智能家居灯光控制系统的设计与实现

杨 艳

山东技师学院，山东 济南 250200

0 引言

在科学技术快速发展的背景下，人们的生活水平大幅提高，对居住环境提出了更高的要求，不仅需要满足日常遮风挡雨的功能，还应具有健康、舒适等特点。在日常的生活环境中，灯光控制系统具有重要作用，很多区域为了达到相应的照明条件，需要安装大量的灯具系统，这些灯具的控制开关分布不均匀，给整体灯光控制带来消极影响。目前，大部分家庭使用的家庭灯光控制系统都是有线系统，虽然这些系统的结构相对较为简单，但是布线的难度相对较大，而且不容易改动，如果后续需要进行设备的增减，则其接线过程的复杂度和能耗度都较高，甚至存在工期长、移动困难等缺点。在无线通信技术不断发展的背景下，灯光控制技术也变得越发简便，文章主要研究使用无线通信技术进行智能家居灯光控制系统的设计以及安装[1]。

1 整体方案

目前灯光控制系统存在的问题相对较多，例如，需要增加照明类型的数量不断上升，关于如何进行布局的规划以及布线的规划，甚至是人力物力和成本的规划，都需要花费更多的时间和精力。为了有效避免有线传输的缺点，文章提出无线通信传输方法。终端节点、控制中心和移动终端是整个系统的重要组成部分。终端节点包括灯光亮度调节的驱动器，以及能够从控制中心进行命令接收的无线通信电路。控制中心主要包括键盘电路与终端节点往来交互的无线通信，以及移动终端网络交互的蓝牙通信系统，可以通过移动终端的App发送指令，保证控制中心在获取信息和指令后快速进行下一个环节的操作，而且可以以蓝牙为基础进行指令和数据的接收，再通过无线通信传输到终端节点，从而利用手机进行灯光的控制和调节。此外，控制中心还可以使用按键调控的方式，控制某一个房间的灯光。

2 终端节点的设计与实现

终端节点设计分为终端节点硬件电路设计与终端节点程序设计两方面的内容。终端节点的电路设计系统以及组件复杂度相对较高，包括单片机最小系统、灯光控制电路系统。同时，无线通信电路的运行效率直接影响整个系统的运行效果。其中，单片机具有重要作用，对整个系统的工作起到指挥作用，单片机可以选择具有低功耗特点的元器件。灯光作为设计中的主要控制对象，设计中选用了LED为控制中心执行控制的作用机制。系统只需提供宽和窄的数字脉冲,就可以有效调节LED的亮度，同时可以保证系统的白光质量相对较高，具有效率高、应用简单等优点。控制中心与终端节点的无线通信选择工作在2.4 GHz射频的nRF24L01，具有体积小、功耗低的特点，与Wi-Fi技术相比，其传输距离更远但传输的数据量在低功耗模式和空闲模式时却比Wi-Fi更小，这样在设计上更容易做到节能。

从终端节点程序设计的角度分析，需要以nRF24L01初始化作为基础在初始化定时器的基础上进行输出电路的模拟工作，定初值为100，同时开展数据的读取以及分析工作，使其进入缓冲区。判断缓冲期是否具有数据和信息，如果区域内具有大量的数据和信息，则需要进行系统分析工作，解析指令修改相关的比例，在LED具有闪烁信号的情况下，说明系统已经修改成功。如果区域内没有数据，则需要重新进入系统，进行数据的等待接收和处理[2]。

3 控制中心的设计与实现

3.1 硬件电路设计

在控制中心中，除了单片机最小系统核心元器件，还包括无线通信部分、蓝牙部分和键盘电路部分的内容，其中无线通信部分仍然选择nRF24L01。一般情况下蓝牙的数据传输距离都控制在10 m之内，可以支持点对点的连接，也可以支持点对多通信的连接，从而保证手机和其他移动终端可以进入无线数据通信的数据传输系统中，以更好进行数据通信分析。与其他系统相比，蓝牙系统的稳定性相对较高，可以将其作为替代数据电缆长距离无线通信技术的主要工具和载体，该方案主要使用蓝牙系统进行移动终端数据的接收工作。键盘电路用来使用户直接控制灯的开关和亮暗。单击为开或者关，长按为调节亮暗模式。

3.2 程序设计

控制中心主要包括键盘、蓝牙、nRF24L01，对其进行设计可以保证移动终端和终端节点的通信目的得到实现。在此过程中，需要先对串口和nRF24L01进行初始化，然后扫描按键,判断是否有数据，以及数据和信息属于哪种类型的操作指令。如果数据属于短按数据，说明对灯的开关进行控制；如果属于长按数据，则说明是对灯的亮度进行控制。控制中心程序流程如图1所示。如果按键中没有数据，则需要等待蓝牙移动终端的数据传输是否到达，然后再次判断是否有数据信息。在获取到数据信息的指令后，立即开展相应的修改工作，如果没有数据信息，则需要重新进入接收状态[3]。

图1 控制中心程序流程图

4 移动终端设计

移动终端部分包括初始界面设计和控制界面设计两个方面。

4.1 初始界面设计

初始界面设计主要是以移动终端连接以及佩戴蓝牙设备作为基础。在此过程中，需要先初始化镜面，配置参数，并对蓝牙进行初始化，再开展全线的检查工作，最终判断Android版本是否在6.0以上。在完成以上操作后读取系统和蓝牙配对的数据，通过点击刷新的方式，不断地更新数据，直至系统中出现可以操作的配对选项，再点击跳转到控制页面中，从而对灯光进行有效控制。

4.2 控制界面设计

控制界面中具有4个滑动条的数据，每个滑动条的数据可以对一盏灯进行控制，如果滑动数据为0%，说明开关装置属于关闭状态；100%则为最亮。系统在接收到界面滑动数据和信息后，第一时间应该判断数据是否真实有效，在数据真实有效的情况下，可以将转换数据设置到占空比状态，再按照数据的比例进行系统的调节工作，最后向蓝牙板块发送控制信息。

5 软件设计

系统软件设计主要包括以下六个方面：第一，将单片机的系统始终进行初始化；第二，将初始化IO端口与初始化LED硬件接口进行连接；第三，将初始化定时器和串行端口连接，通过设置定时器的计数频率以及计数值，甚至是串行端口波特率的方式，保证系统进入稳定运行的状态；第四，将单片机通过串口进行初始化后，保证系统可以进入正常运行模式，并且允许连接开展端口号的创建工作；第五，对无线传输窗口进行实时监测，判断是否接收到数据，如果已经接收到数据需要进行数据的解析处理，如果没有接收到数据，则需要继续进行监测；第六，对无线传输数据进行解析以及处理，并且根据解析得到的数据进行数值的控制设计，从而调节LED灯的开关亮度。

6 结束语

目前，我国智能家居灯光控制系统的研究仍然处于初步阶段，规模相对较小，而且应用范围无法得到快速拓宽，但是相信在未来一段时间内，智能家居灯光控制系统将会广泛应用在普通家庭场所中。文章对目前广泛应用的无线通信技术以及智能家居的概念进行了简单描述，并且研究开发了一种以无线通信技术作为基础的灯光控制系统。该系统在运行期间，可以通过将各种指令传输到前端灯光设备的控制中心，对这些数据及信息进行综合分析，可实现灯光多样化控制，甚至可以避免灯光控制系统的布线问题。