網絡選擇模塊判定是否切換為ZigBee處理。

3)ZigBee拓撲網絡：遠場通信時，切換為ZigBee通信模式進行特征參數處理，并根據握手協議返回結果，增加發射功率，擴大搜索半徑。

4)基于ucLinux的模式切換功能：嵌入式ucLinux系統通過分析藍牙握手協議結果，切換藍牙和ZigBee通信的進程塊，區分近遠場模式以接收并處理燈光特征參數。

5)PWM調節三基色混合光源功能：根據接收到的調色參數控制輸出的3路PWM，并由恒流源來最終驅動LED，根據RGB三基色原理合成目標色彩。

2 系統軟硬件設計

2.1 硬件電路設計

下位機控制主板采用的Samsung公司S3C44B0處理器是為手持設備或者其他通用設備而開發的低成本、高性能的16/32位RISC的嵌入式微處理器。片內集成了ARM 7TDMI內核[5-7]、2 Mbyte的Flash、8 Mbyte的SDRAM、帶PWM功能的5通道定時器，最高工作頻率可達66 MHz。通過通信串口總線連接藍牙模塊，通過UART連接ZigBee模塊。主板電路如圖2所示，其中恒流源采用PT4115構成的典型應用電路如圖3所示。采樣電阻計算如式(1)所示

IOUT=0.1/RS

(1)

式中：RS為采樣電阻；IOUT為輸出電流。

圖2 S3C44B0主板電路結構圖

圖3 恒流源電路設計

由于可調色遙控臺燈LED的最大輸出電流為0.6 A，算出采樣電阻的大小約為0.167 Ω，本設計就用了兩個0.33 Ω電阻并聯，這樣恒流源電路的輸出電流為0.606 A。電容和電感參數根據經驗值和測試迭代如表1所示。通過在DIM管腳加入可變占空比的PWM信號調節輸出電流以實現調光，LED的最大平均電流由采樣電阻的阻值決定的，其中占空比控制輸出電流如式(2)所示

IOUT=(0.1×D)/RS

(2)

式中：D為PWM占空比。

表1 最大輸出電流為0.6 A時電阻、電容、電感參數

R1R2R3C1L10 33Ω0 33Ω10kΩ100μF47μH

2.2 系統軟件設計

2.2.1 ZigBee拓撲選擇程序

如圖4所示，下位機拓撲網絡選擇模塊可以根據藍牙通信應答是否為“0101”來判斷是否握手成功，若照明節點距離太遠，藍牙通信握手失敗，那么啟動ZigBee拓撲網絡并進行節點初始化，若ZigBee通信應答為“1010”則通信握手成功，此時ZigBee模塊發送上位機通信指令到該握手節點的下位機進行字符串處理。其中請求消息格式如圖5所示。

圖4 下位機拓撲網絡選擇模塊

二值參數設備節點碼模式應答碼搜索應答碼整形數組

圖5 請求信息格式

圖5中各個域的含義如下：

1)二值參數為“1”代表打開設備節點，為“0”代表關閉設備節點。

2)設備節點碼代表當前控制的LED終端，設備節點碼的位數N控制可擴展的節點數為2N-1。

3)模式應答碼以檢測通信模式，若為“0101”則為藍牙通信模式，若為“1010”則為ZigBee通信模式。

4)搜索應答碼的含義是當模式應答為ZigBee時，通過4位二進制檔位調節ZigBee功率，以調整搜索節點半徑。

5)整形數組代表RGB參數確認符“&”，對應的顏色屬性“red”、“blue”、“green”以及每個基色變化范圍0～255。

2.2.2 下位機字符串處理程序

如圖6所示，下位機與Android上位機的通信協議是字符串處理，Android上位機發送字符串，這個字符串要包含關鍵字符串“red”、“blue”、“green”、“enable”還要有數字，數字必須放在字符串的開頭。Android上位機發送數據，單片機接收字符串數據后，做字符串處理，首先把接收數據轉化為字符放到字符串中，要是接收到“&”，則把字符串中數據拆分為字符到數組中，然后進行字符串查找，啟動對應的通道。先查找有效的字符串，如果在數組中找到對應的字符，就進行對應通道的查找，如果沒有就返回，等待接收下一個數據。查找到對應的通道后，就把數組轉化為整形，把數值賦給analogWrite(pin，value)的value，發出對應的value占空比PWM波信號，控制對應的LED驅動電路實現LED的調光。

2.2.3 上位機軟件設計

如圖7所示，本智能家居照明系統的Android端APP設計開發工具為Eclipse集成開發環境。使用Bluetooth Adapter類實現打開藍牙、連接設備、關閉藍牙、藍牙狀態、搜索藍牙等功能。利用Bluetooth Socket和Bluetooth Server Socket兩個類來監聽3個Seek bar拖動條對應的RGB參數，或12個Button組成的色盤快捷選擇的可調光顏色。一旦RGB發生數值變動，就將改動后的數據以符合通信協議的格式通過藍牙進行發送。

圖7 上位機Android APP 調光界面(截圖)

3 燈光效果驗證

3.1 測試輸出電流

RGB發光的原理，是通過對紅(R)、綠(G)、藍(B)3個顏色通道的疊加，來得到各式各樣的顏色。將紅、綠、藍三顏色通道每種色各分為255階亮度，3色都為255時為最亮的白色，都為0時為黑色，因此具有255的3次方，即1 600余萬色可調節。在測試中使用觸屏拖動RGB色條，如圖7所示，并把萬用表作為電流源串聯到電路中，用手機遙控單片機發生不同占空比的PWM信號，觀察萬用表端電流值并記錄，為恒流源電路輸出電流的測試結果如圖8所示。結果顯示，當負載從5 Ω遞增變化到20 Ω時單路PWM百分比對應的輸出電流略微增加，最大電流滿足設計容限0.7 A。而當單路PWM百分比從零遞增到百分之百時，輸出電流線性增加。且相比文獻[1]使用的WiFi方案，功耗顯著降低。

圖8 單路PWM百分比控制輸出電流

3.2 測試色彩區間和ZigBee拓撲效果

快捷選擇色盤來調節該燈光系統，能夠良好地調節輸出的色彩、亮度等參數，營造良好的環境、氛圍，實驗室環境下使用ZigBee雙節點進行拓撲，實現同時控制兩個LED終端的效果如圖9所示，其中節點LED2根據ZigBee拓撲選擇模塊的識別命令成功握手節點LED1，從而實現距離拓撲，兩燈同時被點亮控制，通過多個ZigBee節點進行拓撲后，控制范圍可實現上百米，近千米的拓展。

圖9 ZigBee雙節點拓撲測試

4 小結

本文研究了基于Android的智能家居照明系統，發現已有的WiFi控制系統覆蓋范圍小、功耗較高、無法根據情景需求進行燈光色彩多樣化調節、成本較高等缺點。由此展開了采用Android終端藍牙模塊和ZigBee拓撲網絡進行近遠距離通信的研究與設計。設計結果可根據覆蓋范圍需求配置多個ZigBee節點、降低功耗、而且能夠依據不同的情景氛圍進行 1 600 萬色彩調節，符合未來智慧城市和物聯網發展的趨勢，具有較高市場應用價值。

[1] 王永慧，樓平，羅友，等.基于Android的室內智能照明系統的設計[J].SILICON VALLEY，2013，138(18)：21-23.

[2] 曹夢龍，鄒云東.基于Internet和GSM的智能家居網關設計與實現[J].電視技術，2014，38(3)：73-92.

[3] 呂顯朋，劉彥隆，王相國.基于物聯網的智能家居系統設計[J].電視技術，2013，37(24)：43-48.

[4] 鄭魏，李智敏，駱德漢.智能家居無線網絡設計與實現[J].電視技術，2013，37(21)：56-59.

[5] 南春輝，李博，武穎.基于Web技術的嵌入式智能家居系統設計[J].電視技術，2013，37(3)：86-92.

[6] 白成林，馬珺.基于物聯網技術的智能路燈監控系統[J].電子技術應用，2014，40(3)：82-89.

[7] 崔陽，張維華，白云峰.一種基于Arduino的智能家居控制系統[J].電子技術應用，2014，40(4)：123-125.

吳 迪(1990— )，碩士生，主研嵌入式系統、數模混合集成電路設計；

徐衛林(1976— )，博士，碩士生導師，主研無線通信系統、通信集成電路設計；

覃玉良(1990— )，女，碩士生，主研嵌入式系統，通信用集成電路設計。

責任編輯：時 雯

Design of Intelligent Home Lighting Control System Based on Android

WU Di，XU Weilin，QIN Yuliang，YANG Shaodong，JIANG Guoqiang

(SchoolofInformationandCommunication，GuilinUniversityofElectronicTechnology，JiangxiGuilin541004，China)

In accordance with the requirement of intelligent home lighting control system， a solution based on android is proposed. In this paper， the Android application(APP) is developed to adjust the characteristic value of LED color and brightness. According to the distances，it could be sent to LED module by Bluetooth and ZigBee topology network based on the platform of S3C44B0 CPU and embedded ucLinux system.Hence，the color and brightness could be adjusted by the mixed light with 3 changeable PWM waves. Through the system performance testing，the results show the system runs stably with good real time and high quality，which would satisfy the diversity atfmosphere of home lighting systems.

intelligent home；Android；bluetooth；ZigBee；lighting system

國家自然科學基金項目( 61264001；61166004；61161003)；廣西自然科學基金項目(2013GXNSFAA019333)；研究生教育創新計劃資助項目(GDYCSZ201457)

TN919.5

A

10.16280/j.videoe.2015.18.003

2015-03-13

【本文獻信息】吳迪，徐衛林，覃玉良，等.基于Android的智能家居照明系統[J].電視技術,2015，39(18).