基于云计算的LED吸顶灯远程控制方案

针对传统LED吸顶灯的开关控制依赖于墙板开关，不智能不人性化等问题，本文提出了一种基于云计算的高端LED吸顶灯的照明控制系统。该系统与网络通信技术紧密结合，利用炙手可热的移动设备如手机，Ipad作为控制端，不仅能够实现对室内LED吸顶灯的远程开关控制，而且还可以实现色温、亮度的无极调节，关灯定时等功能。同时与云计算平台的相结合，可以实现对家中状况的实时监控。在任何有网络覆盖的地方，无论有线网、WIFI网络、GPRS网络或3G网络，都可以通过手机登录应用软件对系统进行操控。

LED光源因其能耗少、显色度高、寿命长、无毒、可回收再利用等优点，被称为是21世纪最有发展前景的绿色照明光源。室内吸顶灯采用LED灯珠，可以实现良好的显色指数，并能利用LED的色温特性实现对灯具的色温调节，以满足人对视觉的要求。

网络的广泛普及和通信技术的高速度发展，给社会带来了数字化和信息化的改变，各种家用电器也更加智能化。智能手机的大力普及为人们提供了一个可以随时随地接入互联网的智能终端，利用手机、IPAD等对灯具进行控制免去了找遥控器的烦恼，方便快捷。同时，在开启家庭监控功能的时候，能够将实时监视视频保存在大存储容量的云服务平台上，出差在外的用户通过手机可以登录云平台及时了解家中的情况，且不会占据手机内存。本设计系统利用因特网和WIFI无线网络通信技术以及云计算平台设计了一种智能照明控制技术，通过移动终端实现对LED灯的远程开关、亮度和色温调节，同时利用云服务平台实现对家中情况的实时监控。

1、总体结构设计
　　
基于云计算的高端LED吸顶灯的照明控制系统分为三大模块，分别为移动控制端、云服务平台，控制中心。整体结构如图1所示。控制中心，是整个系统的控制枢纽，在控制端与控制对象之间建立起连接，统筹各个部分协调工作。LED吸顶灯内置WIFI模块，手机可以直接连接到其发出的无线局域网对其进行近距离控制，当然也可以将灯具和手机同时连接到因特网对灯具进行远程控制。

图1：系统整体设计框图

　　
引入云计算平台之后，我们通过远程监控技术，方便出差在外的人们通过网络摄像头了解家中灯具开启情况，方便及时对灯具进行相应操作，实现未进家门先将灯具开启以及解决出门忘记关灯的烦扰。照明控制技术与云计算相结合，使得云服务器可以连接成千上万的灯具子系统，进行统筹控制。

2、硬件设计
　　
2.1控制中心

控制中心是整个照明控制系统的核心模块，如图2所示。它在控制端与控制对象之间建立起连接，统筹各个部分协调工作。控制中心的主要工作包括和手机移动端的通信、和云服务器的信息交互以及对灯具的调节控制。其中最主要的部分是WIFI通信部分，其工作原理是接收手机发送来的指令，将接收到的网络信号转换为串口数据，输入到单片机，经过灯具控制模块的解码译码，对两路PWM信号进行调节，使之输出不同的占空比，改变调光电源输出电流的大小，进而调节灯具亮度和色温的状态。

图2：控制中心结构图

　　
本设计通过USR-WIFI232-SUART接口WIFI数据传输模块实现网络信号与串口信号之间的转换，进而实现手机等移动控制端通过无线网络对灯具的控制。本系统选用台湾宏晶的STC12C5620AD单片机作为主控芯片。如图3所示，为USR-WIFI232-Ｓ模块与单片机STC12C5620AD的接口电路设计。USR-WIFI232-Ｓ模块与STC12Ｃ5620ＡＤ通过串口进行连接，完成数据的交互。

图3：USR-WIFI232-S与STC12C5620AD单片机的接口电路设计

USR-WIFI232-Ｓ模块有三种工作模式，包括AP模式，STA模式和STA+AP模式。

本设计系统使用STA+AP模式。如图4所示，采用STA+AP模式，可以利用手机等手持设备对用户设备进行监控，而不改变其原来的网络设置。

图4：WIFI模块工作在STA+AP模式　

这种组网应用可以采集用户设备上的数据并将其发送到服务器上处理和存储，服务器也可以发送命令对用户设备进行控制。用户既可以用手机或者PC通过局域网进行设备控制，又可以远程通过手机或PC与服务器通信，实现远程数据获取或者远程设备控制。

 

2.2云服务平台架构

云服务平台架构包括云计算平台层、服务层和手机端应用层。如图5所示。

图5：云平台基本架构图

云计算平台旨在现有的软硬件基础设施上构建云环境，为上一级的控制层提供云计算相关的基础服务，包括数据存储、数据处理服务、分布式数据库技术等。

控制服务层不仅要提供与云计算平台层即通信接口，还要与手机端应用进行交互，处理来自用户客户端的请求，如需要查看家中监控视频。手机端应用层直接面向用户，与用户进行界面互动，进而控制灯具状态、反馈信息等。

云计算平台层是一个提供云服务的服务器集群，提供如下功能：

（1）通过Internet接收来自控制中心的命令，存储家庭网络摄像头的录像数据并存储，并根据控制端的指令将数据传递给手机。
（2）通过Internet与控制端连接，接受来自控制端的指令。
（3）内置大量有关光的色温，眩光等有关光健康的相关知识，供用户下载查看。

2.3移动控制端

移动控制端是一个人机界面设备，是用户使用该系统的媒介。本系统利用当前主流的Android、IOS系统作为平台开发控制终端APP来对系统进行操作。界面和灯具的之间通信通过网络通信来完成。目前的网络通信模式有多种，如HTTP通信方式、Socket通信以及WebService方式等。本系统采用Socket通信方式与服务器建立连接并传递数据。

建立Socket连接至少需要一对套接字，一个是运行在客户端的Client Socket，另一个是运行于服务器端的Server Socket。套接字之间的连接过程可以归为三个步骤：服务器监听，客户端请求，连接确认。Java.net.Socket这一接口，提供了实现Socket通信的完整API。

3、软件实现
　　
软件设计工作主要分为三个部分。一是单片机接收WIFI信号进行调光、调色控制部分，二是云计算平台的软件部分，三是移动控制端部分，包括Android和IOS系统的应用端APP。

3.1 LED调光控制

图6：LED调光控制程序流程图

如图6所示为LED调光控制程序流程图。在程序执行开始时，先对单片机的PCA寄存器进行初始化。然后不断地等待WIFI模块传送过来的信号。当单片机接收到数据后，接受标志位置1，读入到接收缓存器内，然后由单片机对收到的代码进行解码译码，进而执行相应的操作。

3.2云计算平台软件结构

图7：云数据中心的软件结构层

云计算平台的实现既可以自行搭建服务器集群的私有云，也可以直接租用大型云计算公司所提供的服务，如云计算行业巨头Google、Amazon推出的云服务。

在云计算平台上，我们提供一个基础服务层，来为该系统提供一些必须的功能，如用户认证、数据存储、与控制中心和智能终端的联网和编程接口。这为更高级的应用层提供了一些标准的服务。我们可以利用这些服务来维护我们的软件系统，进一步开发系统软件应用，实现数据及时更新。

3.3移动控制端软件开发

根据智能LED吸顶灯系统的设计需求，控制终端系统应包括如下功能：

（1）通过手机实现对LED吸顶灯的一键开关、一健全亮、暖白、正白设置。
（2）通过手机实现对LED吸顶灯的亮度无极调节（5%-100%）以及色温无极调节（2700K-6500K）。
（3）实现对LED吸顶灯的定时功能，分别为：“无定时”，“10分钟”、“20分钟”，“30分钟”。
（4）通过手机实现对LED吸顶灯的按键指示音的开启和关闭以及常夜灯三档亮度调节（30%、60%、100%）。

图8：手机端APP的整体设计　

手机端APP的整体设计如图8所示。在登陆界面上输入IP和端口号，即能连接上网络。随后进入主界面，既可以对灯具进行控制。

主界面右上角的白色按钮是收藏夹按钮，收藏夹中有用户的账户管理、添加灯组、订阅、退出等功能。

4、结论
　　
系统测试结果表明，该系统在任何有网络覆盖的地方都可以通过手机或Ipad登陆应用程序APP，对LED吸顶灯进行开关、亮度、色温的控制。本系统可以应用到家庭照明，特别适合家居面积较大、房屋较多的别墅，可以方便的对家中灯具进行组网控制。此外，若对本设计稍作修改，则可以推广到类似的项目，如远程智能家居的管理、远程摄像头控制管理系统以及许多其他的类似项目。

推荐阅读：

基于ZigBee网络的LED调光灯具设计方案
LED灯光自动调光系统设计方案
三种常见LED路灯电源设计方案
汽车日行灯自动测试系统方案