基于BLE的智能家居灯光控制系统的设计与开发

张欣国 赵楠 尹富民

摘要：近年来，伴随着我国计算机科技以及社会经济的飞速发展，以往的根据人的行为习惯布置开关控制照明的方式的已经不能够满足人们的需求，达不到人们需要的方便、舒适、灵活的要求，而本次项目的宗旨就是体现以人为本的设计理念，让灯光控制可以更加符合人的行为方式，这便是智能家居灯光控制系统。现通过BLE网络建立灯光控制系统，该系统可以通过蓝牙工具实现对灯光的控制，在发送指令后，系统可以反馈控制结果。

关键词：BLE;灯光控制;智能家居

1 引言

当今社会，一个好的灯光控制系统对于人们的生活可以起到至关重要的改善作用，可以让我们的生活更加便利，随着生活水平的提高，人们对于智能化生活的需求日益增多，而进行基于BLE的智能化灯光控制系统的设计实现是基本的，也是必须的步骤。人们对于灯光的控制已经不仅仅满足于原来的基于行为习惯进行控制开关设置的方式，但是在智能化的灯光控制系统的设计方面又存在很大的缺口，并且各个开发部门对于这个方面的重视程度也不够高，因此，在基于BLE的智能家居灯光控制系统方面还没有比较完善，比较突出的设计成果。一个好的智能家居灯光控制系统，不仅仅是要在操控上实现便利，还要有兼顾性和低功耗性，这样才算是一个比较完善的智能家居灯光控制系统，这样的控制系统无论对于智能家居这个领域的发展无疑具有重要的意义。

2 基于BLE的灯光控制系统

Android是由Alphabet旗下Google公司开发的一种基于Linux内核的自由及开放源码的操作系统，主要用于移动设备。目前我国几乎所有智能手机科技公司均使用Android操作系统作为自家智能手机及平板的操作系统。根据近年来大学市场调查显示高校学生中使用国产手机比例高达80.16%，故而，我们的BLE智能家居灯光控制系统也是基于比较大众化的Android系统，这样对于系统的应用范围来说也更好的普及。

BLE又称低功耗蓝牙，也就是说，本次实验是基于蓝牙的灯光控制系统，这其中涉及的内容就是无线通信里面的相关知识，蓝牙对于灯光的控制就需要以控制节点以及相关协议为基础，当然不同版本的协议之间的通信方式也许有略微的差异，但是由于本系统主要针对的是对于灯光控制系统的实现，所以不影响整体实现。对于本系统来说控制节点的设置，指令的控制以及相应的Android传感器的开发都是比较重要的步骤，无论哪一個步骤逻辑涉及不清晰，都进行不了最后的无线通信，也就进行不了后面关于的灯光控制。

上述中提到由于需要实现无线通信，所以，对于Android传感器的开发也是有必要的，主要是针对于获取传感器管理对象和传感器类型的确定，并且在最终对于指令结果的返回也需要进行相应传感器的设置，相当于进行数据的传输与返回。

3 实现技术

3.1 系统的设计总框架

基于BLE的智能家居灯光控制系统，总的来说分为两个模块，一个就是对于远程通信控制设计模块，另一个就是硬件设计模块，其中硬件设计模块相对比较简单，芯片与LED灯进行连接，保证输入输出流的传输，其中，芯片直接驱动LED灯，根据无线通信传输的数据包对LED灯的状态进行相应的改变。但是，对于远程通信控制模块，就比较繁琐，涉及到的知识比较多，其中有关于Android BLE，Android传感器的应用，无线通信协议的应用，以及数据包传输与解析所涉及的内容，这些内容是保证本系统可以正常实现的前提。

本系统基于BLE，其中涉及到各种通信协议的连接，这样的话可以保证无线通信的实现，灯光控制系统是由软硬件组成，构成了一个比较完善的物联网云平台，其中，智能网关可以设定为开关形式或者接口形式，以确保该系统的数据传输可以得到保证。

3.2 远程通信控制设计

面对如此多的控制方式以及通信协议，根据我们想要达成的目的选择相应的控制方式以及通信协议的设定是很有必要的。我们在这个过程中要进行控制类节点逻辑事件的设计与实现，远程控制程序的设计，控制类协议设计，以及Android传感器的接口设计，基于以上四个模块的设计，所涉及到的无线数据包才可以进行相应的收发和解析，这也是实现无线通信的比较核心和关键的设计思想与步骤。

首先，控制类节点的逻辑事件需要实现的三个步骤：1.远程设备对相应的节点发送控制指令，并且节点实现相应的响应。2.远程节点收到指令后进行查询，实时响应后返回设备状态。3.控制节点设备状态并进行反馈。以上三个步骤是实现通信的主要依托，这其中涉及到相应的逻辑判断的设定，以保证通信的实现。其次，针对于控制类协议的设计，是后面实现无线通信的基础，协议的设定相当于是进行通信准则的设定，这其中包括，起始字符的设定，参数个数的设定，以及分隔符的设定，更有甚者，对于上下行数据的格式参考和命令参考进行相应的设定，这样在后面进行无线通信的时候可以很好的进行状态等的判断，保证数据沿着特定的方向有条不紊的传输，不会出现不必要的麻烦。

对于Android BLE来说，通过API来扫描周围的设备，之后进行相应的连接，发送相应的指令，进行相应的执行，其特点有三个：1.低功耗，使用其进行通信时，需要的耗能是普通蓝牙的一般。2.传输距离远，提升至一百米。3.低延时，可以在极短的时间内进行数据的传输。虽然其传输的数据量较小，但是对于灯光控制来说也是充足有余的，正因如此，其在智能家居，智能硬件方面应用范围极广。对于BLE来说，其工作模有四种：1.主设备模式，可以与一个从设备进行连接，同时获得相应的地址。2.从设备模式，BLE支持从设备模式，可以通过两个通道进行数据的收发，当然这里面涉及到一些服务地址，不过可以进行查找。3.广播模式，这种模式可以进行一对多的广播，该模块可以在低功耗的方式下持续进行数据的广播，是一种比较便捷的方式。4.Mesh组网模式，这种模式下，每个模块可以自由组网，不会有那么多的局限性，或者说是数据传输不流畅，当某一个设备受到阻碍时，所传输的数据可以自动跳过，寻找最近的节点进行相应的传输。这样也是Android BLE的自身优势，也是它收到广泛欢迎的重要原因。

对于传感器的接口设计也是十分重要的，传感器起到的是过渡的作用，每个函数或者接口進行相应的功能，那么，当一个函数或者接口执行完，需要调入下一个函数或者接口进行执行的时候，需要先将相应的数据包传输到传感器，传感器感受到之后，再传到对应的接口位置，所以，传感器接口的设计是保证数据包可以传输到控制节点的前提，传感器的设计包括四个方面：1.硬件初始化。2.控制器控制函数。3.数据传输与解析。4.用户事件的处理。这样，有了传感器的设置，就可以保证数据的及时传输，以及状态的实时反馈。最后，对于无线数据包的收发与解析，则要具体到每一个函数，相应的功能对应相应的函数。

4 结语

此应用设计的目的在于设计一个基于BLE的智能家居灯光控制系统，基于全球智能手机市场所占比最大的Android操作系统，保证了我们的系统可以被绝大部分的用户使用。基于BLE的智能家居灯光控制系统是一个比较完善，并且可以根据使用者的需求实时进行灯光控制的系统，这是一种发展的趋势。为了追求高质量的服务，我们进行了比较细致的设计，保证无线通信的顺利进行，其中涉及到的知识层面比较多，对于知识的应用能力的提高起到了至关重要的作用。为了实现一个比较完善的基于BLE的智能家居灯光控制系统，我们需要结合Android BLE，Android传感器以及各个通信协议的工作方式等知识，这样的设计，最后会出现一个面向大众化的灯光控制系统，会大大的便利人们的生活，提供给人们比较完备和灵活的系统，给人以更大程度的享受，这样的系统无论是对于人们的享受程度还是对于智能家居本身的发展，无疑是具有重大的意义。

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基金：西北民族大学中央高校基本科研业务费资助本科生科研能力训练项目（项目编号：XBMU21196）