摘要：针对现有智能家居灯火操控体系存在的无法实时监测灯火状况，无法大规模安稳操控等问题，开发了一种依据ZigBee通讯技能的智能家居灯火操控体系。使用ZigBee通讯的双向性，灯控终端在接纳履行操控指令后实时反应当时灯火状况，完结了使用智能移动设备长途操控和检查家中灯火状况的功用。对体系ZigBee通讯自组网特性测验标明，添加体系中灯控终端数量能够有用增强通讯牢靠性，然后安稳操控灯火亮灭。
导言
跟着科技的开展，人们对居处的需求已不只是满足于居室的布局、外观及周边环境，美国哈里斯民意测验查询所查询成果显现，两千多名美国成年受访者中有52%以为具有智能家居比较重要。智能家居是在现有住所根底上，运用网络通讯、主动操控等技能将家用设备集成，以构筑安全、舒适、环保、智能的寓居环境。
灯火操控是智能家居体系的重要组成部分，关于智能家居灯火操控体系的研讨，近几年国内外呈现了许多研讨成果。周晓伟等提出了使用PC机与ZigBee网络和谐器节点相连组成体系基站，在数十米范围内近间隔操控楼宇照明形式，以起到节省电能效果。蒋小洛等提出了在嵌入式设备中内置Web服务器，不管身在何地，都能够经过Web浏览器页面上的按钮长途操控灯火亮灭。丁飞等所规划的家庭操控体系，支撑经过GPRS网络发送短信长途操控灯火亮灭。Cheong Ghil.Kim等规划了一套依据OpenWrt操作体系，使用智能手机经过因特网长途调理LED灯火亮度的照明模仿体系。
上述规划者在灯火操控方面做出了重要贡献，但他们一起的限制在于没有考虑怎么将灯火的亮灭状况实时显现在操控界面上，缺少操作交互性，也没有考虑在灯火数量较多状况下怎么确保灯火操控的安稳性。
本文所开发的智能家居灯火操控体系选用智能移动设备装置APP操控软件，点击APP界面上灯泡图标，智能移动设备宣布操控指令，经云服务器和体系主机被转发到灯控终端，然后长途操控家中灯火亮灭。
因为ZigBee通讯是双向无线通讯技能，使得每一步灯火操控操作都能够将当时灯火的亮灭状况反应到APP界面上。一起使用ZigBee通讯自组网特性，让多个灯控终端组成网状网，这使得只需有一个灯控终端接纳到操控指令，该指令便会被转发到意图灯控终端，显着增强了操控安稳性。
1 智能家居灯火操控体系
本文开发的智能家居灯火操控体系首要由智能移动设备、云服务器、体系主机、家庭局域网、灯火操控终端等部分组成，体系原理图如图1所示。
1.1 智能移动设备
智能移动设备(以下简称设备)包括智能手机、平板电脑等能够装置Android或iOS操作体系的移动设备。在设备上装置智能家居APP软件，翻开软件后设备主动经过WiFi或2G/3G移动网络登陆云服务器，输入包括主机信息的暗码，完结与对应主机网络衔接。点击APP界面上的灯泡图标，用户的操作指令将被发送到云服务器，操作完结后设备会收到包括当时灯火状况的反应信息，灯火状况便显现在APP界面上。
1.2 云服务器
云服务器是衔接智能移动设备和体系主机的桥梁。经过租借第三方大型云核算服务，编写云核算程序在“云”端运转完结。
云服务器具有巨大的存储容量，能够存储海量体系主机信息，开发人员经过云服务器会集办理各个体系主机的挂载灯控终端数量、登陆暗码设置等项目。
1.3 体系主机
体系主机是智能家居灯火操控体系的中枢，其全球仅有的MAC地址存于云服务器数据库中，使得智能移动设备能够经过衔接云服务器输入指定暗码与对应主机通讯。
在智能家居灯火操控体系中，体系主机担任将云服务器转发来的操控指令经过ZigBee网络转发到灯控终端。
1.4 家庭局域网
家庭局域网(Home—Area Network，HAN)是智能家居灯火操控体系的重要结构根底，它担任将体系主机与各个灯控终端组网通讯。本体系选用CC2530芯片构建ZigBee家庭局域网。
ZigBee是依据IEEE802.15.4规范的低功耗个域网协议。它是一种短间隔、低功耗的无线通讯技能，作业频段首要会集在2.4～2.5 GHz，具有使用方便、作业牢靠、价格低廉、双向通讯等特色。
ZigBee无线网络能够组成星形、树形、孔形等多种网络拓扑结构，网络包括和谐器、路由器和终端节点三部分。和谐器是网络的中心节点，担任网络的建议安排、网络保护和办理功用，一个网络只需一个和谐器，在本体系中它嵌入体系主机内;路由器担任数据的路由中继转发;终端节点只担任本节点的数据发送和接纳，本体系中它嵌入灯控终端内。
1.5 灯火操控终端
灯火操控终端是整个智能家居灯火操控体系的终究履行设备。它经过ZigBee网络接纳体系主机发来的操控指令，依据指令驱动继电器，操控灯泡的通断电完结灯火亮灭。每条指令履行后都会反应一个数据包给体系主机，上报当时灯火亮灭状况。体系主机再经过云服务器将此状况反应到智能移动设备上显现。
2 ZigBee通讯协议规划
智能移动设备宣布的操控指令经云服务器传输到体系主机后，体系主机经过ZigBee网络将该信号转发到灯控终端，该操控指令帧格局如下所示：
灯控终端依据操控指令完结相应操作后反应一个包括当时灯火状况的数据包到主机，主机再将反应数据包经云服务器转发到智能移动设备，智能移动设备依据反应信息显现当时灯火状况。灯控终端反应数据包帧格局如下所示：
注：因ZigBee通讯可挂载65 535个节点，故源地址和意图地址均选用两个字节表明。
依据以上通讯协议完结的灯火操控效果如图2所示。
3 体系测验与成果剖析
本体系测验选用体系主机内的和谐器与电脑USB口衔接，使用串口软件循环发送开灯、关灯指令到灯控终端完结。因为灯控终端每接纳履行一条操控指令后都会反应一个包括当时灯火状况的数据包，只需和谐器成功接纳到此反应数据包才视为此次通讯成功。选用收包概率(Packet Reception Rate，PRR)来衡量通讯质量的好坏。通讯收包率可用如下公式核算：
CC2530芯片单次发送数据包个数设置为1000个，经预测验发现，当发送速度大于6个/s时，灯控终端无法及时处理接纳到的操控指令，为了给实践测验留有余量，数据包发送速度设置为2个/s。本次测验在无遮挡环境中进行，间隔别离设置为10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m。测验数据如图3、图4所示。
经过以上试验数据能够得出结论：
①在节点数不变的状况下，跟着通讯间隔的增大，通讯收包率不断下降。
②在相同间隔状况下，添加终端节点个数能够有用增大通讯收包率。这是因为ZigBee通讯具有自组网特性，本试验中设置为自组成网状网，此种拓扑结构下每一节点都保存有其他节点的通讯途径，能够一起经过多条通讯途径传输数据，只需有一个节点接纳到数据，该节点便会将接纳到的数据转发给指定意图节点，能够极大增强数据传输的牢靠性。
在后续不断添加灯控终端节点数达100个的状况下，试验数据仍然契合上述试验成果剖析。因为本体系首要应用于家庭灯火操控，只需家庭装置5个以上灯控终端节点，在25 m范围内通讯收包率都能操控在99%以上，在规划程序时将每条操控指令接连发送2次，完全能够完结安稳的灯火操控。遇到墙面遮挡的状况，可添加中继模块，将操控指令多跳转发，也就相当于缩短了体系主机与灯控终端的通讯间隔，相同能够确保通讯的安稳性。
结语
本文开发了一套智能家居灯火操控体系，介绍了该体系各个组成部分的效果，完结了使用智能移动设备长途操控和检查家中灯火亮灭的功用，让用户能够身处异地也能长途封闭电灯以节省电能或外出一键封闭家中一切灯火，回家路上提早翻开家中灯火等。对体系ZigBee通讯自组网特性作了测验，剖析了进步体系通讯安稳性的解决方法。
下一步研讨方向首要是完结灯火亮度和颜色调理，让用户能够设定不同的情景形式，以进步日子的舒适性。
