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基于移动计算系统传感器的智能家居照明控制系统原型开发
Samuel Tanga, Vineetha Kalavallya, Kok Yew Nga,*[1], Jussi Parkkinenb
关键词：智能家居，智能照明，采光，LED照明系统，移动设备，智能手机
摘要：随着智能手机的功能变得愈加强大，使用范围变得愈加广泛，将其集成到智能照明系统中可以提高其便利性和能效。本文提出了一个智能家居的智能照明系统原型，该原型具有增强的安全功能。定制的Android移动应用程序利用车载环境光传感器运行一种新的闭环反馈算法来实现采光功能。成本分析表明，整个系统的设置略低于商业产品，这归功于其优于当前其他商业产品的采光能力，从长远来看具有节省资金的潜力。
- 导论
物联网（IoT）是一个关于相互关联的日常事物的新兴概念[1]。随之而来的是智能家居的概念，在智能家居中，消费电子产品和系统是自动化的，可以由用户轻松控制，从而提高便利性、舒适性、效率和安全性[1]。在智能家居的许多子系统中，照明在我们的日常生活中扮演着极其重要的角色，不仅是在晚上，甚至是在白天也常常使用人工照明来照亮室内。据麦肯锡预测，作为住宅领域主要光源的发光二极管（LED），在2016年的使用率将达到近50%，在2020年超过70%[2]。这表明固态LED照明因其高能效和长寿命而被消费者广泛采用。随着LED技术的进步，与卤素灯泡或荧光灯相比，可以对其进行更复杂、更具挑战性的控制。因此，可以通过使用基于LED的人工智能照明系统来提高生活水平，包括便利性、环境性、可定制性和省电性。例如，可以控制LED灯具的亮度和颜色，可以启用调光等功能以节省功率，或者可以根据场合、心情或情况改变照明颜色。在国际能源署2015年发布的一份报告中，人工照明占住宅建筑能耗的15%[3]。采光是一种利用日光来抵消照亮空间所需电能的方法，它可以在接收大量日光的区域节省高达27%[4]甚至40%[5]的照明功率。
看到智能照明的巨大潜力，许多工业公司已经开始挑战创造商业产品，如飞利浦色调，欧司朗照明，和LIFX。虽然这些是市场上领先的智能照明系统，但在许多领域仍然有欠缺。例如，房间的照度水平没有闭环反馈控制，因此如果不使用外部传感器，采光系统就无法工作。与智能灯相关的其他一些问题，如飞利浦色调和智能家居（通常与物联网集成）是安全和隐私问题[6,7]。飞利浦色调系统和其他一些智能家电在某些研究中已经显示出一些安全漏洞[6]，甚至被黑客成功入侵[7]。这引发了一个巨大的担忧，因为黑客随后能够监控这些智能家居的状态，消除所有隐私，甚至能够控制导致整个房屋断电的灯光，使房屋所有者的境况比使用带有墙壁开关的传统照明系统更糟。
随着智能家居研究的不断深入，各种智能家居模型和体系结构不断被提出。其中一项研究构建了自己的家庭服务器，以实现各种家庭设备的自动化[8]。还有一些人建议修改智能家居中的住宅网关，以用于家庭能源管理系统[9]或将智能家居与云连接[10,11]。智能家居也有多种连接方式，无线网络通常比有线解决方案更受欢迎，因为在建筑的设计和施工过程中必须规划布线，因此，除非进行大规模的翻新工程，否则智能家居系统将无法在旧建筑中实施。常用的无线技术有蓝牙、WiFi，其中最受欢迎的是ZigBee，因为它成本低、功耗高、复杂[12]。因此，它已成为许多智能家居应用的焦点，如能源管理系统[13]、智能照明控制系统[14,15]和家庭自动化[16]。
在照明控制方面，为了在房间没有人的情况下减少人工照明的功率损耗，过去的研究已经将占用传感器纳入照明系统，以自动关闭灯光[17]。在控制房间照度方面，一些现有的工作是利用用户的手动输入来调整照度[18]，或者使用传感器网络[19,20]。到目前为止，所有集中于日光收集和智能照明控制的研究都利用了传感器网络，如[21–24]中所述，因此实施起来成本高昂。
在对智能家居照明体系结构研究较少，商业产品存在不足的情况下，本文提出了一种具有增强的安全功能的智能家居照明系统，以及一种使用用户个人智能手机进行日光采集的非常经济的解决方案。
第2节提出了智能家居照明体系结构；第3节讨论了实现的安全特性；第4节介绍了一种使用智能手机对室内照明进行闭环反馈控制的新方法；第5节介绍了智能家居照明系统，对系统的性能进行了评估，并对日光采伐试验结果进行了讨论；第6节对系统进行了成本分析，并与同类商用产品进行了比较；第7节对论文进行了总结。
2．智能家居照明架构
智能照明系统中的三个主要组件是智能手机应用程序、灯具和主控制器。智能手机应用程序为用户提供控制照明系统的用户界面，并从智能手机上的光传感器获取勒克斯读数，以执行闭环照明反馈。灯具有红色、绿色和蓝色LED通道，可通过使用车载Arduino Uno的脉冲宽度调制（PWM）进行控制。采用树莓派作为主控制器，同时还作为移动应用程序和灯具之间的接口。它还充当家庭服务器的角色，供用户在离家时通过互联网连接到系统，它还可以成为未来智能家居中其他系统集成的平台。这三个主要组件之间的相互作用如图1所示。
图1.提出的智能家居照明控制系统架构
智能照明系统的灯具和主控制器如图2所示。该图显示了一个8通道灯具，但在设置和测试中仅使用了3个通道。
图2.（a） 由Arduino微控制器控制的灯具（b） 主控制器连接到Wi-Fi路由器
由于人眼具有红色、绿色和蓝色频率的光感受器，因此对于这三个频率中的每一个频率具有专用通道的三通道灯具足以产生大量可由人眼区分的颜色。每个通道都由一个驱动器供电，该驱动器的可变电流由0到255范围内的PWM控制。Arduino Uno微控制器控制驱动器，并通过连接到Arduino板的XBee屏蔽与主控制器通信。每个XBee模块都被编程为具有不同的用于灯具区分的地址，并且应用程序编程接口（API）模式2被用于确保XBee模块之间的可靠通信。主控制器和灯具之间传输的数据由4个字节组成，包含控制灯具所需的所有信息，如表1所示。
表1.XBee数据包的有效载荷的位分布
|
说明 |
大小 |
|
标志 |
|
|
*读/写 |
1bit |
|
*关/开 |
1bit |
|
*改变颜色 |
1bit |
|
*停用 |
5bits |
|
红色通道 |
1byte |
|
绿色通道 |
1byte |
|
蓝色通道 |
1byte |
读/写标志用于确定主控制器是请求灯具的当前设置，还是指示灯具更新为以下字节的新数据。off/on标志用于切换灯具的off/on，也用于从灯具到主控制器的应答中，以报告其当前状态。如果主控制器希望灯具将其红、绿、蓝（RGB）值更新为数据包中的数据，则更改颜色标志设置为1，否则设置为0。红色、绿色和蓝色值是灯具应更新到的新的脉宽调制值。算法1给出了单片机与主控制器通信和控制灯具的伪码。
算法1.灯具与Arduino微控制器伪码环路
while (Serial.available() gt; 0) do
Serial.read() end while
Unescape characters, check packet length and checksum if Valid packet then Extract flags if Write then
if Change color then
Extract new color values from packet
Update PWM values end if
Turn on or off the luminaire based on flag end if
Create reply packet
Reply end if
end loop
与其他设备相比，树莓派模型B被选为主控制器，因为它的价格相对较低，并且能够在Linux上运行。它还包含26个专用通用输入输出（GPIO）管脚，其中一些管脚用于连接XBee模块与灯具的通信，其余未使用的管脚可用于将来与其他智能家居系统集成（如果需要）。
图3.所提出系统的软件架构中各层之间的通信
本智能家居智能照明控制的主控制器的软件架构建议具有如图3所示的表示通信方向的箭头结构。设备层处理灯具和主控制器之间的所有通信和协议，包括打包和解包XBee数据包，检查错误和超时。管理层处理所有的协议转换、从JavaScript对象表示法（JSON）结构中提取命令并将它们传递到设备层，反之亦然。用户帐户管理也在此层中处理，以启用或限制用户对系统或某些灯具的访问。该层处理自动化，例如像在某个时间打开一组灯光这种基于时间的功能。用户接口层作为主控制器和用户之间的接口。传输控制协议（TCP）服务器用于接收来自智能手机的连接，而简单服务发现协议（SSDP）服务器用于向智能手机提供服务器的IP地址。SSDP是通用即插即用（UPnP）服务发现协议[25]的基础，这里使用SSDP是为了使主控制器能够拥有由网络分配的动态IP地址，以避免冲突的Internet协议（IP）地址复杂化。协议的实施遵循UPnP网站和论坛报告[25]中提供的规范。即使用户不在同一个网络上，也可以在用户界面层中建立用于使用户能够连接到系统的家庭服务器。由于房屋的IP地址可能会随着互联网服务提供商的变化而变化，因此使用NoIP服务来处理动态域名系统（DNS），以便用户能够在离家时监控照明系统。家庭系统的路由器必须配置为转发所需的端口。树莓派主控制器的所有代码都是用Python编写的，所有网络套接字都在新线程中运行，以确保套接字不会导致系统对新输入没有响应。当用户改变亮度、颜色或状态切换的设置时，主控制器中的命令和数据流如图4所示。
图4.更改灯具设置时主控制器中的命令和数据流
打开应用程序后，将加载登录界面，并在后台搜索主控制器的IP地址。登录后，将显示灯具列表，其中包含更改亮度、来自预设列表或色轮的颜色以及切换开/关状态的选项。在后台作为服务运行的闭环控制也在这里启动，这样用户就可以使用智能手机上的其他应用程序而不会中断反馈控制。智能手机应用程序的用户界面如图5所示。实现颜色选择器的代码改编自GitHub上的公共共享代码[26]。
图5.智能手机应用程序的用户界面：登录屏幕（左上角）、输入所需亮度的弹出窗口（左下角）、灯具列表（中间）、选择所需颜色的弹出窗口（右下角）
三．安全功能
在物联网中，安全特性对于提高系统的安全性和用户的隐私性非常重要。公钥基础设施（PKI）用于保护智能手机和主控制器之间的连接，如IEEE标准协会所建议的那样[27]。主控制器运行由传输层安全（TLS）保护的TCP服务器，用户若要访问系统，则需要使用用户名和密码登录，为超文本传输协议安全（HTTPS）服务提供类似的安全功能，以抵御重播、中间人等攻击。生成一个X.509自签名证书和一对公钥-私钥，并存储在主控制器中。然后生成一个BouncyCastle（BKS）文件并加载到Android应用程序的自定义密钥库中。还将在应用程序中创建自定义主机名验证程序，以验证服务器的标识。实施TLS后，即使家庭网络遭到破坏，用户和主控制器之间的所有数据和命令都是安全和可信的。这将防止Nitesh Dhanjani在飞利浦色调上成功实施的“永久断电”攻击[28]。
另一方面，主控制器和灯具之间的XBee连接使用高级加密标准（AES）进行保护。如果系统中添加了新的XBee设备，主控制器可以使用AT命令连接到新设备并设置AES密钥，因此系统具有足够的灵活性来处理新灯具的添加。
四．使用移动设备采光
很明显，采光的实施可以节省大量的能源。然而，在家庭系统中安装传感器网络将是非常昂贵的，并且由于在当今无处不在的典型智能手机上有各种传感器可用，因此将这些传感器用于照明系统将是非常经济的。用于执行日光采集的传感器之一是用于检测自动屏幕亮度调整的环境光的光传感器。在Android设备上，此传感器返回lux值，并用于反馈到照明系统，以使灯光变暗或变亮，从而始终保持所需的照度水平。
用于控制光强度以平衡采光和用户舒适度的反馈控制框图如图6所示，其变量的描述见表2。
图6.勒克斯反馈控制框图
表2.图6中的变量说明
|
变量 |
描述 |
|
X(t) |
用户设定的参考照度 |
|
e(t) |
表示参考勒克斯值和实际感测勒克斯值之间差异 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[238203]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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