吳 迪，徐衛(wèi)林，覃玉良，楊少東，江國強(qiáng)

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

基于Android的智能家居照明系統(tǒng)

吳 迪，徐衛(wèi)林，覃玉良，楊少東，江國強(qiáng)

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

針對人們對家居照明系統(tǒng)智能化控制的需求，提出了一種基于Android的解決方案。該方案采用自主研發(fā)的Android APP以調(diào)整LED發(fā)光顏色和亮度等特征參數(shù)，將其通過手機(jī)藍(lán)牙和ZigBee拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)發(fā)送到采用S3C44B0處理器和嵌入式ucLinux系統(tǒng)作為軟硬件平臺LED終端，利用三基色LED的PWM調(diào)節(jié)組成混合光源，實(shí)現(xiàn)了燈泡的顏色、亮度的變化。該系統(tǒng)經(jīng)過測試運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性好，性價(jià)比高，滿足智能家居情景多變的照明需求。

智能家居；安卓；藍(lán)牙；ZigBee；照明系統(tǒng)

智能家居照明系統(tǒng)是未來物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市發(fā)展的重要趨勢之一，這種照明系統(tǒng)要保證正常工作生活所需要的照明智能化、便攜化控制?？焖侔l(fā)展的嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)和智能手機(jī)為智能家居照明系統(tǒng)提出的個(gè)性化、美觀化、智能化和便攜控制的要求提供了新的機(jī)遇。

目前普遍使用的Android智能手機(jī)和平板電腦為智能家居照明系統(tǒng)提供了一個(gè)直觀快捷的控制，針對基于Android的智能家居照明，文獻(xiàn)[1]采用了WiFi作為無線通信方式，但是每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能在WiFi信號覆蓋范圍內(nèi)進(jìn)行控制；文獻(xiàn)[2]采用GSM的方式進(jìn)行家居照明系統(tǒng)的智能控制，由于GSM信號受限于當(dāng)?shù)氐男诺缽?fù)雜度和基站分布密度，對于居家范圍的智能照明系統(tǒng)而言操作起來靈敏度、辨識度并不高，且只能通過網(wǎng)頁進(jìn)行命令控制，無法實(shí)現(xiàn)控制的移動(dòng)化。因此本設(shè)計(jì)采用了靈敏度高、成本低，Android手機(jī)和平板電腦基本都具備的藍(lán)牙作為和照明系統(tǒng)進(jìn)行交互的通信模塊，創(chuàng)新性提出一種利用ZigBee拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)距離節(jié)點(diǎn)通信控制和識別的算法，從而實(shí)現(xiàn)控制節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍極大增加，同時(shí)添加了控制燈的顏色變化的功能，可以根據(jù)心情為不同情景氛圍營造出不同的炫麗燈光效果，因此本設(shè)計(jì)方案不僅可用于家居智能照明，還可應(yīng)用在奶茶店、咖啡廳、大型超市等烘托氛圍。

1 總體架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的智能家居照明系統(tǒng)調(diào)節(jié)燈光顏色亮度的特征參數(shù)有兩種方式：其一為通過Android手機(jī)APP觸屏拖動(dòng)RGB色條；其二為直接觸屏選擇設(shè)定色塊。該特征參數(shù)可利用藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)10 m以內(nèi)近場通信，利用ZigBee拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)100 m以上遠(yuǎn)場通信遠(yuǎn)場通信，最終由基于S3C44B0處理器的嵌入式ucLinux系統(tǒng)控制3路PWM合成目標(biāo)光源，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)簡圖

智能家居照明系統(tǒng)的主要功能包括：Android手機(jī)APP調(diào)節(jié)功能，藍(lán)牙收發(fā)特征參數(shù)功能，ZigBee拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)功能，基于ucLinux的模式切換功能，PWM調(diào)節(jié)三基色混合光源功能。各個(gè)系統(tǒng)的功能詳細(xì)描述如下。

1)Android手機(jī)APP調(diào)節(jié)功能[3]：Android編程，通過觸屏拖動(dòng)RGB色條，或者直接選擇設(shè)定好的色塊，來設(shè)定可調(diào)色參數(shù)。

2)藍(lán)牙收發(fā)特征參數(shù)功能[4]：近場通信時(shí)，通過藍(lán)牙收發(fā)系統(tǒng)將調(diào)色調(diào)亮特征參數(shù)從手機(jī)發(fā)送到下位機(jī)接收系統(tǒng)；遠(yuǎn)場通信時(shí)，根據(jù)藍(lán)牙握手協(xié)議結(jié)果和下位機(jī)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)選擇模塊判定是否切換為ZigBee處理。

3)ZigBee拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)：遠(yuǎn)場通信時(shí)，切換為ZigBee通信模式進(jìn)行特征參數(shù)處理，并根據(jù)握手協(xié)議返回結(jié)果，增加發(fā)射功率，擴(kuò)大搜索半徑。

4)基于ucLinux的模式切換功能：嵌入式ucLinux系統(tǒng)通過分析藍(lán)牙握手協(xié)議結(jié)果，切換藍(lán)牙和ZigBee通信的進(jìn)程塊，區(qū)分近遠(yuǎn)場模式以接收并處理燈光特征參數(shù)。

5)PWM調(diào)節(jié)三基色混合光源功能：根據(jù)接收到的調(diào)色參數(shù)控制輸出的3路PWM，并由恒流源來最終驅(qū)動(dòng)LED，根據(jù)RGB三基色原理合成目標(biāo)色彩。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

下位機(jī)控制主板采用的Samsung公司S3C44B0處理器是為手持設(shè)備或者其他通用設(shè)備而開發(fā)的低成本、高性能的16/32位RISC的嵌入式微處理器。片內(nèi)集成了ARM 7TDMI內(nèi)核[5-7]、2 Mbyte的Flash、8 Mbyte的SDRAM、帶PWM功能的5通道定時(shí)器，最高工作頻率可達(dá)66 MHz。通過通信串口總線連接藍(lán)牙模塊，通過UART連接ZigBee模塊。主板電路如圖2所示，其中恒流源采用PT4115構(gòu)成的典型應(yīng)用電路如圖3所示。采樣電阻計(jì)算如式(1)所示

IOUT=0.1/RS

(1)

式中：RS為采樣電阻；IOUT為輸出電流。

圖2 S3C44B0主板電路結(jié)構(gòu)圖

圖3 恒流源電路設(shè)計(jì)

由于可調(diào)色遙控臺燈LED的最大輸出電流為0.6 A，算出采樣電阻的大小約為0.167 Ω，本設(shè)計(jì)就用了兩個(gè)0.33 Ω電阻并聯(lián)，這樣恒流源電路的輸出電流為0.606 A。電容和電感參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值和測試迭代如表1所示。通過在DIM管腳加入可變占空比的PWM信號調(diào)節(jié)輸出電流以實(shí)現(xiàn)調(diào)光，LED的最大平均電流由采樣電阻的阻值決定的，其中占空比控制輸出電流如式(2)所示

IOUT=(0.1×D)/RS

(2)

式中：D為PWM占空比。

表1 最大輸出電流為0.6 A時(shí)電阻、電容、電感參數(shù)

R1R2R3C1L10 33Ω0 33Ω10kΩ100μF47μH

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 ZigBee拓?fù)溥x擇程序

如圖4所示，下位機(jī)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)選擇模塊可以根據(jù)藍(lán)牙通信應(yīng)答是否為“0101”來判斷是否握手成功，若照明節(jié)點(diǎn)距離太遠(yuǎn)，藍(lán)牙通信握手失敗，那么啟動(dòng)ZigBee拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行節(jié)點(diǎn)初始化，若ZigBee通信應(yīng)答為“1010”則通信握手成功，此時(shí)ZigBee模塊發(fā)送上位機(jī)通信指令到該握手節(jié)點(diǎn)的下位機(jī)進(jìn)行字符串處理。其中請求消息格式如圖5所示。

圖4 下位機(jī)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)選擇模塊

二值參數(shù)設(shè)備節(jié)點(diǎn)碼模式應(yīng)答碼搜索應(yīng)答碼整形數(shù)組

圖5 請求信息格式

圖5中各個(gè)域的含義如下：

1)二值參數(shù)為“1”代表打開設(shè)備節(jié)點(diǎn)，為“0”代表關(guān)閉設(shè)備節(jié)點(diǎn)。

2)設(shè)備節(jié)點(diǎn)碼代表當(dāng)前控制的LED終端，設(shè)備節(jié)點(diǎn)碼的位數(shù)N控制可擴(kuò)展的節(jié)點(diǎn)數(shù)為2N-1。

3)模式應(yīng)答碼以檢測通信模式，若為“0101”則為藍(lán)牙通信模式，若為“1010”則為ZigBee通信模式。

4)搜索應(yīng)答碼的含義是當(dāng)模式應(yīng)答為ZigBee時(shí)，通過4位二進(jìn)制檔位調(diào)節(jié)ZigBee功率，以調(diào)整搜索節(jié)點(diǎn)半徑。

5)整形數(shù)組代表RGB參數(shù)確認(rèn)符“&”，對應(yīng)的顏色屬性“red”、“blue”、“green”以及每個(gè)基色變化范圍0～255。

2.2.2 下位機(jī)字符串處理程序

如圖6所示，下位機(jī)與Android上位機(jī)的通信協(xié)議是字符串處理，Android上位機(jī)發(fā)送字符串，這個(gè)字符串要包含關(guān)鍵字符串“red”、“blue”、“green”、“enable”還要有數(shù)字，數(shù)字必須放在字符串的開頭。Android上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，單片機(jī)接收字符串?dāng)?shù)據(jù)后，做字符串處理，首先把接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為字符放到字符串中，要是接收到“&”，則把字符串中數(shù)據(jù)拆分為字符到數(shù)組中，然后進(jìn)行字符串查找，啟動(dòng)對應(yīng)的通道。先查找有效的字符串，如果在數(shù)組中找到對應(yīng)的字符，就進(jìn)行對應(yīng)通道的查找，如果沒有就返回，等待接收下一個(gè)數(shù)據(jù)。查找到對應(yīng)的通道后，就把數(shù)組轉(zhuǎn)化為整形，把數(shù)值賦給analogWrite(pin，value)的value，發(fā)出對應(yīng)的value占空比PWM波信號，控制對應(yīng)的LED驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)LED的調(diào)光。

2.2.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

如圖7所示，本智能家居照明系統(tǒng)的Android端APP設(shè)計(jì)開發(fā)工具為Eclipse集成開發(fā)環(huán)境。使用Bluetooth Adapter類實(shí)現(xiàn)打開藍(lán)牙、連接設(shè)備、關(guān)閉藍(lán)牙、藍(lán)牙狀態(tài)、搜索藍(lán)牙等功能。利用Bluetooth Socket和Bluetooth Server Socket兩個(gè)類來監(jiān)聽3個(gè)Seek bar拖動(dòng)條對應(yīng)的RGB參數(shù)，或12個(gè)Button組成的色盤快捷選擇的可調(diào)光顏色。一旦RGB發(fā)生數(shù)值變動(dòng)，就將改動(dòng)后的數(shù)據(jù)以符合通信協(xié)議的格式通過藍(lán)牙進(jìn)行發(fā)送。

圖7 上位機(jī)Android APP 調(diào)光界面(截圖)

3 燈光效果驗(yàn)證

3.1 測試輸出電流

RGB發(fā)光的原理，是通過對紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)3個(gè)顏色通道的疊加，來得到各式各樣的顏色。將紅、綠、藍(lán)三顏色通道每種色各分為255階亮度，3色都為255時(shí)為最亮的白色，都為0時(shí)為黑色，因此具有255的3次方，即1 600余萬色可調(diào)節(jié)。在測試中使用觸屏拖動(dòng)RGB色條，如圖7所示，并把萬用表作為電流源串聯(lián)到電路中，用手機(jī)遙控單片機(jī)發(fā)生不同占空比的PWM信號，觀察萬用表端電流值并記錄，為恒流源電路輸出電流的測試結(jié)果如圖8所示。結(jié)果顯示，當(dāng)負(fù)載從5 Ω遞增變化到20 Ω時(shí)單路PWM百分比對應(yīng)的輸出電流略微增加，最大電流滿足設(shè)計(jì)容限0.7 A。而當(dāng)單路PWM百分比從零遞增到百分之百時(shí)，輸出電流線性增加。且相比文獻(xiàn)[1]使用的WiFi方案，功耗顯著降低。

圖8 單路PWM百分比控制輸出電流

3.2 測試色彩區(qū)間和ZigBee拓?fù)湫Ч?/p>

快捷選擇色盤來調(diào)節(jié)該燈光系統(tǒng)，能夠良好地調(diào)節(jié)輸出的色彩、亮度等參數(shù)，營造良好的環(huán)境、氛圍，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下使用ZigBee雙節(jié)點(diǎn)進(jìn)行拓?fù)洌瑢?shí)現(xiàn)同時(shí)控制兩個(gè)LED終端的效果如圖9所示，其中節(jié)點(diǎn)LED2根據(jù)ZigBee拓?fù)溥x擇模塊的識別命令成功握手節(jié)點(diǎn)LED1，從而實(shí)現(xiàn)距離拓?fù)?，兩燈同時(shí)被點(diǎn)亮控制，通過多個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行拓?fù)浜?，控制范圍可?shí)現(xiàn)上百米，近千米的拓展。

圖9 ZigBee雙節(jié)點(diǎn)拓?fù)錅y試

4 小結(jié)

本文研究了基于Android的智能家居照明系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)已有的WiFi控制系統(tǒng)覆蓋范圍小、功耗較高、無法根據(jù)情景需求進(jìn)行燈光色彩多樣化調(diào)節(jié)、成本較高等缺點(diǎn)。由此展開了采用Android終端藍(lán)牙模塊和ZigBee拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行近遠(yuǎn)距離通信的研究與設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果可根據(jù)覆蓋范圍需求配置多個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)、降低功耗、而且能夠依據(jù)不同的情景氛圍進(jìn)行 1 600 萬色彩調(diào)節(jié)，符合未來智慧城市和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢，具有較高市場應(yīng)用價(jià)值。

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吳 迪(1990— )，碩士生，主研嵌入式系統(tǒng)、數(shù)模混合集成電路設(shè)計(jì)；

徐衛(wèi)林(1976— )，博士，碩士生導(dǎo)師，主研無線通信系統(tǒng)、通信集成電路設(shè)計(jì)；

覃玉良(1990— )，女，碩士生，主研嵌入式系統(tǒng)，通信用集成電路設(shè)計(jì)。

責(zé)任編輯：時(shí) 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

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目( 61264001；61166004；61161003)；廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013GXNSFAA019333)；研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(GDYCSZ201457)

TN919.5

A

10.16280/j.videoe.2015.18.003

2015-03-13

【本文獻(xiàn)信息】吳迪，徐衛(wèi)林，覃玉良，等.基于Android的智能家居照明系統(tǒng)[J].電視技術(shù),2015，39(18).