基于Android 的无线智控LED 照明系统的设计与实现

赵鹏飞 刘 隽 王业矗 姜英姿 徐州工程学院 徐州江苏 221018

项目基金：住房和城乡建设部科技项目（2012-R3-10）；国家级大学生创新项目(201411998014Z)。

【文章摘要】

传统的控制照明系统方式控制不方便、布线困难、而且一旦确定就很难改变，本文设计了一种在Andriod 平台上应用的无线智控LED 照明系统。本系统可以通过Wi-Fi、蓝牙等无线技术与照明设备相连接，方便用户随时随地控制照明系统，通过本系统用户可以体验智能化的控制照明方式，本系统为改变传统照明控制方式提供了支持。

【关键词】

Android ；照明系统； 无线智控；Wi-Fi

中图分类号：TP319 文献标志码：A

0 引言

近年来，物联网技术、LED 高效照明技术的飞速发展，使得照明系统的智能化、多样化日趋发展，新的照明方式、产品也随之突飞猛进，相应的产业也在不断完善，而这些为人们带来的不仅仅是照明系统的节能、环保和丰富，同时也为人们在新时代享受这些智能化、人性化的照明设备提供可能。2014 年诺贝尔物理学奖颁给了高亮度蓝色发光二极管这一新技术的发明者，这项技术也引发了第二次照明革命。而且现在人们对于生活和工作环境中的照明要求也越来越高，目前的室内照明不仅仅是为了人们活动的需要，还应具有对照明控制的自动化、智能化的功能，这样人们就可以根据不同的场合选择光照强度，特性等，以此来创造更舒适、更合理的环境。尤其是近年来，国家大力推行“绿色环保，节能减排”，因此家庭照明更要做到环保、节能、高效。

传统的控制照明系统的方式存在控制不方便、布线困难、智能化程度低、资源严重浪费等诸多问题，电子技术的日益发展使得传统的机械开关日益被集成有现代化技术的智能化终端设备所取代。当今各种无线技术如蓝牙、红外、Zigbee、Wi-Fi 等技术的日益普遍，使得家用照明系统日趋无线网络化，而以各种操作系统为基础的智能手机快速的占领了市场，在短期内占有了巨大的市场份额，据悉，仅中国而言2013 年我国有73% 手机用户为智能手机，而在智能用户中，有86% 的Android 用户。这使得各开发商，致力于Andriod 平台的应用程序的开发。

基于以上分析本文设计开发了一种基于Android 的无线智控LED 照明系统， 用户通过手机/ 平板上的客户端，可以实现对照明设备的人性化调控。

2 系统设计相关技术

2.1 Android 平台

Android 是一种基于Linux 内核的开放源代码操作系统，主要应用在移动设备，如手机/ 平板等，早期由Google 设计开发，后来由谷歌联合的多个手机公司创建的开放手机联盟开发。

Android 的架构是软件堆层，主要由3 部分组成：底层是以为Linux 核心，主要是 c 语言开发，仅仅提供基本功能；中层包括函数库和虚拟机，由 C++ 开发；上层是相应的应用APP，包括界面、基本应用等，应用软件由开发人员编写。它具有开放性，允许设计人员自由获取修改源码，开发的应用程序无界限，在此平台上可以通用。

2.2 Wi-Fi 无线技术

Wi-Fi （wireless fidelity，无线保真）是由IEEE 制定的一种无线网络通的协议标准，是一种可以把个人电脑、手机/ 平板等设备终端以无线的形式互相连接的技术，它的目的是为了改善基于IEEE 802.11 标准的无线网络设备之间的互通性。它的特点主要为组网便捷、可移动性好、可靠性好、传输速率快、性价比高等，具有良好的发展前景，但是因为它工作在2.4GHz，频段带宽窄，易受多种干扰源干扰。

无线网络在无线局域网的定义是“无线相容性认证”，实际上是一种商业认证，同时它还是一种无线联网技术，无线保真通过无线电波来实现网络的连接；常见方式是通过无线路由器，那么在此无线路由器的无线电波覆盖的有效区域内都能使用无线保真连接方式连入网络。通过无线网络可以实现信息的传递，本文中可以通过Wi-Fi 实现数据的传输，从而完成无线智控的操作。

2.3 无线蓝牙模块

蓝牙，是一种为各种终端设备提供短距离通信（一般10m 内）的无线电技术。可以在手机/paid、笔记本等众多终端设备之间进行无线信息交换。蓝牙模块是指集成有蓝牙功能的芯片的基本电路的组合，主要用在无线网络通讯，大致可分为：数据传输模块（如BLK-MD-BC04-B）、远程控制模块（如BLK-MD-BC04-L）等。主要特点为：工作在免费频段，零费用、耗能低，广泛的应用于各行业，拥有良好的市场通用性。

蓝牙模块通常都有Uart 串行接口，因此方便实现蓝牙模块与设备之间在物理层上实现连接。终端设备和蓝牙模块采用AT 指令实现互相之间的通信，终端设备发射的AT 指令用来建立通信链路，AT 指令集的命令格式帧都以AT 开头，“AT”必须出现在每一个命令行的开始处。下表1 为部分蓝牙部分指令：

3 系统设计及实现

本系统主要应用于家用照明，主要目的为最大限度的控制照明设备，把这些设备统一加载到由Android 平台开发的应用中集中管理，解决传统的设备控制单一、模式单一等的问题，为用户带来全新的体验。那么在设计Android 系统应用时需要考虑以下问题：

1）安全性。虽然本系统采用Bluetooth/ Wi-Fi 串口传输数据，但是系统主要由手机终端承载，一旦用户手机丢失或被盗时，如果有用户登录验证界面不至于使其他人恶意登录系统，获取家庭信息甚至恶意攻击，因此系统通过设置登录权限验证来确保它的安全性。

2）数据传输。考虑到资源的合理应用，当用户在家时系统可以通过蓝牙数据传输，当用户距离控制系统较远时，而此时有需要控制照明系统，那么可以选择Wi-Fi 作为数据传输通道。所以系统需要设置两种连接方式，预先给出相应的模块端口。

3）照明控制。本系统开发的主要目的就是去控制照明设备，而控制最基本的就是开关状态设置，用户需要通过手机客户端来随意调控设备的开关状态，需要调节它们的颜色、亮度等参数；当然系统应用于家用照明系统，那么就会有客厅、卧室、厨房等诸多房间，因此实现设备的分组控制是系统开发的核心任务，也能为用户带来更舒心的体验。

4）附加功能。用户界面应该简洁美观、方便操作、符合基本的用户习惯。对于控制系统还应该设定一些生活场景和自定义功能，诸如频闪、音频、睡眠、会客等

表1 ：蓝牙部分指令

智能应用

Intelligence Application

030

电子制作

模式。

3.1 系统功能模块的设计

在Andriod 系统中，用户可以使用丰富的可视化组件，包括菜单、对话框、按钮、下拉菜单、文本框等组件。Andriod 系统的所有UI 类都是建立在View 和ViewGroup 这两个类的基础上，它们又都继承于View 类。View 子类叫做“Widget”， ViewGroup 子类称为“Layout”。

View 对象是Android 平台上用户界面最基本的单元，它为指定的屏幕矩形区域存储布局和内容，可以处理界面的布局和尺寸、改变焦点、按键、拖动等。而在ViewGroup 中，可以布局它所包含的View。

系统主要包括用户登录、连入方式管理、照明系统控制管理、照明设备管理、查看管理、注销、设置等主要操作。下图1 为系统功能模块示意图：

无线智控照明系统的主要功能有，登录界面主要为用户提供权限，本系统在家庭使用时由用户设置权限验证；然后对于用户而言系统提供两种连接方式，当用户在家里面时，可以通过蓝牙来传输数据指令，以此达到控制灯具的目的，当外出时可以通过Wi-Fi 接入系统，比如当在公司忘记是否关闭开关、晚上下班快到家时可以提前启动开关；系统主界面用来显示需要控制的设备编号、位置以及方式，使用户一目了然；进入控制界面后，用户可以选择多种模式来操控照明设备，并且这些模式均有预览可供用户有初步的了解，以便调控最适合用户的模式。

3.2 系统的实现

对于本系统，首先设计用户登录功能，考虑到系统安全，防止有人恶意入侵照明系统。因此在进入控制界面之前，需要对用户身份验证，当用户与数据库的信息匹配时方能进入控制系统。本系统的登录界面包括欢迎页和用户登录界面。进入本软件后首先可以看到欢迎页，点击“进入系统”按钮会自动进入用户登录界面， 在此界面上用户可输入正确的用户名密码验证成功后进入智控系统，若验证失败则弹出错误对话框，初次登录需注册新用户，正确填写用户信息，注册认证后安全登录系统。对于注册新用户，界面提供注册选项，通过系统调用数据库，由数据库来保存新用户的注册信息并管理。

系统设计时，考虑到经济可靠性，近距离控制时可以采用蓝牙传输数据，远程控制时可以通过无线Wi-Fi 实现控制，因此系统使用了蓝牙和Wi-Fi 的数据接口， 设定了两种模式。

进入系统主界面后，类似酒店管理后台界面，设置多个房间按钮，用户可以用来实现多房间操控，系统有开关两种状态，当需要控制时，单击开关按钮，开关图标黄亮，表示系统启动，然后用户可以选择具体的照明设备进行控制。

进入单灯控制界面后，可以通过颜色条调节灯具的颜色，亮度板调节灯具的发光强度，通过改变调色板和颜色条的值可以实现亮度的无级调节，颜色的任意搭配，把它们所对应的RGB 的值转化为对应的电流发送到灯具控制设备上，就可以实现此功能。该组件的主要代码如下：

此外本系统还开发了七彩渐变功能， 当用户按下“七彩渐变”按钮时，系统自动弹出此操作界面，并发送信息到灯具， 灯和界面同步循环红橙黄绿青蓝紫七种颜色，而且还可以通过按钮改变变化的速率，来实现七彩渐变的酷炫模式。当用户选择音乐模式时，由系统检测外界的状态，当检测到有音乐播放时，可以通过检测到的音乐的频谱数据来改变发送给灯具的数据，从而实现灯具随音乐频谱跳动而改变。下图2 为灯具的控制界面：

4 结束语

随着蓝牙，Wi-Fi 等无线技术的广泛应用，Android 系统的日益普及，无线智控照明系统必将成为照明系统控制方式的主流。本文设计开发的系统是基于Android 平台的LED 照明控制系统，用户可以随时随地的人性化的控制照明系统，使人们的生活更加丰富多彩，同时为改变人们控制照明的方式提供了可能。

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【作者简介】

赵鹏飞，1992，男，汉族，安徽，工作单位: 徐州工程学院，职务: 学生，学科：本科，研究方向: 项目管理

图2 ：单灯具的控制界面

图1 无线智控LED 照明系统功能模块示意图