基于物联网的智能家居照明设计方案

崔松健

（南京信息职业技术学院 江苏省南京市 210046）

1 序言

随着中国城市化建设的提速和新农村建设的步伐加快，人们的家居环境得到了很好的改善。人民追求的不再仅限于住房面积的大幅度提高，同时对居住舒适度也提出了很高的要求，目标是能提供一个舒适、安全、方便和高效的生活环境。于是智能家居概念便应运而生，得到了广大住户的青睐。智能家居最重要的是实用，应该摒弃那些华而不实，只作摆设的功能，产品着重体现实用性、易用性和人性化。

智慧照明系统作为智能家居的重要组成部分，具有广阔的发展前景。随着先进的传感器技术、通信技术、自动化技术、互联网技术和人工智能技术渗透到人们的日常生活中的各个领域。智慧照明系统将克服传统照明系统开关不方便、亮度无法调控、不环保、不节能等问题，通过引入ZigBee、Wi-Fi、4G 等有线或无线技术来实现自动控制。用户可以通过智能面板/触屏、手机、Pad、电脑等任意设备实现照明控制。

本文将给出的一种基于物联网技术的智慧能照明系统建设方案，能够很好地做到使用方便、节能环保，具有良好的经济和社会效益。

2 智能控制原理

2.1 智能控制

一般包括智能信息处理、智能信息反馈和智能控制决策三个方面，是控制理论发展的高级阶段。智能控制以控制理论、计算机科学、人工智能、运筹学等学科为基础，扩展了相关的理论和技术，其中应用较多的有模糊逻辑、神经网络、专家系统、遗传算法等理论，以及自适应控制、自组织控制和自学习控制等技术。智慧照明应用智能控制技术进行照明灯的开与关，分组控制，调光控制等。

2.2 传感器技术

传感器技术是实现自动化和智能化控制的重要环节，传感器实现智能控制的主要部件,处于智能控制的最外层，被广泛应用于数据采集,如温度、湿度、气压、光照、重力、位移等。并将获得的信息转换为数据后通过网络传送给计算机进行处理。智慧照明系统中的主要传感器有雷达、人体红外感应器、重力感应器、声控感应器、照度感应器等。

2.3 ZigBee技术

图1：智慧照明系统分层结构图

ZigBee，也称紫蜂，是一种低速短距离传输的无线网上协议，工作速率在20 ～250kbps 之间，分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz)和20kbps(868 MHz)三种原始的数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求；传输范围一般介于10 ～100m 之间，增加发射功率后，可增加到1 ～3km。ZigBee 的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms。组网灵活，ZigBee 可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254 个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000 个节点的大网。ZigBee 提供了三级安全模式，包括安全设定、使用访问控制清单防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128)的对称密码，可以灵活确定其安全属性。ZigBee 成本较低。基于以上的这些特点，在家庭智慧照明系统中采用ZigBee 进行组网是经济实惠的，也是可行的。

3 技术方案

智能照明系统由感知层、控制层、网络层、应用层四部分构成。如图1所示。

3.1 感知层

感知层作为照明系统的最前端，主要用于数据的采集。常用的采集设备有雷达、摄像、红外定位及光敏传感器、温度传感器、电压电流传感器等。根据家居特点，家庭照明的地方主要有：车库、走廊、庭院、卫生间、卧室、客厅等，根据不同的用灯特点和习惯，使用不同采集设备。车库可以使用雷达或摄像，发现车来了就亮灯；走廊和卫生间可以使用人体红外探测，人来亮灯，人走灭灯；楼梯间可以使用声控延时进行控制；庭院灯可以使用照度进行调光控制辅以远程定时关灯；卧室和客厅可以使用红外遥控进行控制。

图2：灯具控制

图3：能耗检测

图4：单灯调光

3.2 控制层

家居照明控制器主要是单灯控制器、成组控制器、调光控制器，主要功能是根据感知层的传感器传入的信号做出对单灯或成组控制亮灯、灭灯、延时、定时等处理。控制器可以是有线的，也可以是无线的，控制器与相应的网关相连，接收服务器下达的控制指令从而实现对照明灯的控制效果。控制器具备通过Zigbee 无线自组网进行通信连接，实时在线接收信息；具有自诊断和自恢复功能；断电数据保持功能；远程或就地自动调光实现亮灯、暗灯的节能控制；无线路由功能，实现通信的中继功能。

3.3 网络层

由网关节点构成。网络层在应用层与感知层之间、应用层和控制器之间起到一个传递信息的功能。网关节点经过数据适配中间件和网关中间件来接收传感器感知的数据信息并上传至服务中心，网关结点接收来自服务器的控制指令并下发至相关控制器控制相应灯的亮和灭。

中间件的作用是为多种异构设备的采集数据和下发指令提供统一的接口，完成异构数据的转换和解析。

数据适配中间件：由于传感器的类型和功用有很大的区别，不一样厂家的、不一样类型的、不一样用处的传感器具有不一样数据格式和通讯协议。因此感知层对采集上来的数据要通过解析后封装成通用的协议格式上传到服务器，服务器根据不同的传感信号向相应的控制对象下发控制指令，完成相应的控制。

在本解决方案中网关和服务器之间选用4G 或有线进行连接，感知层及控制器之间选用低速短距离传输的无线网上协议ZigBee作为通讯方法。因为ZigBee 具有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全等特点，完全可以满足家居照明感知层和控制层与网关之间的链接。

3.4 应用层

通过感知层和网络层后，数据最终进入控制中心，由控制中心进行集中处理。应用层包含PC 端和移动端的运用。

智慧照明平台具有高效节能、管理优化、稳定可靠、配置灵活的特点。可实现远程监控和可视化操作，可以对任意一盏、一组灯或任意自定义组的路灯进行开关灯、调光等操作；可以使用分布图对每盏灯进行操作，可以完成关、开灯、调光灯功能，每个单灯的故障报警信息可以在地图上动态显示。应用层的主要功能有：

（1）单灯控制：可以通过手机或电脑在地图上对每一盏灯具进行开关控制，见图2。

（2）分组控制：可对灯具进行任意分组，实现一键开启和一键关闭功能，见图2。

（3）定时控制：对室外灯光可以设定定时开启和关闭，见图2。

（4）单灯状态检测。远程查询每一盏灯具的开关状态，远程监测灯具的电流、电压、功率、电能等电参数，远程监测分支回路的电流、电压、功率、电能等电参数，见图3。

（5）单灯调光。远程对每一盏灯具进行调光控制，调光范围为0-100%，见图4。

（6）故障报警。具备异常开/关灯、灯具故障等报警功能。

4 总结

本文给出了一种智能家居中智慧照明系统的设计方案，该方案实现家庭照明系统的智能控制，根据不同的地点和不能的功能灯实现不同的控制方案，经济实惠，实现简单。该方案可以实现灯具的一键全开和一键全关功能,还可以实现自定义组合控制和地图控制灯的开关,同时可以实现室外通过照度控制灯光亮度的调节，也可定时开关灯；室内可以通过人体感应传感器实现照明设备的自动开启功能，从而达到节电的功效。智慧照明控制系统作为智能家居的重要组成部分,可以极大地提高用户体验,为智能家居的推广和应用起到一定的作用。