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关于使用传感器车载移动计算系统的原型智能家居智能照明控制体系结构的研究
Samuel Tang , Vineetha Kalavally , Kok Yew Ng , Jussi Parkkinen
摘要：
随着智能手机变得越来越强大和无处不在，将其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功能。
定制的Android移动应用程序利用板载环境光传感器运行一种新颖的闭环反馈法来实现日光采集。成本分析表明，整个系统设置比商业产品便宜一点，由于其日光采集能力，从长远来看具有节省货币的潜力，优于目前的商业产品。
关键词:
智能家居;智能照明;日光采集; LED照明系统;移动设备;智能手机
- 简介
物联网（IoT）是一种日新月异的互相连接的物体[1]。随之而来的是智能家居的概念，其中消费电子产品和系统是自动化的，用户可以通过改善便利性，舒适性，效率和安全性来轻松控制。在智能家庭的众多子系统中，照明在日常生活中扮演着非常重要的角色，而不仅仅是在夜晚，甚至在白天使用人造照明来照亮室内。预计2016年住宅领域主要光源的发光二极管（LED）吸收率将接近50％，麦肯锡2020年将超过70％，显示固态LED照明的高采用率 ，由于其高能效和长使用寿命，受到消费者的青睐。随着LED技术的进步，与卤素灯或荧光灯相比，可以对其进行更复杂的技术控制。因此，通过基于LED的智能照明系统，可以通过使用人工照明改善便利性，环境，可定制性和节能方面的生活水平。例如，可以控制LED灯具的亮度和颜色，可以启用诸如调光的功能以节省电力，或者可以改变照明颜色以适应场合，情绪或情况。 在国际能源署2015年发布的报告中，人造照明占住宅建筑能耗的15％[3]。日光采集是一种利用日光来抵消照明空间所需的电能量的方法，可以在接收大量照明的地区节省高达27％[4]甚至40％[5]的照明功率 的日光。
鉴于智能照明具有巨大的潜力，许多工业公司已经接受了飞利浦Hue，欧司朗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，就不能使用日光收集。与智能灯相关的其他一些问题，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[6,7]。对飞利浦Hue系统和其他一些智能家电进行了研究，以显示一些安全漏洞[6]，甚至被成功入侵[7]。这引发了巨大的担忧，因为黑客随后能够监控这些智能家居的状态，暴露所有隐私，甚至能够控制导致整个房屋停电的灯光，使得房屋的拥有者觉得比使用传统带墙壁开关的照明系统更糟糕。
随着智能家居研究的不断深入，各种智能家居模式和架构已经被提出。一个这样的研究构建了自己的家庭服务器，使各种家庭设备自动化[8]。另外一些人则提议修改家居智能家居的住宅门路以实现家庭能源管理系统[9]，或将智能家居与云端连接[10,11]。智能家居还有各种连接选项，无线网络通常比有线解决方案更受欢迎，因为必须在建筑物的设计和建造过程中规划布线，因此无法实现智能家居系统。 除非进行大规模的改造工程，否则在旧建筑物中进行改造。常用的无线技术有蓝牙和Wi-Fi，其中最流行的是ZigBee，因为它的成本低，功耗和复杂度高[12]。因此，它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]。
在照明控制方面，为了减少房间未占用时人造照明的浪费，过去的研究已经将占用传感器引入照明系统中来自动熄灯[17]。 控制室内照度的一些现有工作利用用户的手动输入来调整照明强度[18]，或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采用了传感器网络，如[21-24]，因此实施成本很高。
由于对照明智能家居建筑和商业产品的不足之处进行了最少的研究，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，以及使用用户的个人智能手机的日光收集的非常经济的解决方案。
第二部分提出了智能家居照明的体系结构， 在第3节中讨论了所实现的安全特性; 在第4节中，展示了一种使用智能手机的室内照明闭环反馈控制; 在第5节中，评估了系统的性能，讨论了日光采集实验的结果; 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部分结束了论文。
图1.建议的智能家居照明控制系统的架构。 （为了对文中颜色的引用有所介绍，读者可以参考本文的网页版。）
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。
- 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，灯具和主要控制器。 智能手机应用程序为用户提供了用户界面，以控制照明系统，并从智能手机上的光线传感器获取勒克斯读数，以执行闭环照明反馈。 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。 它还可以作为家庭服务器，让用户在远离家乡时通过互联网连接到系统，也可以作为未来将智能家庭中的其他系统集成到其中的平台。这三个主要部件相互作用，如图1所示。智能照明系统的lumi-naire和主控制器如图2所示。图中显示了一个八通道的灯具，但只有3个通道用于 设置和测试。
用户界面
. SSDP服务器
.带有TLS的TCP
服务器
. NoIP服务
管理层
. 协议转换
. 自动化
. 用户账户
设备层
. Xbee 通信
图3.在所提出的系统的软件架构中的层之间的通信
由于人眼在红色，绿色和蓝色频率下具有感光器，对于这3个频率中的每一个频率，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，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不同的灯具区分地址，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，包含控制灯具的所有必需信息，如表1所示。
表格一
XBee分组的有效载荷的比特分布
|
Description |
Size |
|
|
Flags |
||
|
bull; Read/Write |
1 bit |
|
|
bull; Off/On |
1 bit |
|
|
bull; Change color |
1 bit |
|
|
bull; Unused |
5 bits |
|
|
Red value |
1 byte |
|
|
Green value |
1 byte |
|
|
Blue value |
1 byte |
|
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中的新数据。 关/开标志用于关闭/打开照明设备，它也用于从灯具到主控制器的回复，以报告其当前状态。 如果主控制器希望灯具将其红色，绿色和蓝色（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 lumi-naire应更新的新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。
Algorithm 1. Luminaire Arduino microcontroller pseudocode
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
与竞争对手相比，Raspberry Pi B型号相对于其他设备而言，选择了其他设备作为主控制器，并且能够在Linux上运行。 它还包含26个专用通用输入输出（GPIO）引脚，其中一些引脚用于连接与该灯具通信的XBee模块，未来如果需要的话，其余未使用的引脚可用于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体系结构被提出为具有描绘通信方向的箭头的结构，如图3所示。设备层处理灯具与主体之间的所有通信和协议 控制器，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 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，并且简单服务发现协议（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[25]的基础，并且在这里使用，使得主控制器能够具有网络分配的动态IP地址以避免互联网冲突协议（IP）地址并发症。该协议的实施遵循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建立的。由于互联网服务提供商可能会改变住宅的IP地址，因此使用NoIP服务来处理动态域名系统（DNS），使得用户即使在离开家时也能够监视和控制照明系统。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是用Python编写的，所有的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无响应。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的流动如图4所示。
图4.当灯具设置改变时，主控制器中的命令和数据流动（为了解释文中的颜色参考，读者可以参考本文的网页版本。）
打开应用程序后，登录屏幕被加载，主控制器的IP地址在后台被搜索。 登录后，将显示灯具列表，其中包含更改亮度，预设列表或色轮的颜色以及切换开/关状态的选项。 作为后台服务运行的闭环控制，使用户可以在智能手机上使用其他应用程序，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是根据GitHub [26]上的一个公共共享代码调整的。
- 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保护（TLS）保护的TCP服务器，用户
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