基于Android的智能家居照明系统

吴 迪，徐卫林，覃玉良，杨少东，江国强

(桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004)

基于Android的智能家居照明系统

吴 迪，徐卫林，覃玉良，杨少东，江国强

(桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004)

针对人们对家居照明系统智能化控制的需求，提出了一种基于Android的解决方案。该方案采用自主研发的Android APP以调整LED发光颜色和亮度等特征参数，将其通过手机蓝牙和ZigBee拓扑网络发送到采用S3C44B0处理器和嵌入式ucLinux系统作为软硬件平台LED终端，利用三基色LED的PWM调节组成混合光源，实现了灯泡的颜色、亮度的变化。该系统经过测试运行稳定，实时性好，性价比高，满足智能家居情景多变的照明需求。

智能家居；安卓；蓝牙；ZigBee；照明系统

智能家居照明系统是未来物联网和智慧城市发展的重要趋势之一，这种照明系统要保证正常工作生活所需要的照明智能化、便携化控制。快速发展的嵌入式系统、物联网和智能手机为智能家居照明系统提出的个性化、美观化、智能化和便携控制的要求提供了新的机遇。

目前普遍使用的Android智能手机和平板电脑为智能家居照明系统提供了一个直观快捷的控制，针对基于Android的智能家居照明，文献[1]采用了WiFi作为无线通信方式，但是每个节点只能在WiFi信号覆盖范围内进行控制；文献[2]采用GSM的方式进行家居照明系统的智能控制，由于GSM信号受限于当地的信道复杂度和基站分布密度，对于居家范围的智能照明系统而言操作起来灵敏度、辨识度并不高，且只能通过网页进行命令控制，无法实现控制的移动化。因此本设计采用了灵敏度高、成本低，Android手机和平板电脑基本都具备的蓝牙作为和照明系统进行交互的通信模块，创新性提出一种利用ZigBee拓扑网络进行远距离节点通信控制和识别的算法，从而实现控制节点覆盖范围极大增加，同时添加了控制灯的颜色变化的功能，可以根据心情为不同情景氛围营造出不同的炫丽灯光效果，因此本设计方案不仅可用于家居智能照明，还可应用在奶茶店、咖啡厅、大型超市等烘托氛围。

1 总体架构

本文设计的智能家居照明系统调节灯光颜色亮度的特征参数有两种方式：其一为通过Android手机APP触屏拖动RGB色条；其二为直接触屏选择设定色块。该特征参数可利用蓝牙实现10 m以内近场通信，利用ZigBee拓扑网络实现100 m以上远场通信远场通信，最终由基于S3C44B0处理器的嵌入式ucLinux系统控制3路PWM合成目标光源，其系统框图如图1所示。

图1 系统整体设计简图

智能家居照明系统的主要功能包括：Android手机APP调节功能，蓝牙收发特征参数功能，ZigBee拓扑网络功能，基于ucLinux的模式切换功能，PWM调节三基色混合光源功能。各个系统的功能详细描述如下。

1)Android手机APP调节功能[3]：Android编程，通过触屏拖动RGB色条，或者直接选择设定好的色块，来设定可调色参数。

2)蓝牙收发特征参数功能[4]：近场通信时，通过蓝牙收发系统将调色调亮特征参数从手机发送到下位机接收系统；远场通信时，根据蓝牙握手协议结果和下位机拓扑网络选择模块判定是否切换为ZigBee处理。

3)ZigBee拓扑网络：远场通信时，切换为ZigBee通信模式进行特征参数处理，并根据握手协议返回结果，增加发射功率，扩大搜索半径。

4)基于ucLinux的模式切换功能：嵌入式ucLinux系统通过分析蓝牙握手协议结果，切换蓝牙和ZigBee通信的进程块，区分近远场模式以接收并处理灯光特征参数。

5)PWM调节三基色混合光源功能：根据接收到的调色参数控制输出的3路PWM，并由恒流源来最终驱动LED，根据RGB三基色原理合成目标色彩。

2 系统软硬件设计

2.1 硬件电路设计

下位机控制主板采用的Samsung公司S3C44B0处理器是为手持设备或者其他通用设备而开发的低成本、高性能的16/32位RISC的嵌入式微处理器。片内集成了ARM 7TDMI内核[5-7]、2 Mbyte的Flash、8 Mbyte的SDRAM、带PWM功能的5通道定时器，最高工作频率可达66 MHz。通过通信串口总线连接蓝牙模块，通过UART连接ZigBee模块。主板电路如图2所示，其中恒流源采用PT4115构成的典型应用电路如图3所示。采样电阻计算如式(1)所示

IOUT=0.1/RS

(1)

式中：RS为采样电阻；IOUT为输出电流。

图2 S3C44B0主板电路结构图

图3 恒流源电路设计

由于可调色遥控台灯LED的最大输出电流为0.6 A，算出采样电阻的大小约为0.167 Ω，本设计就用了两个0.33 Ω电阻并联，这样恒流源电路的输出电流为0.606 A。电容和电感参数根据经验值和测试迭代如表1所示。通过在DIM管脚加入可变占空比的PWM信号调节输出电流以实现调光，LED的最大平均电流由采样电阻的阻值决定的，其中占空比控制输出电流如式(2)所示

IOUT=(0.1×D)/RS

(2)

式中：D为PWM占空比。

表1 最大输出电流为0.6 A时电阻、电容、电感参数

R1R2R3C1L10 33Ω0 33Ω10kΩ100μF47μH

2.2 系统软件设计

2.2.1 ZigBee拓扑选择程序

如图4所示，下位机拓扑网络选择模块可以根据蓝牙通信应答是否为“0101”来判断是否握手成功，若照明节点距离太远，蓝牙通信握手失败，那么启动ZigBee拓扑网络并进行节点初始化，若ZigBee通信应答为“1010”则通信握手成功，此时ZigBee模块发送上位机通信指令到该握手节点的下位机进行字符串处理。其中请求消息格式如图5所示。

图4 下位机拓扑网络选择模块

二值参数设备节点码模式应答码搜索应答码整形数组

图5 请求信息格式

图5中各个域的含义如下：

1)二值参数为“1”代表打开设备节点，为“0”代表关闭设备节点。

2)设备节点码代表当前控制的LED终端，设备节点码的位数N控制可扩展的节点数为2N-1。

3)模式应答码以检测通信模式，若为“0101”则为蓝牙通信模式，若为“1010”则为ZigBee通信模式。

4)搜索应答码的含义是当模式应答为ZigBee时，通过4位二进制档位调节ZigBee功率，以调整搜索节点半径。

5)整形数组代表RGB参数确认符“&”，对应的颜色属性“red”、“blue”、“green”以及每个基色变化范围0～255。

2.2.2 下位机字符串处理程序

如图6所示，下位机与Android上位机的通信协议是字符串处理，Android上位机发送字符串，这个字符串要包含关键字符串“red”、“blue”、“green”、“enable”还要有数字，数字必须放在字符串的开头。Android上位机发送数据，单片机接收字符串数据后，做字符串处理，首先把接收数据转化为字符放到字符串中，要是接收到“&”，则把字符串中数据拆分为字符到数组中，然后进行字符串查找，启动对应的通道。先查找有效的字符串，如果在数组中找到对应的字符，就进行对应通道的查找，如果没有就返回，等待接收下一个数据。查找到对应的通道后，就把数组转化为整形，把数值赋给analogWrite(pin，value)的value，发出对应的value占空比PWM波信号，控制对应的LED驱动电路实现LED的调光。

2.2.3 上位机软件设计

如图7所示，本智能家居照明系统的Android端APP设计开发工具为Eclipse集成开发环境。使用Bluetooth Adapter类实现打开蓝牙、连接设备、关闭蓝牙、蓝牙状态、搜索蓝牙等功能。利用Bluetooth Socket和Bluetooth Server Socket两个类来监听3个Seek bar拖动条对应的RGB参数，或12个Button组成的色盘快捷选择的可调光颜色。一旦RGB发生数值变动，就将改动后的数据以符合通信协议的格式通过蓝牙进行发送。

图7 上位机Android APP 调光界面(截图)

3 灯光效果验证

3.1 测试输出电流

RGB发光的原理，是通过对红(R)、绿(G)、蓝(B)3个颜色通道的叠加，来得到各式各样的颜色。将红、绿、蓝三颜色通道每种色各分为255阶亮度，3色都为255时为最亮的白色，都为0时为黑色，因此具有255的3次方，即1 600余万色可调节。在测试中使用触屏拖动RGB色条，如图7所示，并把万用表作为电流源串联到电路中，用手机遥控单片机发生不同占空比的PWM信号，观察万用表端电流值并记录，为恒流源电路输出电流的测试结果如图8所示。结果显示，当负载从5 Ω递增变化到20 Ω时单路PWM百分比对应的输出电流略微增加，最大电流满足设计容限0.7 A。而当单路PWM百分比从零递增到百分之百时，输出电流线性增加。且相比文献[1]使用的WiFi方案，功耗显著降低。

图8 单路PWM百分比控制输出电流

3.2 测试色彩区间和ZigBee拓扑效果

快捷选择色盘来调节该灯光系统，能够良好地调节输出的色彩、亮度等参数，营造良好的环境、氛围，实验室环境下使用ZigBee双节点进行拓扑，实现同时控制两个LED终端的效果如图9所示，其中节点LED2根据ZigBee拓扑选择模块的识别命令成功握手节点LED1，从而实现距离拓扑，两灯同时被点亮控制，通过多个ZigBee节点进行拓扑后，控制范围可实现上百米，近千米的拓展。

图9 ZigBee双节点拓扑测试

4 小结

本文研究了基于Android的智能家居照明系统，发现已有的WiFi控制系统覆盖范围小、功耗较高、无法根据情景需求进行灯光色彩多样化调节、成本较高等缺点。由此展开了采用Android终端蓝牙模块和ZigBee拓扑网络进行近远距离通信的研究与设计。设计结果可根据覆盖范围需求配置多个ZigBee节点、降低功耗、而且能够依据不同的情景氛围进行 1 600 万色彩调节，符合未来智慧城市和物联网发展的趋势，具有较高市场应用价值。

[1] 王永慧，楼平，罗友，等.基于Android的室内智能照明系统的设计[J].SILICON VALLEY，2013，138(18)：21-23.

[2] 曹梦龙，邹云东.基于Internet和GSM的智能家居网关设计与实现[J].电视技术，2014，38(3)：73-92.

[3] 吕显朋，刘彦隆，王相国.基于物联网的智能家居系统设计[J].电视技术，2013，37(24)：43-48.

[4] 郑魏，李智敏，骆德汉.智能家居无线网络设计与实现[J].电视技术，2013，37(21)：56-59.

[5] 南春辉，李博，武颖.基于Web技术的嵌入式智能家居系统设计[J].电视技术，2013，37(3)：86-92.

[6] 白成林，马珺.基于物联网技术的智能路灯监控系统[J].电子技术应用，2014，40(3)：82-89.

[7] 崔阳，张维华，白云峰.一种基于Arduino的智能家居控制系统[J].电子技术应用，2014，40(4)：123-125.

吴 迪(1990— )，硕士生，主研嵌入式系统、数模混合集成电路设计；

徐卫林(1976— )，博士，硕士生导师，主研无线通信系统、通信集成电路设计；

覃玉良(1990— )，女，硕士生，主研嵌入式系统，通信用集成电路设计。

责任编辑：时 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

国家自然科学基金项目( 61264001；61166004；61161003)；广西自然科学基金项目(2013GXNSFAA019333)；研究生教育创新计划资助项目(GDYCSZ201457)

TN919.5

A

10.16280/j.videoe.2015.18.003

2015-03-13

【本文献信息】吴迪，徐卫林，覃玉良，等.基于Android的智能家居照明系统[J].电视技术,2015，39(18).