基于云計(jì)算的高端LED吸頂燈的照明控制系統(tǒng) - 全文

　　該系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)緊密結(jié)合，利用炙手可熱的移動(dòng)設(shè)備如手機(jī)，Ipad作為控制端，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)室內(nèi)LED吸頂燈的遠(yuǎn)程開關(guān)控制，而且還可以實(shí)現(xiàn)色溫、亮度的無極調(diào)節(jié)，關(guān)燈定時(shí)等功能。同時(shí)與云計(jì)算平臺(tái)的相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家中狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在任何有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方，無論有線網(wǎng)、WIFI網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)或3G網(wǎng)絡(luò)，都可以通過手機(jī)登錄應(yīng)用軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操控。

　　LED光源因其能耗少、顯色度高、壽命長、無毒、可回收再利用等優(yōu)點(diǎn)，被稱為是21世紀(jì)最有發(fā)展前景的綠色照明光源。室內(nèi)吸頂燈采用LED燈珠，可以實(shí)現(xiàn)良好的顯色指數(shù)，并能利用LED的色溫特性實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具的色溫調(diào)節(jié)，以滿足人對(duì)視覺的要求。

　　網(wǎng)絡(luò)的廣泛普及和通信技術(shù)的高速度發(fā)展，給社會(huì)帶來了數(shù)字化和信息化的改變，各種家用電器也更加智能化。智能手機(jī)的大力普及為人們提供了一個(gè)可以隨時(shí)隨地接入互聯(lián)網(wǎng)的智能終端，利用手機(jī)、IPAD等對(duì)燈具進(jìn)行控制免去了找遙控器的煩惱，方便快捷。同時(shí)，在開啟家庭監(jiān)控功能的時(shí)候，能夠?qū)?shí)時(shí)監(jiān)視視頻保存在大存儲(chǔ)容量的云服務(wù)平臺(tái)上，出差在外的用戶通過手機(jī)可以登錄云平臺(tái)及時(shí)了解家中的情況，且不會(huì)占據(jù)手機(jī)內(nèi)存。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)利用因特網(wǎng)和WIFI無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及云計(jì)算平臺(tái)設(shè)計(jì)了一種智能照明控制技術(shù)，通過移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)對(duì)LED燈的遠(yuǎn)程開關(guān)、亮度和色溫調(diào)節(jié)，同時(shí)利用云服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)家中情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

　　總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　基于云計(jì)算的高端LED吸頂燈的照明控制系統(tǒng)分為三大模塊，分別為移動(dòng)控制端、云服務(wù)平臺(tái)，控制中心。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示?？刂浦行模钦麄€(gè)系統(tǒng)的控制樞紐，在控制端與控制對(duì)象之間建立起連接，統(tǒng)籌各個(gè)部分協(xié)調(diào)工作。LED吸頂燈內(nèi)置WIFI模塊，手機(jī)可以直接連接到其發(fā)出的無線局域網(wǎng)對(duì)其進(jìn)行近距離控制，當(dāng)然也可以將燈具和手機(jī)同時(shí)連接到因特網(wǎng)對(duì)燈具進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

　　引入云計(jì)算平臺(tái)之后，我們通過遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，方便出差在外的人們通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭了解家中燈具開啟情況，方便及時(shí)對(duì)燈具進(jìn)行相應(yīng)操作，實(shí)現(xiàn)未進(jìn)家門先將燈具開啟以及解決出門忘記關(guān)燈的煩擾。照明控制技術(shù)與云計(jì)算相結(jié)合，使得云服務(wù)器可以連接成千上萬的燈具子系統(tǒng)，進(jìn)行統(tǒng)籌控制。

　　2.1控制中心

　　控制中心是整個(gè)照明控制系統(tǒng)的核心模塊，如圖2所示。它在控制端與控制對(duì)象之間建立起連接，統(tǒng)籌各個(gè)部分協(xié)調(diào)工作?？刂浦行牡闹饕ぷ靼ê褪謾C(jī)移動(dòng)端的通信、和云服務(wù)器的信息交互以及對(duì)燈具的調(diào)節(jié)控制。其中最主要的部分是WIFI通信部分，其工作原理是接收手機(jī)發(fā)送來的指令，將接收到的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)，輸入到單片機(jī)，經(jīng)過燈具控制模塊的解碼譯碼，對(duì)兩路PWM信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之輸出不同的占空比，改變調(diào)光電源輸出電流的大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)燈具亮度和色溫的狀態(tài)。

　　本設(shè)計(jì)通過USR-WIFI232-SUART接口WIFI數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)與串口信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)手機(jī)等移動(dòng)控制端通過無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)燈具的控制。本系統(tǒng)選用***宏晶的STC12C5620AD單片機(jī)作為主控芯片。如圖3所示，為USR-WIFI232-Ｓ模塊與單片機(jī) STC12C5620AD的接口電路設(shè)計(jì)。USR-WIFI232-Ｓ模塊與STC12Ｃ5620ＡＤ通過串口進(jìn)行連接，完成數(shù)據(jù)的交互。

　　USR-WIFI232-Ｓ模塊有三種工作模式，包括AP模式，STA模式和STA+AP模式。

　　本設(shè)計(jì)系統(tǒng)使用STA+AP模式。如圖4所示，采用STA+AP模式，可以利用手機(jī)等手持設(shè)備對(duì)用戶設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，而不改變其原來的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。

　　這種組網(wǎng)應(yīng)用可以采集用戶設(shè)備上的數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到服務(wù)器上處理和存儲(chǔ)，服務(wù)器也可以發(fā)送命令對(duì)用戶設(shè)備進(jìn)行控制。用戶既可以用手機(jī)或者PC通過局域網(wǎng)進(jìn)行設(shè)備控制，又可以遠(yuǎn)程通過手機(jī)或PC與服務(wù)器通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)獲取或者遠(yuǎn)程設(shè)備控制。

　　2.2云服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)

　　云服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)包括云計(jì)算平臺(tái)層、服務(wù)層和手機(jī)端應(yīng)用層。如圖5所示。

　　云計(jì)算平臺(tái)旨在現(xiàn)有的軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施上構(gòu)建云環(huán)境，為上一級(jí)的控制層提供云計(jì)算相關(guān)的基礎(chǔ)服務(wù)，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理服務(wù)、分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。

　　控制服務(wù)層不僅要提供與云計(jì)算平臺(tái)層即通信接口，還要與手機(jī)端應(yīng)用進(jìn)行交互，處理來自用戶客戶端的請(qǐng)求，如需要查看家中監(jiān)控視頻。手機(jī)端應(yīng)用層直接面向用戶，與用戶進(jìn)行界面互動(dòng)，進(jìn)而控制燈具狀態(tài)、反饋信息等。

　　云計(jì)算平臺(tái)層是一個(gè)提供云服務(wù)的服務(wù)器集群，提供如下功能：

　?。?）通過Internet接收來自控制中心的命令，存儲(chǔ)家庭網(wǎng)絡(luò)攝像頭的錄像數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，并根據(jù)控制端的指令將數(shù)據(jù)傳遞給手機(jī)。

　　（2）通過Internet與控制端連接，接受來自控制端的指令。

　　（3）內(nèi)置大量有關(guān)光的色溫，眩光等有關(guān)光健康的相關(guān)知識(shí)，供用戶下載查看。

　　2.3移動(dòng)控制端

　　移動(dòng)控制端是一個(gè)人機(jī)界面設(shè)備，是用戶使用該系統(tǒng)的媒介。本系統(tǒng)利用當(dāng)前主流的Android、IOS系統(tǒng)作為平臺(tái)開發(fā)控制終端APP來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作。界面和燈具的之間通信通過網(wǎng)絡(luò)通信來完成。目前的網(wǎng)絡(luò)通信模式有多種，如HTTP通信方式、Socket通信以及WebService方式等。本系統(tǒng)采用Socket通信方式與服務(wù)器建立連接并傳遞數(shù)據(jù)。

　　建立Socket連接至少需要一對(duì)套接字，一個(gè)是運(yùn)行在客戶端的Client Socket，另一個(gè)是運(yùn)行于服務(wù)器端的Server Socket。套接字之間的連接過程可以歸為三個(gè)步驟：服務(wù)器監(jiān)聽，客戶端請(qǐng)求，連接確認(rèn)。Java.net.Socket這一接口，提供了實(shí)現(xiàn) Socket通信的完整API。

　　軟件設(shè)計(jì)工作主要分為三個(gè)部分。一是單片機(jī)接收WIFI信號(hào)進(jìn)行調(diào)光、調(diào)色控制部分，二是云計(jì)算平臺(tái)的軟件部分，三是移動(dòng)控制端部分，包括Android和IOS系統(tǒng)的應(yīng)用端APP。

　　3.1 LED調(diào)光控制

　　如圖6所示為LED調(diào)光控制程序流程圖。在程序執(zhí)行開始時(shí)，先對(duì)單片機(jī)的PCA寄存器進(jìn)行初始化。然后不斷地等待WIFI模塊傳送過來的信號(hào)。當(dāng)單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，接受標(biāo)志位置1，讀入到接收緩存器內(nèi)，然后由單片機(jī)對(duì)收到的代碼進(jìn)行解碼譯碼，進(jìn)而執(zhí)行相應(yīng)的操作。

　　3.2云計(jì)算平臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)

　　云計(jì)算平臺(tái)的軟件結(jié)構(gòu)層次如圖7所示。

　　云計(jì)算平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)既可以自行搭建服務(wù)器集群的私有云，也可以直接租用大型云計(jì)算公司所提供的服務(wù)，如云計(jì)算行業(yè)巨頭Google、Amazon推出的云服務(wù)。

　　在云計(jì)算平臺(tái)上，我們提供一個(gè)基礎(chǔ)服務(wù)層，來為該系統(tǒng)提供一些必須的功能，如用戶認(rèn)證、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、與控制中心和智能終端的聯(lián)網(wǎng)和編程接口。這為更高級(jí)的應(yīng)用層提供了一些標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)。我們可以利用這些服務(wù)來維護(hù)我們的軟件系統(tǒng)，進(jìn)一步開發(fā)系統(tǒng)軟件應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及時(shí)更新。

　　3.3移動(dòng)控制端軟件開發(fā)

　　根據(jù)智能LED吸頂燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，控制終端系統(tǒng)應(yīng)包括如下功能：

　　（1）通過手機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED吸頂燈的一鍵開關(guān)、一健全亮、暖白、正白設(shè)置。

　　（2）通過手機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED吸頂燈的亮度無極調(diào)節(jié)（5%-100%）以及色溫?zé)o極調(diào)節(jié)（2700K-6500K）。

　　（3）實(shí)現(xiàn)對(duì)LED吸頂燈的定時(shí)功能，分別為：“無定時(shí)”，“10分鐘”、“20分鐘”，“30分鐘”。

　?。?）通過手機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED吸頂燈的按鍵指示音的開啟和關(guān)閉以及常夜燈三檔亮度調(diào)節(jié)（30%、60%、100%）。

　　手機(jī)端APP的整體設(shè)計(jì)如圖8所示。在登陸界面上輸入IP和端口號(hào)，即能連接上網(wǎng)絡(luò)。隨后進(jìn)入主界面，既可以對(duì)燈具進(jìn)行控制。

　　主界面右上角的白色按鈕是收藏夾按鈕，收藏夾中有用戶的賬戶管理、添加燈組、訂閱、退出等功能。

　　結(jié)論

　　系統(tǒng)測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在任何有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方都可以通過手機(jī)或Ipad登陸應(yīng)用程序APP，對(duì)LED吸頂燈進(jìn)行開關(guān)、亮度、色溫的控制。本系統(tǒng)可以應(yīng)用到家庭照明，特別適合家居面積較大、房屋較多的別墅，可以方便的對(duì)家中燈具進(jìn)行組網(wǎng)控制。此外，若對(duì)本設(shè)計(jì)稍作修改，則可以推廣到類似的項(xiàng)目，如遠(yuǎn)程智能家居的管理、遠(yuǎn)程攝像頭控制管理系統(tǒng)以及許多其他的類似項(xiàng)目。