基于物联网的智能家居照明系统实现策略

李 婷

武汉职业技术学院，湖北 武汉 430000

0 引言

互联网技术实现了网络通信中不同网络节点的互联，为信息的传递和共享提供了便利。随着传感器和设备技术的不断发展，工业领域的设备互联成为过去几年的研究热点，基于设备互联的工业互联网能够大幅度提高生产效率，为提升企业的核心竞争力提供良好的技术支持[1]。

随着经济水平的不断提升，人们对生活质量的要求也不断提高，对于居家生活的品质有了更高的追求[2]。由此，智能家居的概念应运而生，与家庭适配的各类安防、通信设备和智能电器不断涌现，为家庭安全防护、自动化家务、居家环境的改善等带来了良好的效果。但在各类电器的集中管理、远程遥控、成本降低等方面，智能家居设备的应用较少。随着物联网及智能家居技术的不断发展，在需求分析、系统设计以及运转效率等方面仍然存在许多问题，这些是智能家居发展的瓶颈问题，尤其在照明方面，问题更加突出[3]。如何将各类智能设备互联，为使用者提供全方位一体化的智能化服务是当今家居生活追求的终极目标[4]。在此背景下，文章对基于物联网技术的智能家居照明系统的设计和实现策略进行了研究。

1 智能照明和传统照明的区别及常用控制协议

1.1 区别

随着照明技术的不断发展，照明系统已经由传统照明逐步向智能照明发展。智能照明和传统照明相比优势较大，主要体现在如下方面。

（1）控制方式，智能照明采用手动或者自动控制的方式，也能够控制多路电路，而传统照明只能采用手动开关方式，并且只可进行单路或者双路控制[5]。

（2）照明效果，智能照明具有光的亮度调整模块，可以根据周围环境营造不同的灯光效果，而传统照明的方式比较单一，只有灯的开合和关闭。

（3）管理方式，智能照明能够借助网络或者电脑进行自动化管理，而传统照明只能以人为主进行管理。

（4）安全方面，智能照明可以采用弱电驱动灯具的方式，不会对人体产生危害，而传统照明只能采用强电控制，存在较大的安全隐患。

（5）节能方面，智能照明方式下，节能灯具对于光能的转化率正在不断提升，而传统照明方式对于灯具或者光能的转化效率较低。

总之，智能照明在照明方式上有了巨大的变革，相比于传统照明方式优势明显。

1.2 控制协议

智能照明的控制方式有多种，其中常用的控制方式有下列5种。

（1）CEBus，此协议是一种相对比较成熟的协议，可以支撑双绞线、电缆等传输方式，其优势是后期的改造和维护方便，能够最大化地利用家中的布线系统。

（2）Lonworks协议，此协议问世于20世纪80年代，其优势是在对传感器等设备进行监控的过程中具有高可靠性。

（3）DMX-512协议，此协议由美国制定，其优势在于可以支持多路控制，适用于大型楼宇和剧场等各类大型场所灯光的控制。

（4）DyNet，此协议由邦奇公司制定，是一款面向分布式照明的控制系统，在此协议下其节点可以达到4 000个以上，支持复杂网络的布局要求。

（5）DALI协议，这是一款面向数字化的协议，具有可寻址的调光接口，其优势是可以实现对整个控制系统内单个光源的独立控制，因此基于此协议的照明方案，个性化色彩比较强。

2 智能家居照明系统的构成和基础功能

2.1 照明系统的基本构成

（1）感知层。感知层是指整个控制系统以传感器为感知触角，实现对室内环境数据和人体基本情况参数的采集。其中，环境数据主要包括室内部光照、温度和是否有物体接近三方面的数据，人体数据主要包括人体的心率、面部表情信息。如今，对于人体面部表情信息的采集还未实现，主要实现了对人体心率数据的采集。

（2）传输层。传输层是实现数据的传输，在照明系统内部，其传输层主要是考虑采用哪种协议和通信技术实现所感知数据由感知层向应用层的传输。

（3）应用层。照明系统是智能家居系统中的主要组成部分，照明系统主要以灯具的开闭状态和展示颜色等控制为工作核心。照明系统中，家庭照明系统中各个传感器和控制单元会借助一定的方式实现与主控制器的连接，从而实现各个单元之间的数据互通和控制。该系统能够扩展到外部网络中，并将其中的各类数据及人体的基本参数上传至互联网，使用人员可用手机或者计算机等设备进行远程访问。

2.2 照明系统的功能组成

（1）照明。照明是照明系统最主要的功能，也是照明系统中必须具备的基本功能。在不同的照明场所中，对于照明的需求不同。随着人们对光照舒适度要求以及节能要求的不断提高，近年来对于照明提出了新的要求，照明应该根据室外的环境变化进行动态的调整。对照明强度进行动态变化的调整，为用户提供舒适的工作和生活环境是未来照明系统的发展方向之一。

（2）节能。随着能源的不断被消耗，可持续发展的理念被提出。能源已经成为当今世界谋求发展过程中必须解决的问题。在家庭和工作环境中，能源的消耗占比较大，节能是智能照明系统中必须解决的问题。

（3）氛围控制和情绪调节功能。随着照明技术的不断发展，通过照明技术可以影响家庭成员的情绪以及环境氛围。在一天的不同时段，家庭成员对于照明强度的要求是不同的，因此通过传感器技术以及无线通信技术能够实现对灯光照射强度的调整，从而实现对人体生理情绪的调整。

3 基于物联网的智能家居照明系统硬件设计

智能化控制系统由软件系统和硬件系统组成，硬件系统是控制系统的骨架，软件系统是系统的灵魂。在硬件照明系统中，主控制部分电路将串口通信和ZigBee模块以及蓝牙网络连接。其中，ZigBee模块是感知室内各类数据的核心媒介，主要实现传感器所采集数据的感知和传输。在控制系统内部，被控制的设备为灯光的控制器，包含主照明灯和背景灯的控制。随着系统规模的不断扩大，在ZigBee模块中可以存储的节点数量是不断增加的。蓝牙作为重要的通信手段，可以将传感器所采集的各类数据传输至手机端，方便数据的监控和管理。

一般而言，智能照明控制系统的硬件部分主要包含主控中心电路设计、传感器电路设计、灯光控制模块设计和无线通信的电路设计。传感器电路设计包含温度、光照和心率传感器的电路设计；灯光控制模块设计主要是指主照明灯控制电路和背景灯控制电路设计；无线通信电路设计主要包含ZigBee传输模块和蓝牙传输模块的电路设计。如图1所示，以传感器设计中的光敏传感器电路设计为例，电路中光敏电阻和滑动电阻组成一个分压式电路，因为光敏电阻阻值是随着光照强度的变化而变化的，所以ADC0口的电压值也在0～3.3 V浮动变化。在此情况下，CC2530微处理器可以对端口的电压进行处理，由此推算当前的光照强度，并使用ZigBee模块将数据发送至Sink节点中。

图1 光敏传感器设计电路

4 基于物联网的智能家居照明系统软件设计

4.1 主控制的软件设计

通信和控制是主控制软件的核心功能，在通信方面主要是使用ZigBee协议和蓝牙通信协议向移动终端等发送传感器采集的各类数据。在灯光的控制方面，主要包括背景和主灯具的控制。在主控制器运行阶段，需要设置系统的运行时钟，主要包括对主控和外设的时钟来源的设置。此外，还需要对I/O、其他通信模块完成初始化。在完成初始化工作后，需要对外围电路的设备进行初始化操作，随后主控制器的程序进入主程序，次程序主要进行主控制平台和外部设备之间的数据通信。

4.2 传感器的软件设计

在众多传感器中，除心率传感器外均可通过直接进行数据读取的方式进行数据记录。心率传感器设计比较复杂。根据人体心率正常范围，在对心率传感器进行频率设置时一般扩大至人体正常频率的5～10倍，为提升其准确度，将心率的采集频率设置为10 Hz，并且采样周期设置为100 ms。首先通过传感器采集模拟信号，然后读取模拟信号并形成一组三元素的移动窗口数组，利用三点极值法计算出全部峰值。去除异常峰值后，将正常峰值存入数据库。计算两个峰值之间的时间间隔，将其放入一维数组元素中，并采用冒泡排序法对其进行排序。将1 min内的脉搏次数作为最终的心率数值，数值更新的频率为10 s/次。

4.3 照明灯具的软件设计

照明灯具的软件设计分为主照明和背景照明灯具的软件设计。其中，主照明灯具的软件设计包含两个方面的主要内容：开合的控制和亮度的控制。其详细控制机理为，首先对人体的各类基础数据基于传感器进行数据的实时采集，当传感器检测到有人进入灯具照射范围时，便开启主照明灯具。当主照明灯具持续亮20 s以后，继续读取人体的红外传感数据，如果仍然检测到人处于能被检测到的范围之内，则持续保持主照明灯具的开启；如果检测不到人的信息，则立刻关闭主照明灯。当主照明灯具处于开启状态时，光敏传感器开始工作。光敏传感器会对环境内亮度情况进行分析判断，从而对主照明灯具的亮度进行调整。

对背景灯的控制和主照明灯类似，包含对开合状态的控制和对颜色的控制。背景灯开合状态的控制机理和主照明灯的控制机理相同，同样是根据对人体红外数据的检测，进而判断背景灯的开合。背景灯处于开启状态时，心率检测传感器会检测人体的心率，当人体的心率处于正常范围内且周围温度大于24 ℃时，可以将背景灯的颜色调整为青色；当温度小于24 ℃时，则调整为橙色。心率处于非正常状态时，需要对其心率值进行分析，心率大于或小于正常范围时，分别将背景灯的颜色调整为淡蓝色或番茄色。

5 结束语

随着照明方式以及物联网技术的发展，照明技术由传统照明向智能照明不断发展。硬件系统和软件系统是智能家居照明控制系统的核心。当前，基于物联网技术的智能家居照明系统已经在家庭中得到大范围应用，但是在智能家居照明系统的设计过程中，仍然存在创新性不足、人机交互设计界面不够友好等问题。未来，智能家居系统应该向人机交互界面优化、智能化水平提升等方向发展。