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使用移动计算机系统上的传感器开发智能家居照明控制架构的雏形

SamuelTanga,VineethaKalavallya,KokYewNga,,JussiParkkinen

（文章历史。收到2016年8月11日；收到修订版2016年12月21日；已接受2016年12月22日；可在线阅读2016年12月27日）

关键词:智能家居 智能照明 昼光采集LED照明系统 移动设备 智能手机

摘要

随着智能手机变得越来越强大并且无处不在，将其整合到智能照明系统中可以提高机器人的便利性和能源效率。本文介绍了一个具有增强安全功能的智能照明系统原型，用于智能家居。定制的安卓移动应用程序利用板载环境光传感器来运行一个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略微便宜，而且由于它的日光采集能力，在长期内有可能形成货币储蓄，超过目前的商业产品。

copy;2016ElsevierB.V.保留所有权利。

1 介绍

物联网（IoT）是一个新兴的概念，即日常物品相互连接[1]。随着这个概念的出现，智能家居的消费电子产品和系统被自动控制，可以由用户轻松控制，提高便利性、舒适性、效率和安全性[1]。在智能家居的众多子系统中，照明在我们的日常生活中发挥着深远而巨大的作用，不仅仅是在晚上，而是在整个白天，人工照明被用来照亮室内。根据麦肯锡的预测，2016年作为主要光源的发光二极管(LED)的吸收率将达到近50%，2020年将超过70%[2]，这表明消费者对固态LED照明的采用率很高，因为其效率高，寿命长。因此，通过使用人工照明，可以在便利性、氛围、可定制性和节电方面改善生活标准。

通过一个基于LED的智能照明系统。例如，可以控制LED灯具的亮度和颜色，可以启用调光等功能，以节省电力或改变照明颜色，以适应场合、情绪或情况。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]。日光收集是一种方法，其中日光被用来抵消照明空间所需的电力能源，在接受大量日光的地区可以节省高达27%[4]甚至40%[5]的照明功率。

看到智能照明的巨大潜力，许多工业公司已经接受了挑战，创造了商业产品，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，但它们在许多方面仍有不足。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，就不能采用日光采集。与飞利浦Hue等智能灯和智能家居相关的其他一些问题，如与物联网相结合的一般问题是安全和隐私问题[6,7]。飞利浦Hue系统和其他一些智能家用电器被研究显示出一些安全漏洞[6]，甚至被成功入侵[7]。这引起了一个令人震惊的问题，黑客可以通过单片机控制这些智能家居的状态，并消除所有的隐私，甚至可以控制灯光，导致整个房子停电，让房子的主人比使用传统的墙壁开关的照明系统更糟糕。

随着智能家居研究的进展，各种智能家居模型和架构都被提出来了。其他一些人提议修改智能家居中的住宅网关，用于家庭能源管理系统[9]或将地球仪连接到云端[10,11]。智能家居有各种连接选项，无线网络通常比有线解决方案更受欢迎，因为在设计和建造建筑物时，必须对通风进行规划，因此，除非进行大规模的翻新工程，否则智能家居系统无法在旧建筑物中实施。常用的无线技术有蓝牙、WiFi，而最受欢迎的是ZigBee，因为它的成本低、功耗低、复杂度低[12]。因此，ZigBee已经成为许多家庭应用的重点，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]。

当涉及到照明控制时，为了减少房间无人时人工照明的电力浪费，过去的研究在照明系统中加入了占用感测器，以便自动关闭灯光[17]。一些现有的控制房间照度的工作是利用用户的手动输入来调整照度强度[18]，或者通过使用传感器网络[19,20]。到目前为止，所有关于日光采集和智能照明控制的研究都是利用传感器网络，如[21-24]，因此实施起来成本很高。

由于对智能家居照明架构的研究很少，而且商业产品也有不足之处，本文提出了一个具有强化安全功能的智能家居照明系统，并提出了一个经济的解决方案，即利用用户的个人智能手机进行光照采集。在第2节中，提出了一个现代照明架构；在第3节中，讨论了所实现的安全功能；在第4节中，演示了一个使用智能手机的新型闭环反馈控制室内照明的方法；在第5节中，评估了系统的性能，并讨论了一个日光采集实验的结果；在第6节中，进行了成本的分析和系统与类似商业产品的比较；第7节为本文的结论。

2.智能家居照明架构

智能照明系统的三个主要组成部分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了控制照明系统的用户界面，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。该灯具有红色、绿色和蓝色的LED通道，可通过使用板载的Arduino Uno进行脉宽调制（PWM）来控制。Raspberry Pi被用作主控制器，作为移动应用和灯具之间的接口。它还充当家庭服务器，供用户在离家时通过互联网连接到系统，它也可以成为未来智能家居中其他系统可以集成的平台。如图1所示，这三个主要部件之间相互作用。智能照明系统的灯具和主控制器如图2所示。图中显示了一个八通道的灯具，但在设置和测试中只使用了三个通道。

由于人眼在红色、绿色和蓝色频率上有光感受器，一个三通道的灯具，为这三个频率中的每一个提供一个专用通道，就足以产生大量的人眼可区分的颜色。每个通道由一个驱动器供电，该驱动器具有由PWM控制的可变电流，范围为0-255。Arduino Uno微控制器控制驱动器，并通过连接到Arduino板上的XBee防护罩与主控制器进行通信。每个XBee模块都被编程为具有不同的地址，用于区分灯具，应用编程接口（API）模式2被用来确保XBee模块之间的可靠通信。XBee模块之间传输的数据

图1 拟议的智能家居照明控制系统的架构

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

(a) Arduino微控制器

带Zigbee模块

LED驱动器

(b)

Wi-Fi路由器

带有ZigBee模块的树莓派

主控制器和灯具由4个字节组成，包含控制灯具所需的所有信息，如表1所示。

读/写标志用于确定主控制器是在请求灯具的当前设置，还是在指示灯具更新到以下字节中的新数据。关/开标志用于切换灯具的关/开，它也用于灯具对主控制器的回复，以报告其当前状态。如果主控制器想让灯具将它的红、绿、蓝（RGB）值更新到下面的数据中，那么改变颜色标志被设置为1。

表1:XBee数据包有效载荷的比特分布

红色、绿色和蓝色的值是灯具应该更新的新的PWM值，否则它将被设置为0。算法1显示了微控制器与主控制器进行通信并控制灯具的伪代码。

算法 灯具1 Arduino微控制器 伪代码

loop

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，Raspberry Pi B型机被选为主控制器，因为与竞争对手相比，它的价格相对较低，而且能够在Linux上运行。它还包含26个专用的通用输入输出（GPIO）引脚，其中一些被用来连接到与灯具通信的XBee模块，其余未使用的引脚可在将来需要时用来与其他智能家居系统集成。

该智能家居智能照明控制的主控制器的软件架构拟采用图3所示的结构，其中的箭头描述了通信的方向。设备层处理灯具和主控制器之间的所有通信和协议，其中包括打包和解包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对象符号（JSON）结构中提取命令，并将其传递给设备层，反之亦然。用户账户管理也在这一层处理，以启用或限制用户对系统或某些灯具的访问。这一层处理自动化，例如基于时间的功能，如在某个时间打开一组灯。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）服务器被设置为接收来自智能手机的连接，简单服务发现协议（SSDP）服务器被用来为智能手机提供服务器的IP地址。SSDP是通用即插即用（UPnP）服务发现协议的基础[25]，在此使用，以便主控制器能够有一个由网络分配的动态IP地址，以避免互联网协议（IP）地址冲突的复杂情况。该协议的实现遵循UPnP网站和论坛报告[25]中提供的规范。用于使用户即使不在同一网络上也能连接到系统的家庭服务器也是在用户界面层建立的。由于房屋的IP地址可能会根据互联网服务提供商的不同而改变，因此NoIP服务被用来处理动态域名系统（DNS），以便用户即使在离开家时也能监测和控制照明系统。家庭系统的路由器必须被配置为转发所需的端口。Raspberry Pi主控制器的所有代码都是用Python编写的，所有的网络套接字都在新的线程中运行，以确保套接字不会导致系统对新的输入没有反应。当用户改变亮度、颜色或切换状态的设置时，主控制器中的命令和数据流如图4所示。

图3 拟议系统的软件架构中各层之间的通信

打开应用程序后，会加载登录屏幕，并在后台搜索主控制器的IP地址。一旦登录，就会显示灯具列表，并提供改变亮度、从预设列表或色轮中选择颜色、以及切换开/关状态等选项。闭环控制作为一项服务在后台运行，以便用户可以在不影响反馈控制的情况下使用智能手机上的其他应用程序，也在这里启动。智能手机应用程序的用户界面显示在图5中。实现颜色选择器的代码改编自GitHub上公开共享的代码[26]。

3.安全功能

图4 改变灯具设置时主控制器中的命令和数据流程

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

安全功能在物联网中非常重要，可以提高系统的安全性和用户的隐私。公钥基础设施（PKI）被用于安全功能在物联网中非常重要，以提高系统的安全性和用户的隐私。根据IEEE标准协会的建议[27]，公钥基础设施（PKI）被用来保护智能手机和主控制器之间的连接。主控制器运行有传输层安全（TLS）保障的TCP服务器，用户要访问系统，需要用用户名和密码登录，提供类似于超文本传输协议安全（HTTPS）服务的安全功能，挫败诸如复制、中间人和其他攻击。一个X.509自签名证书和公共-私人密钥对被生成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KeyStore中。一个自定义的HostNameVerifier也在应用程序中创建，以验证服务器的身份。随着TLS的实施，用户和主控制器之间的所有数据和命令都是安全和真实的，即使家庭网络已经被破坏。这将防止Nitesh Dhanjani在飞利浦Hue上成功实现的 '永久停电 '攻击[28]。

4.使用移动设备进行日光采集

显然，随着日光采集的实施，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，由于典型的智能手机上有各种传感器，现在无处不在，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光线传感器，用于检测环境光线以自动调整屏幕亮度。在安卓设备上，这个传感器返回一个

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