基于底層組網(wǎng)與云端互聯(lián)的高校智能照明控制系統(tǒng)

鄢秋榮, 陳 祺, 廖瑞祥, 李 炫, 王瀟玉, 胡文凱

(南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院, 南昌 330031)

基于底層組網(wǎng)與云端互聯(lián)的高校智能照明控制系統(tǒng)

鄢秋榮, 陳 祺, 廖瑞祥, 李 炫, 王瀟玉, 胡文凱

(南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院, 南昌 330031)

為了擺脫高校傳統(tǒng)機(jī)械式開關(guān)控制照明的方式，設(shè)計(jì)了一種基于底層組網(wǎng)與云端互聯(lián)相結(jié)合的高校智能照明控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)由嵌入式智能硬件控制平臺、燈具控制器和環(huán)境信息感知模塊組成，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)等智能終端與硬件控制平臺的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信，達(dá)到了利用手機(jī)等智能終端上的應(yīng)用程序?qū)淌疫M(jìn)行開、關(guān)燈以及感知教室環(huán)境狀態(tài)的控制效果。同時，管理用戶可通過應(yīng)用程序?qū)⒂布脚_設(shè)置成自動控制模式，由系統(tǒng)自主根據(jù)環(huán)境信息對燈進(jìn)行開、關(guān)設(shè)置。經(jīng)實(shí)時環(huán)境測試，已驗(yàn)證該照明系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性。

照明； 智能控制； 組網(wǎng)； 感知； 智能終端

0 引 言

科技進(jìn)步促進(jìn)了社會的發(fā)展，使我們的生活水平不斷提高。人們對生活各方面都提出了更高的要求，對于家電也不僅僅是實(shí)用，還應(yīng)邁向智能化、節(jié)能化[1]。眾所周知，照明與人類的生活息息相關(guān)，而其存在的意義也已超過了照明本身。優(yōu)質(zhì)的照明環(huán)境不僅為人們帶來優(yōu)質(zhì)的視覺體驗(yàn)，更能營造舒適的環(huán)境和氛圍，促進(jìn)人體身心健康。隨著社會的發(fā)展和進(jìn)步，大到整所城市、巨型購物商場、大型寫字樓，小到個體用戶，都體現(xiàn)出對優(yōu)質(zhì)照明愈來愈明顯的需求。與此同時，因?yàn)槌鞘械木薮蠡瑢φ彰鞯墓芾硪渤蔀橐淮箅y題，人們需要一種更便捷的管理方式來解決這一問題。當(dāng)今社會能源短缺日益突出，溫室效應(yīng)越發(fā)嚴(yán)重，而像高校這種用電大戶，在樓宇照明大部分處于粗獷管理模式，存在電能浪費(fèi)嚴(yán)重，無法合理配置資源等問題。然而智能照明控制系統(tǒng)節(jié)電率卻可達(dá)20%～40%。近年來高校不斷擴(kuò)張，用電需求量不斷加大，而教室用電因?yàn)閷W(xué)生自習(xí)的關(guān)系，長期不關(guān)燈，造成了大量電能浪費(fèi)[2-4]。在這一大背景下，本文提出了智能照明這一解決方案。

此方案依托于Android平臺以及stm32控制芯片來構(gòu)建專門適用于各大高校的智能照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)的可視化客戶端運(yùn)行于Android操作系統(tǒng)上，此客戶端可以應(yīng)用在越來越多的便攜終端和智能手機(jī)上，用戶可以通過手機(jī)端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對LED燈的開關(guān)調(diào)光，分組控制，狀態(tài)查詢，設(shè)置燈密碼和手動添加、刪除燈的操作，硬件控制端同時還可以作為路由器來使用，提供網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)[5]。依托于紅外、光照等傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器上，在服務(wù)器上對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以實(shí)現(xiàn)自動控制照明，從而達(dá)到智能、節(jié)能的目的。此外對底層數(shù)據(jù)的采集并進(jìn)行挖掘，再用大數(shù)據(jù)的思維對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整合，提取出有用的信息，將信息進(jìn)行處理后，不僅會反饋給管理人員，從而實(shí)現(xiàn)利用好每一點(diǎn)數(shù)據(jù)，而且還能實(shí)時反饋信息給用戶，實(shí)現(xiàn)真正意義的人工智能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

智能照明控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示，由硬件控制模塊、通信網(wǎng)絡(luò)、Android可視化控制客戶端3個模塊組成。通信網(wǎng)絡(luò)則有兩種選擇，局域網(wǎng)、云服務(wù)器。通信網(wǎng)絡(luò)的功能是使各個硬件控制端組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)控制。局域網(wǎng)控制就是使各個硬件控制端和控制客戶端處于同一WiFi網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，無需連接外網(wǎng)，就能實(shí)現(xiàn)客戶端和燈控硬件端進(jìn)行通信從而實(shí)現(xiàn)控制功能，適用于家庭等小型場所。云端則是對局域網(wǎng)的升華，使局域網(wǎng)能和外網(wǎng)連接，利用Yeelink提供的免費(fèi)服務(wù)器(Web服務(wù)器)，可以實(shí)現(xiàn)燈控硬件端和控制客戶端超遠(yuǎn)程通信，只要有網(wǎng)的地方，就能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能[6]。Android客戶端則是一個用Java編寫的應(yīng)用程序，通過一些簡單的操作便可使手機(jī)向燈控硬件端傳送控制指令和接收燈控硬件端反饋的信息。也可設(shè)置自動控制模式，客戶端將對各種傳感器反饋過來的信息進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)自動控制[7]。該燈控硬件端集成了 WiFi通信模塊(CLIENT)和STM32單片機(jī)控制模塊以及電源模塊，控制指令最終傳送到STM32單片機(jī)，單片機(jī)執(zhí)行相關(guān)操作，并將狀態(tài)信息返回到手機(jī)，數(shù)據(jù)的雙向流動實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)或平板對 LED 照明設(shè)備的便捷智能控制。用戶能夠?qū)θ魏我粋€單燈進(jìn)行操控，也能夠?qū)σ粋€場所的數(shù)個單燈同步操控，還能對所有房間進(jìn)行整體的控制，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的智能照明控制。同時我們對傳感器采集并傳送到服務(wù)器的大量信息運(yùn)用大數(shù)據(jù)的思維進(jìn)行分析和處理，設(shè)計(jì)相應(yīng)的算法，給管理者提供一個最節(jié)能、最省心的照明解決方案。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2 底層組網(wǎng)

“底層組網(wǎng)”即無線傳感網(wǎng)絡(luò)，每個燈的控制模塊接上若干個傳感器，這些傳感器將采集到的數(shù)據(jù)以IO口電平變化的形式傳送給單片機(jī)。單片機(jī)循環(huán)查詢紅外傳感器和溫濕度傳感器來判斷教室內(nèi)人員情況和更新溫濕度信息。煙霧傳感器采取中斷方式來實(shí)現(xiàn)火警檢測和報警功能。單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)通過自定義的協(xié)議進(jìn)行打包封裝，并通過串口傳輸給WiFi模塊。相關(guān)數(shù)據(jù)再由WiFi模塊連接路由器上傳至Web服務(wù)器進(jìn)行儲存。同一WiFi環(huán)境下的相鄰幾個燈通過不斷查詢相關(guān)標(biāo)志位的方式來實(shí)現(xiàn)燈的開關(guān)而互不沖突。

2.1主控芯片

在本控制系統(tǒng)中的硬件控制端結(jié)構(gòu)如圖2所示，STM32單片機(jī)是整個系統(tǒng)的核心，起著控制核心、信息存貯、信息處理、信息傳輸?shù)淖饔?。完成的工作包括與服務(wù)器的通信，接收傳感器的感應(yīng)電平，控制界面的LCD觸摸顯示，蜂鳴器報警，SD卡信息存儲，燈光的控制。

STM32通過串口與WIFI模塊進(jìn)行通信，完成片上數(shù)據(jù)到服務(wù)器的傳輸工作，波特率設(shè)置為115200 Baud。單片機(jī)的GPIOC0 ～ GPIOC4和GPIOB12設(shè)置為浮空輸入，用于采集紅外傳感器、煙霧傳感器和溫濕度傳感器的電平變化；GPIO6 ～ GPIOB9設(shè)置為推挽輸出模式，用以控制繼電器以控制燈具的亮滅；GPIOC8 ～ GPIOC12復(fù)用為SDIO接口與SD卡通信，并利用文件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的儲存的工作；單片機(jī)通過GPIO口驅(qū)動FSMC液晶顯示屏進(jìn)行界面的顯示，通過模擬SPI進(jìn)行觸摸控制[8]。

圖2 硬件控制端結(jié)構(gòu)圖

2.2通信模塊

本系統(tǒng)中的通信模塊采用有人公司生產(chǎn)的USR-WIFI232-B模塊，這是一款工業(yè)級一體化802.11 b/g/n模組，實(shí)現(xiàn)TTL串口、WiFi無線網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)口雙向透明傳輸。傳統(tǒng)的串口設(shè)備或MCU控制設(shè)備利用WiFi模塊可以快速接入WiFi無線網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)控制與管理[9]。

WiFi模塊工作于POST和GET工作模式，POST模式下的WiFi模塊通過USART3與單片機(jī)進(jìn)行通信，向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，GET模式下的WiFi模塊通過USART2與單片機(jī)進(jìn)行通信，從服務(wù)器接收數(shù)據(jù)。硬件控制端接收數(shù)據(jù)后，便能實(shí)現(xiàn)控制功能。

3 云端互聯(lián)

本系統(tǒng)所采用的服務(wù)器為YEELINK物聯(lián)網(wǎng)平臺的Web服務(wù)器，該服務(wù)器具有設(shè)計(jì)的高并發(fā)接入服務(wù)器和云存儲方案，能夠同時完成海量的傳感器數(shù)據(jù)接入和存儲任務(wù)，利用本服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨網(wǎng)傳輸,可以讓硬件端便捷地接入互聯(lián)網(wǎng)[10]。硬件端與Web服務(wù)器傳輸信息使用的是HTTP協(xié)議，HTTP是一種無狀態(tài)的協(xié)議，無狀態(tài)是指Web服務(wù)器和Web服務(wù)器之間不需要建立持久的鏈接，Web服務(wù)器對客戶端發(fā)出的請求響應(yīng)了之后，連接就被關(guān)閉。

為了實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與客戶機(jī)間的通信，服務(wù)器與客戶機(jī)都必須創(chuàng)建套接字，具體的套接字工作原理如圖3所示。服務(wù)器在創(chuàng)建套接字后，需要指定監(jiān)聽的端口來等待客戶機(jī)，故還需綁定端口號。Connect()函數(shù)的功能是為客戶端連接服務(wù)器，并且建立連接是通過3次握手完成的，客戶端的Connect()函數(shù)默認(rèn)會一直阻塞，直到3次握手成功或超時失敗才返回[11]。服務(wù)器則是被動的，Listen()函數(shù)的主要作用就是將套接字變成被動的連接監(jiān)聽套接字，只要TCP服務(wù)器調(diào)用了Listen()，客戶端就可以通過Connect()和服務(wù)器建立連接。建立連接之后TCP客戶端便可以使用HTTP請求來請求數(shù)據(jù)了。一個HTTP請求包含請求行、消息報頭、請求正文三部分。HTTP的響應(yīng)也包含狀態(tài)行、消息報頭、響應(yīng)正文[12]三部分。

圖3 套接字工作原理

利用HTTP請求的POST方式向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)，由于使用的WiFi模塊是集成的，將HTTP請求的相關(guān)內(nèi)同按圖4配置好[13]，再以JSON的數(shù)據(jù)格式({“value”:1210101})便可將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器。其中自定的通信協(xié)議表示方法如圖5所示。

圖4 WiFi模塊配置

圖5 自定義通信協(xié)議圖(可擴(kuò)展)

手機(jī) --gt; 硬件端(控制使用7位指令)：

A0(樓棟)A1(教室) A2～A5(4個繼電器)A6(校驗(yàn)位，自加1)

硬件端 --gt; 手機(jī)(信息反饋使用13位指令)：

B0(樓棟)B1(教室)B2B3(溫度)B4B5(濕度)B6(煙霧)B7(紅外)B8～B11(4個繼電器)B12(校驗(yàn)位，自加1)。

使用校驗(yàn)位的目的是讓觸摸屏和可視化控制客戶端可同時對燈進(jìn)行控制，但是兩者之間會產(chǎn)生控制沖突，原因是硬件控制端是不斷的查詢服務(wù)器上的命令來實(shí)現(xiàn)控制，如果通過觸摸屏來操作之后，硬件端還會查詢服務(wù)器給的命令，這時便會覆蓋原來直接通過觸摸屏的操作，導(dǎo)致沖突。解決辦法便是加一個校驗(yàn)位，觸摸屏操作之后命令的校驗(yàn)位會自動加一，使原來存儲在服務(wù)器上的命令失效。如若軟件控制端想操作，軟件發(fā)出的有效命令的校驗(yàn)位也會自動加一。

例子中的1210101(控制命令實(shí)體)表示控制第1棟樓的第2個教室兩個燈開兩個燈滅。指令發(fā)送出去后WEB服務(wù)器會返回下面的信息：

HTTP/1.1 200 OK

Server: nginx/1.1.19

Date: Wed, 02 Mar 2016 07:50:23 GMT

Content-Type: text/html

Transfer-Encoding: chunked

Connection: keep-alive

X-Powered-By: PHP/5.3.10-1ubuntu3.6

響應(yīng)的第1行類似請求行的第1行，告訴我們所用的協(xié)議是HTTP 1.1,OK表示請求成功[14]。后面的是響應(yīng)的時間、格式、版本，keep-alive表示連接持續(xù)有效，當(dāng)出現(xiàn)對服務(wù)器的后繼請求時，keep-alive功能避免了建立或者重新建立連接。

從服務(wù)器上取數(shù)據(jù)便是使用GET方式，與POST請求方式配置方法相似，僅僅將請求類型改成GET便可，下面給出響應(yīng)。

HTTP/1.1 200 OK

Server: nginx/1.1.19

Date: Wed, 02 Mar 2016 07:50:23 GMT

Content-Type: text/html

Transfer-Encoding: chunked

Connection: keep-alive

X-Powered-By:PHP/5.3.101ubuntu3.6

{"value":1325861011012,"timestamp":"2016-0301T15:41:36","sensor_id":"214579","device_id":"196181"}

“value”表示在服務(wù)器上所訪問的變量，其值為1325861011012，其表示第1棟樓的第3個教室溫度為25°、濕度86%、3盞燈開、校驗(yàn)位為2。利用從服務(wù)器取回的數(shù)據(jù)，便可以發(fā)送相應(yīng)的7位控制指令來控制硬件端，方便、快捷。整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流傳輸流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)流框圖

4 可視化控制客戶端(APP)

隨著智能手機(jī)的普及，APP技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控發(fā)展平臺的應(yīng)用也正在擴(kuò)大，智能手機(jī)憑借其獨(dú)特的便捷性深受大眾的喜愛以及4G技術(shù)的推廣，這在一定程度上也會推動物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展[15]。

客戶端為一基于Android操作系統(tǒng)的APP，此APP框架如圖7所示。

圖7 APP框架

進(jìn)入軟件界面后需要先登錄，用戶ID為學(xué)工號，系統(tǒng)自動根據(jù)ID確定當(dāng)前用戶的權(quán)限。登錄后將調(diào)用百度地圖，通過GPS定位硬件控制端所處位置，同時用戶可以根據(jù)權(quán)限選擇相應(yīng)樓棟，擁有管理員權(quán)限的管理人員可以選擇任意樓棟，擁有教師權(quán)限的可以選擇用于教學(xué)的樓棟，而學(xué)生只能選擇所在教室的樓棟。

進(jìn)入樓棟(樓棟可刪除和添加)后還得確定哪一間教室，這級菜單主界面為常用房間，右向滑動出現(xiàn)所有房間號，同時這級菜單還具有添加和刪除教室的功能(管理員權(quán)限下)。

選定教室進(jìn)入后，在這一級菜單里可以看到從Web服務(wù)器返回的當(dāng)前教室內(nèi)的溫度、濕度等信息。單擊燈泡可控制LED的亮度，或者點(diǎn)擊總開關(guān)統(tǒng)一控制所有燈泡。管理員權(quán)限下對燈進(jìn)行系統(tǒng)管理則可實(shí)現(xiàn)增、減新燈和重置WiFi熱點(diǎn)名稱的功能[16]。

5 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)實(shí)物圖如圖8和圖9所示，本系統(tǒng)可通過硬件端的觸摸顯示屏控制燈的亮滅，同時將傳感 器采集到的教室室內(nèi)內(nèi)溫濕度的信息在液晶屏上顯示。通過手機(jī)APP也可以代替硬件端平臺實(shí)現(xiàn)燈的控制，同時可以將系統(tǒng)設(shè)置為自動控制模式，即通過紅外傳感器檢測教室內(nèi)是否有人員進(jìn)入，當(dāng)有人進(jìn)入教室時，燈光自動開啟，當(dāng)教室無人時，經(jīng)過一段時間延時后，燈光自動關(guān)閉。除了進(jìn)行燈的控制，手機(jī)APP可將一段時間內(nèi)采集到的傳感器信息進(jìn)行儲存以及繪制相關(guān)圖表，供管理者查看以便設(shè)計(jì)合理的照明方案。測試場所選在本校信工樓的普通上課教室中，經(jīng)測試上述設(shè)計(jì)目標(biāo)均實(shí)現(xiàn)。

圖8 硬件實(shí)物圖

圖9 軟件APP界面

6 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一個基于底層組網(wǎng)與云端互聯(lián)的智能照明控制系統(tǒng)，主要包括硬件控制平臺、Web服務(wù)器和可視化控制客戶端。使用者可以同時通過硬件端和移動端對教室內(nèi)的燈光進(jìn)行控制，代替了燈的傳統(tǒng)開關(guān)，更加智能便捷。解決了市場上存在的智能照明燈的控制距離小，功能不完善，使用者無法實(shí)時查詢室內(nèi)情況的問題。操作簡單，成本低廉，可以滿足高校對照明系統(tǒng)大規(guī)模安裝的需求，無需大規(guī)模改變原有線路。本照明系統(tǒng)不僅適用于高校照明，而且可廣泛用于大型公共場所等，前景無限。

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IntelligentLightControlSystemBasedonUnderlyingNetworkandCloudInterconnection

YANQiurong,CHENQi,LIAORuixiang,LIXuan,WANGXiaoyu,HUWenkai

(College of Information Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China)

To get rid of the way of controlling lights using traditional mechanical switches in colleges and universities, an intelligent light control system based on underlying network and cloud interconnection was proposed in this paper.To achieve the remote communication between mobile phone (or other intelligent terminals) and hardware platform, we designed and developed a hardware platform including embedded controller, lamps controller and environmental message sensor module.The system can accomplish remote light control, sense the environmental state through operations on the application of mobile phone (or other intelligent terminals).Simultaneously, administrators can set the hardware platform into automatic control mode in which the system can turn on/off lamps automatically according to environmental message.By testing the system in a real environment, the feasibility and practicality of the intelligent light control system have been verified.

light; intelligent control; networking; sensors; intelligent terminals

TN 872

A

1006-7167(2017)10-0153-05

2017-02-28

2015年產(chǎn)學(xué)合作專業(yè)綜合改革項(xiàng)目和國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃聯(lián)合基金資助課題(教高司函[2015]51號)；江西省教改重點(diǎn)課題(批準(zhǔn)號:JXJG-14-1-8)資助課題

鄢秋榮(1982-),男，江西寧都人，博士，副教授，主要從事無線通信系統(tǒng)研究。Tel.:13755756837； E-mail:Yanqiurong@ncu.edu.cn