智能家居的灯光实时监控系统设计

摘要：针对现有智能家居灯光控制系统存在的无法实时监测灯光状态，无法大规模稳定控制等问题，开发了一种基于ZigBee通信技术的智能家居灯光控制系统。利用ZigBee通信的双向性，灯控终端在接收执行控制指令后实时反馈当前灯光状态，实现了利用智能移动设备远程控制和查看家中灯光状态的功能。对系统ZigBee通信自组网特性测试表明，增加系统中灯控终端数量可以有效增强通信可靠性，从而稳定控制灯光亮灭。

引言

随着科技的发展，人们对住所的需求已不仅仅满足于居室的布局、外观及周边环境，美国哈里斯民意测验调查所调查结果显示，两千多名美国成年受访者中有52%认为拥有智能家居比较重要。智能家居是在现有住宅基础上，运用网络通信、自动控制等技术将家用设施集成，以构筑安全、舒适、环保、智能的居住环境。

灯光控制是智能家居系统的重要组成部分，对于智能家居灯光控制系统的研究，近几年国内外出现了很多研究成果。周晓伟等提出了利用PC机与ZigBee网络协调器节点相连组成系统基站，在数十米范围内近距离控制楼宇照明模式，以起到节约电能作用。蒋小洛等提出了在嵌入式设备中内置Web服务器，无论身在何地，都可以通过Web浏览器页面上的按钮远程控制灯光亮灭。丁飞等所设计的家庭控制系统，支持通过GPRS网络发送短信远程控制灯光亮灭。Cheong Ghil.Kim等设计了一套基于OpenWrt操作系统，利用智能手机通过因特网远程调节LED灯光亮度的照明模拟系统。

上述设计者在灯光控制方面做出了重要贡献，但他们共同的局限在于没有考虑如何将灯光的亮灭状态实时显示在控制界面上，缺乏操作交互性，也没有考虑在灯光数量较多情况下如何确保灯光控制的稳定性。

本文所开发的智能家居灯光控制系统采用智能移动设备安装APP控制软件，点击APP界面上灯泡图标，智能移动设备发出控制指令，经云服务器和系统主机被转发到灯控终端，从而远程控制家中灯光亮灭。

由于ZigBee通信是双向无线通信技术，使得每一步灯光控制操作都可以将当前灯光的亮灭状态反馈到APP界面上。同时利用ZigBee通信自组网特性，让多个灯控终端组成网状网，这使得只要有一个灯控终端接收到控制指令，该指令便会被转发到目的灯控终端，明显增强了控制稳定性。

1 智能家居灯光控制系统

本文开发的智能家居灯光控制系统主要由智能移动设备、云服务器、系统主机、家庭局域网、灯光控制终端等部分组成，系统原理图如图1所示。

1.1 智能移动设备

智能移动设备(以下简称设备)包括智能手机、平板电脑等可以安装Android或iOS操作系统的移动设备。在设备上安装智能家居APP软件，打开软件后设备自动通过WiFi或2G/3G移动网络登陆云服务器，输入包含主机信息的密码，实现与对应主机网络连接。点击APP界面上的灯泡图标，用户的操作指令将被发送到云服务器，操作完成后设备会收到包含当前灯光状态的反馈信息，灯光状态便显示在APP界面上。

1.2 云服务器

云服务器是连接智能移动设备和系统主机的桥梁。通过租用第三方大型云计算服务，编写云计算程序在“云”端运行实现。

云服务器具有巨大的存储容量，可以存储海量系统主机信息，开发人员通过云服务器集中管理各个系统主机的挂载灯控终端数量、登陆密码设置等项目。

1.3 系统主机

系统主机是智能家居灯光控制系统的中枢，其全球唯一的MAC地址存于云服务器数据库中，使得智能移动设备可以通过连接云服务器输入指定密码与对应主机通信。

在智能家居灯光控制系统中，系统主机负责将云服务器转发来的控制指令通过ZigBee网络转发到灯控终端。

1.4 家庭局域网

家庭局域网(Home—Area Network，HAN)是智能家居灯光控制系统的重要结构基础，它负责将系统主机与各个灯控终端组网通信。本系统采用CC2530芯片构建ZigBee家庭局域网。

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。它是一种短距离、低功耗的无线通信技术，工作频段主要集中在2.4～2.5 GHz，具有使用方便、工作可靠、价格低廉、双向通信等特点。

ZigBee无线网络可以组成星形、树形、孔形等多种网络拓扑结构，网络包含协调器、路由器和终端节点三部分。协调器是网络的中心节点，负责网络的发起组织、网络维护和管理功能，一个网络只有一个协调器，在本系统中它嵌入系统主机内;路由器负责数据的路由中继转发;终端节点只负责本节点的数据发送和接收，本系统中它嵌入灯控终端内。

1.5 灯光控制终端

灯光控制终端是整个智能家居灯光控制系统的最终执行设备。它通过ZigBee网络接收系统主机发来的控制指令，根据指令驱动继电器，控制灯泡的通断电实现灯光亮灭。每条指令执行后都会反馈一个数据包给系统主机，上报当前灯光亮灭状态。系统主机再通过云服务器将此状态反馈到智能移动设备上显示。

2 ZigBee通信协议设计

智能移动设备发出的控制命令经云服务器传输到系统主机后，系统主机通过ZigBee网络将该信号转发到灯控终端，该控制命令帧格式如下所示：

灯控终端根据控制命令完成相应操作后反馈一个包含当前灯光状态的数据包到主机，主机再将反馈数据包经云服务器转发到智能移动设备，智能移动设备根据反馈信息显示当前灯光状态。灯控终端反馈数据包帧格式如下所示：

注：因ZigBee通信可挂载65 535个节点，故源地址和目的地址均采用两个字节表示。

根据以上通信协议实现的灯光控制效果如图2所示。

3 系统测试与结果分析

本系统测试采用系统主机内的协调器与电脑USB口连接，利用串口软件循环发送开灯、关灯命令到灯控终端实现。由于灯控终端每接收执行一条控制命令后都会反馈一个包含当前灯光状态的数据包，只有协调器成功接收到此反馈数据包才视为此次通信成功。采用收包概率(Packet Reception Rate，PRR)来度量通信质量的好坏。通信收包率可用如下公式计算：

CC2530芯片单次发送数据包个数设置为1000个，经预测试发现，当发送速度大于6个/s时，灯控终端无法及时处理接收到的控制命令，为了给实际测试留有余量，数据包发送速度设置为2个/s。本次测试在无遮挡环境中进行，距离分别设置为10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m。测试数据如图3、图4所示。

通过以上实验数据可以得出结论：

①在节点数不变的情况下，随着通信距离的增大，通信收包率不断降低。

②在相同距离情况下，增加终端节点个数可以有效增大通信收包率。这是由于ZigBee通信具有自组网特性，本实验中设置为自组成网状网，此种拓扑结构下每一节点都保留有其他节点的通信路径，可以同时通过多条通信路径传输数据，只要有一个节点接收到数据，该节点便会将接收到的数据转发给指定目的节点，可以极大增强数据传输的可靠性。

在后续不断增加灯控终端节点数达100个的情况下，实验数据依然符合上述实验结果分析。由于本系统主要应用于家庭灯光控制，只要家庭安装5个以上灯控终端节点，在25 m范围内通信收包率都能控制在99%以上，在设计程序时将每条控制命令连续发送2次，完全可以实现稳定的灯光控制。遇到墙壁遮挡的情况，可增加中继模块，将控制命令多跳转发，也就相当于缩短了系统主机与灯控终端的通信距离，同样可以保证通信的稳定性。

结语

本文开发了一套智能家居灯光控制系统，介绍了该系统各个组成部分的作用，实现了利用智能移动设备远程控制和查看家中灯光亮灭的功能，让用户可以身处异地也能远程关闭电灯以节约电能或外出一键关闭家中所有灯光，回家路上提前打开家中灯光等。对系统ZigBee通信自组网特性作了测试，分析了提高系统通信稳定性的解决方法。

下一步研究方向主要是实现灯光亮度和色彩调节，让用户可以设定不同的情景模式，以提高生活的舒适性。