基于物聯網的智能家居照明系統實現策略

李 婷

武漢職業技術學院，湖北 武漢 430000

0 引言

互聯網技術實現了網絡通信中不同網絡節點的互聯，為信息的傳遞和共享提供了便利。隨著傳感器和設備技術的不斷發展，工業領域的設備互聯成為過去幾年的研究熱點，基于設備互聯的工業互聯網能夠大幅度提高生產效率，為提升企業的核心競爭力提供良好的技術支持[1]。

隨著經濟水平的不斷提升，人們對生活質量的要求也不斷提高，對于居家生活的品質有了更高的追求[2]。由此，智能家居的概念應運而生，與家庭適配的各類安防、通信設備和智能電器不斷涌現，為家庭安全防護、自動化家務、居家環境的改善等帶來了良好的效果。但在各類電器的集中管理、遠程遙控、成本降低等方面，智能家居設備的應用較少。隨著物聯網及智能家居技術的不斷發展，在需求分析、系統設計以及運轉效率等方面仍然存在許多問題，這些是智能家居發展的瓶頸問題，尤其在照明方面，問題更加突出[3]。如何將各類智能設備互聯，為使用者提供全方位一體化的智能化服務是當今家居生活追求的終極目標[4]。在此背景下，文章對基于物聯網技術的智能家居照明系統的設計和實現策略進行了研究。

1 智能照明和傳統照明的區別及常用控制協議

1.1 區別

隨著照明技術的不斷發展，照明系統已經由傳統照明逐步向智能照明發展。智能照明和傳統照明相比優勢較大，主要體現在如下方面。

（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，而傳統照明只能采用手動開關方式，并且只可進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整模塊，可以根據周圍環境營造不同的燈光效果，而傳統照明的方式比較單一，只有燈的開合和關閉。

（3）管理方式，智能照明能夠借助網絡或者電腦進行自動化管理，而傳統照明只能以人為主進行管理。

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

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

總之，智能照明在照明方式上有了巨大的變革，相比于傳統照明方式優勢明顯。

1.2 控制協議

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

（2）Lonworks協議，此協議問世于20世紀80年代，其優勢是在對傳感器等設備進行監控的過程中具有高可靠性。

（3）DMX-512協議，此協議由美國制定，其優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，此協議由邦奇公司制定，是一款面向分布式照明的控制系統，在此協議下其節點可以達到4 000個以上，支持復雜網絡的布局要求。

（5）DALI協議，這是一款面向數字化的協議，具有可尋址的調光接口，其優勢是可以實現對整個控制系統內單個光源的獨立控制，因此基于此協議的照明方案，個性化色彩比較強。

2 智能家居照明系統的構成和基礎功能

2.1 照明系統的基本構成

（1）感知層。感知層是指整個控制系統以傳感器為感知觸角，實現對室內環境數據和人體基本情況參數的采集。其中，環境數據主要包括室內部光照、溫度和是否有物體接近三方面的數據，人體數據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現，主要實現了對人體心率數據的采集。

（2）傳輸層。傳輸層是實現數據的傳輸，在照明系統內部，其傳輸層主要是考慮采用哪種協議和通信技術實現所感知數據由感知層向應用層的傳輸。

（3）應用層。照明系統是智能家居系統中的主要組成部分，照明系統主要以燈具的開閉狀態和展示顏色等控制為工作核心。照明系統中，家庭照明系統中各個傳感器和控制單元會借助一定的方式實現與主控制器的連接，從而實現各個單元之間的數據互通和控制。該系統能夠擴展到外部網絡中，并將其中的各類數據及人體的基本參數上傳至互聯網，使用人員可用手機或者計算機等設備進行遠程訪問。

2.2 照明系統的功能組成

（1）照明。照明是照明系統最主要的功能，也是照明系統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，照明應該根據室外的環境變化進行動態的調整。對照明強度進行動態變化的調整，為用戶提供舒適的工作和生活環境是未來照明系統的發展方向之一。

（2）節能。隨著能源的不斷被消耗，可持續發展的理念被提出。能源已經成為當今世界謀求發展過程中必須解決的問題。在家庭和工作環境中，能源的消耗占比較大，節能是智能照明系統中必須解決的問題。

（3）氛圍控制和情緒調節功能。隨著照明技術的不斷發展，通過照明技術可以影響家庭成員的情緒以及環境氛圍。在一天的不同時段，家庭成員對于照明強度的要求是不同的，因此通過傳感器技術以及無線通信技術能夠實現對燈光照射強度的調整，從而實現對人體生理情緒的調整。

3 基于物聯網的智能家居照明系統硬件設計

智能化控制系統由軟件系統和硬件系統組成，硬件系統是控制系統的骨架，軟件系統是系統的靈魂。在硬件照明系統中，主控制部分電路將串口通信和ZigBee模塊以及藍牙網絡連接。其中，ZigBee模塊是感知室內各類數據的核心媒介，主要實現傳感器所采集數據的感知和傳輸。在控制系統內部，被控制的設備為燈光的控制器，包含主照明燈和背景燈的控制。隨著系統規模的不斷擴大，在ZigBee模塊中可以存儲的節點數量是不斷增加的。藍牙作為重要的通信手段，可以將傳感器所采集的各類數據傳輸至手機端，方便數據的監控和管理。

一般而言，智能照明控制系統的硬件部分主要包含主控中心電路設計、傳感器電路設計、燈光控制模塊設計和無線通信的電路設計。傳感器電路設計包含溫度、光照和心率傳感器的電路設計；燈光控制模塊設計主要是指主照明燈控制電路和背景燈控制電路設計；無線通信電路設計主要包含ZigBee傳輸模塊和藍牙傳輸模塊的電路設計。如圖1所示，以傳感器設計中的光敏傳感器電路設計為例，電路中光敏電阻和滑動電阻組成一個分壓式電路，因為光敏電阻阻值是隨著光照強度的變化而變化的，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行處理，由此推算當前的光照強度，并使用ZigBee模塊將數據發送至Sink節點中。

圖1 光敏傳感器設計電路

4 基于物聯網的智能家居照明系統軟件設計

4.1 主控制的軟件設計

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協議和藍牙通信協議向移動終端等發送傳感器采集的各類數據。在燈光的控制方面，主要包括背景和主燈具的控制。在主控制器運行階段，需要設置系統的運行時鐘，主要包括對主控和外設的時鐘來源的設置。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備進行初始化操作，隨后主控制器的程序進入主程序，次程序主要進行主控制平臺和外部設備之間的數據通信。

4.2 傳感器的軟件設計

在眾多傳感器中，除心率傳感器外均可通過直接進行數據讀取的方式進行數據記錄。心率傳感器設計比較復雜。根據人體心率正常范圍，在對心率傳感器進行頻率設置時一般擴大至人體正常頻率的5～10倍，為提升其準確度，將心率的采集頻率設置為10 Hz，并且采樣周期設置為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組，利用三點極值法計算出全部峰值。去除異常峰值后，將正常峰值存入數據庫。計算兩個峰值之間的時間間隔，將其放入一維數組元素中，并采用冒泡排序法對其進行排序。將1 min內的脈搏次數作為最終的心率數值，數值更新的頻率為10 s/次。

4.3 照明燈具的軟件設計

照明燈具的軟件設計分為主照明和背景照明燈具的軟件設計。其中，主照明燈具的軟件設計包含兩個方面的主要內容：開合的控制和亮度的控制。其詳細控制機理為，首先對人體的各類基礎數據基于傳感器進行數據的實時采集，當傳感器檢測到有人進入燈具照射范圍時，便開啟主照明燈具。當主照明燈具持續亮20 s以后，繼續讀取人體的紅外傳感數據，如果仍然檢測到人處于能被檢測到的范圍之內，則持續保持主照明燈具的開啟；如果檢測不到人的信息，則立刻關閉主照明燈。當主照明燈具處于開啟狀態時，光敏傳感器開始工作。光敏傳感器會對環境內亮度情況進行分析判斷，從而對主照明燈具的亮度進行調整。

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

5 結束語

隨著照明方式以及物聯網技術的發展，照明技術由傳統照明向智能照明不斷發展。硬件系統和軟件系統是智能家居照明控制系統的核心。當前，基于物聯網技術的智能家居照明系統已經在家庭中得到大范圍應用，但是在智能家居照明系統的設計過程中，仍然存在創新性不足、人機交互設計界面不夠友好等問題。未來，智能家居系統應該向人機交互界面優化、智能化水平提升等方向發展。