基于移动计算系统上的传感器的智能家居智能照明控制架构的开发外文翻译资料

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基于移动计算系统上的传感器的智能家居智能照明控制架构的开发

Samuel Tang^a, , Vineetha Kalavally^a, , Kok Yew Ng^a, ，Jussi Parkkinen^b,

摘要：随着智能手机越来越强大和无所不在，将它们集成到智能照明系统中可以提高便利性和能源效率。 本文介绍了智能照明系统原型，增强了智能家居的安全特性。 定制的Android移动应用程序使用车载环境光传感器来运行一种新颖的闭环反馈算法来实现日光采集。 成本分析表明，整个系统的设置比商业产品便宜得多，由于其采光能力，从长远来看，具有节省成本的潜力，超过目前的商业产品。

关键词：智能家居 智能照明; 日光收获; LED照明系统; 移动设备; 手机

1.介绍

物联网（IoT）是互联互通的日常物品的新兴概念[1]。随着智能家居的发展，消费电子产品和系统自动化，用户可以轻松控制，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起着非常重要的作用，而不仅仅是在夜晚，甚至在白天，人造照明被用来照亮室内。预计2016年发光二极管（LED）作为主要光源的摄入量将在2016年达到近50％，麦肯锡在2020年将超过70％[2]，显示出固态LED照明灯具的采用率高消费者由于其高能效和长使用寿命。随着LED技术的进步，与卤素灯泡或荧光灯相比，可以进行更多的技术复杂和挑战性的控制。因此，通过基于LED的智能照明系统，可以通过使用人造照明在便利性，氛围，可定制性和节能方面改善生活水平。例如，可以控制LED灯具的亮度和颜色，可以实现调光等功能，节省电源或照明颜色，以适应场合，情绪或情况。国际能源署在2015年发布的一份报告中，人造照明占住宅楼宇能耗的15％[3]。日光收集是采用日光消除照明空间所需的电能的方法，可节省高达27％[4]甚至40％[5]的照明功率。

智能照明方面的潜力巨大，许多工业企业已经面临着诸如Philips Hue，OSRAM Lightify和LIFX等商业产品的挑战。虽然这些是市场上领先的智能照明系统，但在许多领域仍然缺乏。例如，对于房间的照度水平没有闭环反馈控制，因此在不使用外部传感器的情况下不能使用日光收集。与智能灯相关的其他一些问题，如Philips Hue和一般智能家居，与IoT集成在一起是安全和隐私的问题[6]。 [7]。研究了飞利浦色相系统以及其他智能家电，显示出一些安全漏洞[6]，甚至被成功地侵入了[7]。这引起了巨大的关注，因为黑客们能够监控这些智能家居的状况，消除所有的隐私，甚至能够控制灯光，导致整个房子的停电，使房主比使用传统的带墙壁开关的照明系统。

随着智能家居研究的进展，已经提出了各种智能家居模型和架构。一个这样的研究构建了自己的家庭服务器来自动化各种家庭设备[8]。另外还有一些人提出在智能家居修改住宅网关的家庭能源管理系统[9]，或将智能家居连接到云端[10]。 [11]。还有针对智能家居的各种连接选项，无线网络通常优于有线解决方案，因为布线必须在建筑物的设计和建造过程中进行规划，因此智能家居系统将无法在旧建筑除非进行广泛的装修工程。使用的常见无线技术是蓝牙，Wi-Fi，最受欢迎的是ZigBee，由于其低成本，功耗和复杂性[12]。因此，一直是许多智能家居应用的重点，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]。

当涉及照明控制时，为了减少房间未被占用时人造照明的浪费，过去的研究已将入住传感器纳入照明系统以自动关闭灯[17]。一些现有的控制房间照度的工作利用用户的手动输入来调节照明强度[18]，或者使用传感器网络[19]。 [20]。迄今为止，所有关于日光采集和智能照明控制的研究都使用传感器网络，如[21]; [22]; [23] [24]因此实施成本很高。

通过对智能家居建筑的照明研究和商业产品的不足之处，本文提出了一种智能家居照明系统，具有增强的安全特性，以及使用用户个人智能手机的日光采集的非常经济的解决方案。

在第2节中，提出了智能家居照明架构;在第3节中，讨论了实施的安全特征;在第4节中，展示了使用智能手机的室内照明的新颖的闭环反馈控制;在第5节中，对系统的性能进行了评估，并对日光采集实验的结果进行了讨论;在第6节中，对系统与类似的商业产品进行成本分析和比较;第7节总结了本文。

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，照明设备和主控制器。智能手机应用程序为用户提供用户界面来控制照明系统，并且还可以从智能手机上的光传感器获得勒克斯读数，以执行闭环照明反馈。照明器具有通过使用板载Arduino Uno的脉冲宽度调制（PWM）控制的红色，绿色和蓝色LED通道。使用Raspberry Pi作为主控制器，其作为移动应用和照明器之间的接口。它还充当家庭服务器，用户可以远离家乡通过互联网连接到系统，也可能是将来可以将智能家居中其他系统集成到的平台。这三个主要组件相互影响，如图1所示。智能照明系统的灯具和主控制器如图2所示。该图显示了八通道灯具，但在设置和测试中仅使用3个通道。

图1建议的智能家居照明控制系统。

图2（a）由Arduino微控制器控制的灯具。 （b）连接到Wi-Fi路由器的主控制器。

由于人眼具有红色，绿色和蓝色频率的光感受器，所以具有用于这3个频率中的每一个的专用通道的三通道照明器足以产生大量可被人眼区分的颜色。 每个通道由具有由0至255范围内的PWM控制的可变电流的驱动器供电.Arduino Uno微控制器控制驱动器，并通过连接到Arduino板上的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地址用于灯具差异化，应用编程接口（API）模式2用于确保XBee模块之间可靠的通信。 在主控制器和照明器之间传输的数据由4个字节组成，包含控制照明灯具的所有必需信息，如表1所示。

表格1 XBee数据包的有效载荷的位分配。

读/写标志用于确定主控制器是否请求灯具的当前设置，或正在指示照明器在以下字节中更新新数据。 关/关标志用于关闭/打开照明灯，并且还用于从灯具到主控制器的回复以报告其当前状态。 如果主控制器希望照明器将其红，绿和蓝（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，绿色和蓝色值为 灯具应更新的新PWM值。 算法1显示了微控制器在与主控制器进行通信并控制灯具时的伪代码。

算法1 灯具Arduino微控制器伪码

loop

while (Serial.available() gt; 0) do

emsp; Serial.read()

end while

Unescape characters, check packet length and checksum

if Valid packet then

emsp; Extract flags

emsp; if Write then

emsp; emsp; if Change color then

emsp; emsp; emsp; Extract new color values from packet

emsp; emsp; emsp; Update PWM values

emsp; emsp; end if

emsp; emsp; Turn on or off the luminaire based on flag

emsp; end if

emsp; Create reply packet

emsp; Reply

end if

end loop

由于与其竞争对手相比价格相对较低，并且在Linux上运行的能力，Raspberry Pi模型B被选为其他设备作为主控制器。它还包含26个专用通用输入输出（GPIO）引脚，其中一些用于连接到与照明器的XBee模块通信，剩余的未使用的引脚可用于与未来的其他智能家庭系统集成。

提出了这种智能家居智能照明控制主控制器的软件架构，具有描绘通信方向的箭头结构，如图3所示。设备层处理灯具和主控制器之间的所有通信和协议，包括打包和拆包XBee数据包，检查错误和超时。管理层处理所有协议转换，从JavaScript对象表示法（JSON）结构中提取命令，并将其传递到设备层，反之亦然。用户帐户管理也在此层进行处理，以启用或限制用户访问系统或某些照明设备。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。用户界面层作为主控制器和用户之间的接口。传输控制协议（TCP）服务器设置为从智能手机接收连接，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，在此使用，以便主控制器能够拥有由网络分配的动态IP地址，以避免互联网协议冲突IP）地址并发症。协议的实现遵循UPnP网站和论坛报告[25]中提供的规范。用户界面层也建立了家庭服务器，即使用户不在同一网络上也可以连接到系统。由于房屋的IP地址可能会根据互联网服务提供商而改变，因此NoIP服务用于处理动态域名系统（DNS），以便用户即使在离家时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都用Python编写，所有网络套接字都以新线程运行，以确保套接字不会导致系统对新输入的响应不响应。当用户改变状态的亮度，颜色或切换的设置时，主控制器中的命令和数据的流程如图4所示。

图3 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

打开应用程序后，加载登录屏幕，并在后台搜索主控制器的IP地址。 一旦登录，将显示灯具列表，其中包含用于更改亮度，预设列表或色轮颜色以及切换开/关状态的选项。 作为背景中的服务运行的闭环控制，使得用户可以在智能电话上使用其他应用而不中断反馈控制。 智能电话应用程序的用户界面如图5所示。 实现颜色选择器的代码是从GitHub上的一个公开共享的代码改编而来的[26]。

图5 智能手机应用程序的用户界面：登录屏幕（左上角），弹出以输入所需的lux（左下），灯具列表（中间），弹出选择所需颜色（右）。

3.安全功能

安全功能在物联网中非常重要，以增强用户的系统安全性和隐私。公共密钥基础设施（PKI）用于确保智能手机与主控制器之间的连接，如IEEE标准协议[27]所述。主控制器运行使用传输层安全（TLS）保护的TCP服务器，并为用户访问系统，需要使用用户名和密码进行登录，为超文本传输​​协议安全（HTTPS）服务提供类似的安全功能，以防止诸如重播，中间人和其他人。生成X.509自签名证书和公私钥对，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。还在应用程序中创建自定义的HostNameVerifier，以

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