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能源和建筑
——研究智能家居智能照明控制原型系统在移动计算系统上的传感器的体系结构上的应用
Samuel Tang, Vineetha Kalavally, Kok Yew Ng, Jussi Parkkinen
马来西亚莫纳什大学电气和计算机系统工程系
芬兰东部芬兰大学计算机学院
文章信息:
文章历史：
2016年8月11日收到
2016年12月21日以修改后的格式收到
2016年12月22日接受
2016年12月27日上传
关键词：
智能家居，智能照明，日光收集，发光二极管照明系统，移动装置，智能手机
摘要：
当今智能手机变得越来越先进，无处不在，把它们集成到智能照明系统中，可以提高便利性和能源效率。本文提出了一种智能家居智能照明系统的原型。通过定制的Android移动应用程序利用机载环境光传感器来执行一种新的闭环反馈算法来实现日光收集。成本分析表明，整个系统的设置比商业产品稍便宜，而且由于它的日光收集能力，从长远来看，它有可能节省成本支出，胜过目前的商业产品。 copy;2016 Elsevier公司保留所有权利。
1.产品简介
互联网是一种新兴的相互连接的日常事物概念。这是智能家居的消费电子产品和系统是自动的，可以通过提高便利性，用户很容易控制舒适度的概念，效率和安全性。在智能家居的许多子系统中，照明在我们的日常生活中起着非常重要的作用。不仅仅是在晚上，甚至在白天，人们都在室内使用人工照明来照明。麦肯锡预计作为住宅区的主要光源发光二极管（LED）的应用率将在2016年达到50%，并在2020年超过70%。由于其节能效率高、寿命长，消费者对固态LED照明的接受程度很高。随着LED技术的进步，与卤素灯泡或荧光灯相比，它可以在技术上实现更复杂和更具挑战性的控制。因此，通过基于LED的智能照明系统，使用人工照明可以改善便利性，环境，可定制性和节能方面的生活水平。 例如，控制LED灯具的亮度和颜色，启用诸如调光的功能以节省电力，或者改变照明颜色以适应场合，氛围或实际情况。 在国际能源署2015年发布的报告中，人工照明占住宅建筑能耗的15％。 日光采集是一种采用日光来抵消照明空间所需的电能的方法，在阳光充足的地区可以节省高达27％甚至40％的照明功率。
鉴于智能照明具有巨大潜力，许多工业公司已经接受了开发其商业产品的挑战，如飞利浦Hue，欧司朗Lightify和LIFX。虽然这些是市场上领先的智能照明系统，但它们在许多领域仍然欠缺。例如，对于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，就不能使用日光收集。与智能灯相关还有一些其他问题，如飞利浦Hue和与IoT集成的智能家居普遍存在安全性和隐私问题。 对飞利浦Hue系统以及其他一些智能家用电器进行调查后发现，他们普遍存在一些安全漏洞，甚至有些已被成功入侵。这引发了巨大的担忧。因为黑客随时能够监视这些智能家居的状态，清除所有隐私信息，甚至能够控制灯光，从而导致整个房子的停电，使房屋的拥有者拥有比使用带墙壁开关的传统照明系统更糟糕的用户体验。
随着智能家居研究的不断深入，人们提出了各种智能家居模型和体系结构。其中有人构建了自己的家庭服务器，以实现各种家庭设备的自动化。其他一些人则提出修改住宅网关在智能家居能源管理系统或改将智能家居连接到云端。智能家庭也有各种连接选项，而无线网络通常比有线解决方案更受欢迎。因为有线解决方案必须在建筑设计和施工期间规划布线，所以除非进行大规模的改造工程，否则智能家居系统将无法在较旧的建筑中实施。常用的无线技术有蓝牙和Wi-Fi，其中最流行的是ZigBee，因为它的低成本，低能耗和多样性。因此，它在很多智能家居的应用中一直是人们关注的焦点。例如能源管理系统，智能照明控制系统和家庭自动化。
在照明控制方面，为了减少房间未被使用时人工照明的功率浪费，过去的研究已将传感器并入照明系统，在房间没人时自动关闭灯光。一些现有的控制室内照度的工作通过用户的手动输入或者通过使用传感器网络来调整照明强度。到目前为止，所有关于日光采集和智能照明控制的研究都利用了诸如这样的传感器网络，因此实施起来成本很高。
针对智能家居照明系统和商业产品的不足之处，本文提出了一种更安全的智能家居照明系统，以及使用用户的个人智能手机进行日光采集的非常经济的解决方案。
在本文第2节中，提出了智能家居照明体系结构; 在第3节中对系统安全功能的实现进行了讨论; 在第4节中，演示了使用智能手机控制室内照明的新颖闭环反馈控制; 在第5节中，评估了系统的性能，并分析了日光采集实验的结果; 在第6节中，进行成本分析和本系统与类似商业产品的比较; 第7部分是全文的总结。
2.智能家居照明系统结构
智能照明系统的三个主要组成部分是智能手机应用、灯具和主控制器。智能手机应用程序为用户提供用户界面以控制照明系统并获取相关信息，并从智能手机上的光传感器获取勒克斯读数来执行闭环照明反馈。灯具使用板载Arduino Uno通过脉宽调制（PWM）控制红，绿和蓝LED通道。Raspberry Pi被用作主控制器，充当移动应用和灯具之间的接口。它还可以作为用户的家庭服务器，让用户在离家时通过互联网连接到系统，在未来也可以作为整合其他智能家居系统的平台。这三个主要部件如图1所示相互影响。智能照明系统的灯具和主控制器如图2所示。该图显示了一个八通道灯具，但仅有3个灯具通道用于安装和测试。
图1.提出了智能家居照明控制系统的体系结构。(对于文本中对颜色的引用的解释，读者可参考本文的web版本。)
图2.由Arduino微控制器控制的灯具和连接到无线路由器的主控制器
由于人眼在红色，绿色和蓝色频率下具有感光器，对于这3个频率中的每一个都具有专用通道的三通道灯具足以产生大量可被人眼区分的颜色。 每个通道由驱动器供电，驱动器的可变电流由PWM控制，范围从0到255。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用于灯具差异化的不同地址，并且使用应用编程接口（API）模式2来确保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，其中包含控制灯具所需的所有信息，如表1所示。
表1.XBee 数据包的有效负载位的分布
读/写标志用于确定主控制器是否请求灯具的当前设置，或者指示灯具以以下字节更新新数据。关/开标志用于关闭/打开照明设备，也可使用它在从灯具到主控制器的反馈中报告其当前状态。如果主控制器希望灯具将其红、绿、蓝（RGB）值更新到包中的数据，则更改颜色标志设置为1，否则设置为0。红色，绿色和蓝色值为灯具应该更新到的新PWM值。算法1显示了微控制器与主控制器通信并控制灯具的伪代码。
算法1.灯具Arduino微控制器伪代码
Raspberry Pi模型B被选为其他设备作为主控制器，相对于它的竞争对手而言，它的价格相对较低，并且它能够在Linux上运行。它还包含26个专用通用输入输出（GPIO）引脚，其中一些用于连接与该灯具通信的XBee模块。如果需要的话，其余未使用的引脚可用于将来与其他智能家居系统集成。
该智能家居照明控制的主控制器的软件结构，提出了具有箭头描绘通信方向的结构，如图3所示。设备层处理所有的通信和灯具和主控制器之间的协议，包括包装和解包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 Object Notation（JSON）结构中提取命令并将它们传递到设备层，反之亦然。用户帐户管理也在这一层进行处理，以启用或限制用户访问系统或某些灯具。该层处理自动化，例如基于时间的功能，例如在特定时间打开一组灯。用户界面层用作主控制器和用户之间的接口。传输控制协议（TCP）服务器设置为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）服务的发现协议的基础，用在这里，以便主控制器能够拥有网络分配的动态IP地址，以避免冲突的Internet协议（IP）解决并发症。该协议的实施遵循UPnP网站和论坛报告中提供的规范。即使用户不在同一网络上，用户也可以使用家庭服务器连接到系统，这也是在用户界面层中建立的。由于房屋的IP地址可能会因互联网服务提供商而发生变化，因此NoIP服务用于处理动态域名系统（DNS），以便用户即使在远离家乡的情况下也能够监控和控制照明系统。家庭系统的路由器必须配置为转发所需的端口。Raspberry Pi主控制器的所有代码均以Python编写，所有网络套接字均以新线程运行，以确保套接字不会导致系统对新输入无响应。当用户改变亮度、颜色或切换状态时，主控制器中的命令和数据流变化如图4所示。
图3.在所提出的系统的软件架构中的层之间的通信
图4.当灯具设置改变时，主控制器中的命令和数据流动。 （为了解释文中颜色的引用，读者可参考本文的网页版。）
打开应用程序后，登录屏幕将开始加载，并在后台搜索主控制器的IP地址。一旦登录，灯具的列表显示选项，以改变亮度，颜色从预设列表或色轮，并切换开/关状态。作为后台服务运行的闭环控制，用户也可以在不干扰反馈控制的情况下使用智能手机上的其他应用程序。智能手机应用程序的用户界面如图5所示。本代码实现的颜色选择器是改编自一个公开共享代码在GitHub上。
图5.智能手机应用程序的用户界面：登录屏幕（左上角），弹出以进入所需的lux（左下角），灯具列表（中），弹出以选择所需的颜色（右）。 （为了解释这个图例中的颜色引用，读者可以参考这篇文章的web版本。）
3.安全功能
物联网中的安全功能非常重要，可以提高系统的安全性和用户的隐私。公共密钥基础设施（PKI）用于保护智能手机和主控制器之间的连接，正如IEEE标准协会[27]中所建议的那样。主控制器运行受传输层安全性（TLS）保护的TCP服务器，用户访问系统需要使用用户名和密码进行登录，以超文本传输协议提供类似的安全功能（HTTPS）服务阻止攻击如重放攻击、中间人和其他人。X.509自签名证书和公私钥对已生成并存储在主控制器中。然后生成BouncyCastle（BKS）文件并将其加载到Android应用程序中的自定义KeyStore中。还会在应用程序中创建自定义HostNameVerifier以验证服务器的身份。通过实施TLS，即使家庭网络受到威胁，用户和主控制器之间的所有数据和命令都是安全可靠的。这将防止如Nitesh Dhanjani在飞利浦Hue上实施的#39;永久停电#39;攻击。
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。 在新的XBee设备被添加到系统中的情况下，主控制器可以使用AT命令连接到新设备并设置AES密钥。因此系统足够灵活，可以处理新灯具的增加。
4.使用移动装置的日光收集
显然，随着日光收集的实施，可以节省大量的能源。然而，将传感器网络安装在家庭系统中将是非常昂贵的，并且由于现今普遍存在的典型智能电话中存在各种传感器，所以将这些传感器用于照明系统将被证明是非常经济的。用于执行日光采集的传感器之一是用于检测环境光以实现自动屏幕亮度调节的光传感器。在Android设备上，此传感器返回勒克斯值，并用于反馈至照明系统以使灯变暗或变亮始终保持所需的照度水平。
用于控制光照强度以平衡日光采集和用户舒适度的反馈控制框图如图6所示，其中描述了表2中的变量。
图6.反馈控制框图的lux
表2.图6中变量的描述
误差信号e（t）和房间照度水平Y（t）可以表示为，
结合等式 （1）和（2）产生光传感器观察到的房间的输出或照度水平：
选择比例积分（PI）控制器，使系统能够实现零稳态误差。差分器没有被使用，因为它会放大系统中现有的噪声。有人提出了一些方法来平滑智能手机传感器读数，但这些方法并未使用，因为它们会在传感器读数中引入延迟，从而导致反馈控制反应缓慢。
从方程（3）可以看出，采用该系统可以进行日光采集，因为期望照度级别和其他光源都通过反馈回路，因此灯具的输出可以调整以满足用户的需求。当日光照射房间时，反馈回路会导致灯具变暗，从而为用户提供舒适的照度水平并同时减少电力消耗。该系统无法满足用户规格的唯一情况是用户选择了非常高的理想勒克斯，并且与日光相结合的灯具的最大输出无法满足此需求; 或者当用户的期望照度水平低于即将到来的日光，在这种情况下，灯具将完全关闭，房间仅在日光下点亮。
算法2显示了使用环境光传感器在Android智能手机上实现的闭环反馈控制器的伪代码。 由于HSV模型中的值分量表示颜色的亮度，所以在色相饱和度值（HSV）色彩空间中执行计算，然后将其转换为RGB值发送到灯具。照明器的色调和饱和度值针对用户的选定颜色保持不变，从而可以实现日光采集的同时保持从照明器发出的光的颜色。
算法2.闭环反馈控制伪代码
由于智能手机上的光线传感器能够读取比在设备内进行所有计算和通信所需时间更快的值，因此在算法中使用feedbackDone标志以确保反馈的每个环路均为在下一步执行之前完成。使用SensorManager的设置将光线感应器设置为Android上最慢的速度。SENSOR DELAY
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