基于物联网的室内自动照明系统设计

时间: 2020-11-06 18:59:48     来源: 论文范文网

目录

第一章 绪论 1

1.1 设计的背景 2

1.2 设计的目的及意义 3

1.3 照明系统分析 3

1.4 物联网下的照明系统 3

第二章 物联网简介及系统分析 4

2.1 物联网技术概述 4

2.2  物联网的出现 5

2.3 系统需求分析 7

2.4  系统架构分析 8

2.5 通信协议介绍 9

第三章 智能家居简介 10

3.1 智能家居概述 16

3.2 智能家居的发展 17

3.3 智能家居系统的特点 17

第四章 智能灯控的实物仿真 18

4.1 实物仿真编程 18

4.2 WIFI模块的调试 19

4.3 仿真的硬件设置 21

第五章 毕业设计总结 24

参考文献 25

附录: 26


摘要

使用智能照明控制系统相比传统的照明控制具有很大的优越性。首先,它具有良好的节能效果。智能照明控制系统能够借助各种不同的用户根据自身喜好预先设置的控制方式和控制元件,对不同时间、不同环境的光照度和范围进行精确设置和合理管理,这样在保证使用的前提下实现节能。这种自动调节的方式,能够充分利用室外的自然采光,只有必需时才把灯点亮或点到要求的亮度,它和自然光配合共同照明,利用最少的能源保证所要求的照度水平,节电效果很明显,一般可达到30%以上。

智能照明控制系统的另一大功效是改善工作环境,提高工作效率。良好的工作环境是提高工作效率的一个必要条件,这也能间接的带来巨大的经济效益。良好的设计灯具布局,合理地选用光源灯具,营造舒适的照明环境,配合优良的照明控制系统,都能很好的提高照明质量。智能照明控制系统用调光模块控制面板代替传统的开关控制灯具,可以将灯具的开关和照度预先设置为不同的模式,用户可以简单的通过界面来选择最适合的照明模式,不仅更加舒适,还能有效地控制各房间内整体的照度值,从而提高照度均匀性。

智能照明控制系统还实现了多种照明效果。多种照明控制方式,可以使同一建筑空间具备多种照明效果,以适应不同的需求。现代建筑物中,照明不仅单纯地为满足人们视觉上的明暗需求,更应具备多种的控制方案,使建筑物功能更加多样化,也能给人丰富的视觉效果和美感。


关键字:智能,控制系统,物联网

第一章绪论

1.1 设计的背景

随着物联网技术的发展和人们对物质生活水平的要求的不断提高,人们对生活的安全、舒适、便捷等方面的要求也越来越高。近年来人们对家庭住宅观念发生了巨大改变,智能家居将成为现代化住宅的发展趋势。对于它的研究和开发,是一项有关自动控制、无线连接、无线通信多学科交叉的研究课题。

   智能家居的概念早在上世纪80年代初就已经提出。以“住宅电子化”实现,到了80年代末,逐步提出了"住宅智能化",也就是现在所说的智能家居的原型。智能家居是一个以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境。它的研究与设计将优化人们的生活方式,帮助人们有效安排时间,增强家居生活的安全性、舒适性,甚至合理控制各种能源的使用。家居智能的基本目标是:将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭安防装置通过家庭总线技术(HBS)连接到一个家庭智能化系统上进行集中或者异地的监视、控制和家庭事务性管理,并保持这些家庭设施与住宅环境的协调。

1.2 设计的目的及意义

智能家居控制系统可以定义为一个过程或者一个系统。利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统,有机地结合在一起,通过统筹管理,让家居生活更加舒适、安全、有效。与普通家居相比,智能家居不仅具有传统的居住功能,提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间。还将原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具,提供全方位的信息交换功能,帮助家庭与外部保持信息交换畅通,优化人们的生活方式,帮助人们有效安排时间,增强家居生活的安全性,甚至为各种能源费用节约资金。

系统的网络化功能可以提供遥控、家电(空调,热水器等)控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、电话远程控制、可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段。使生活更加舒适、便利和安全。因智能家居控制系统布线简单、功能灵活,扩展容易而被人们广泛接受和应用。


1.3 照明系统现状分析

由于当今世界能源的紧缺,节约能源成为了目前各用能领域的趋势。而现代建筑物的能耗相当大,跟据有关统计资料,建筑的能耗占整个国家能耗总量的30%,建筑物的能耗通常体现在建筑设备的能耗上。由于建筑布局的原因,许多建筑在白天也需要进行人工照明, 照明用电已成为建筑的主要能耗之一。根据能耗分析表明,建筑照明能耗占基本能耗的12%以上。建筑照明因而成为节能的重要环节。另外照明负荷占大楼冷负荷的16%,降低照明的功耗和从而降低照明系统的发热量也十分重要。因此,照明系统的节能改造显得特别的重要。

随着目前灯具科技的发展,灯具逐渐成为节能的主力军。灯具被称为第四代照明灯具,光源具有节能、环保、寿命长、体积小等优点,随着 发光效率的不断提高,以及价格逐步下降, 光源在通用照明方面具有很大的优势。光源最大的特点就是同等照度条件下的功率比传统灯具低很多,因此,采用灯具能够很大程度的节能。节能除了设备上的更新,控制系统的优化也能起到很大的作用。因此,除了将原先老式的照明灯具改造为新的高效灯具,还可以通过更加智能的照明控制,帮助建筑节能和实现更好的控制。

1.4 物联网下的智能照明

显然,独立的照明控制已经发展的很成熟,但是很多时候使用者无法准确的根据情况设置参数。而且外界情况多变,仅仅靠非专业的使用者来控制无法达到最佳的效果。而且,任何的控制几乎都要在现场进行。在物联网环境下,使用者可以利用远程计算机和通信设备通过互联网对室内照明设施进行监控和控制,室内照明发生故障时能自动发送电子邮件或短信进行报警,同时室内照明制造商可以通过网络在线指导用户排除故障或对产品进行售后跟踪服务。

物联网赋予照明控制的另一大优势是:室内照明能够记录使用者的习惯和生活方式,利用情景感知技术提供人与家电、环境的自然交互,不仅如此,它还可以预测使用者的需求和使用,在物联网这一广阔平台上,室内照明系统必将为用户带来全新的生活方式。室内照明系统系统结构如下图1.2所示:


图1.2 智能照明系统结构图

物联网的智能照明系统之所以“聪明能干”的首要原因在于其自适应的特征。物联网所提供的大量的传感技术、无线通信技术以及射频识别等技术,通过传感器及微处理控制系统,使物联网的智能照明系统能够“感知”环境,根据外界情况的变化作出相应的解决方案,为用户提供最适宜、最自然的服务。


图1.3 智能照明控制框图

上图1.3所示即为智能照明系统控制原理,物联网的智能照明系统内置的传感器感知外部环境变化后,根据自身条件、不同的情况做出不同的工作方案,以适应不同的需求、时刻保持最佳状态。物联网的智能照明系统还可通过对用户习惯的学习,替用户省去大量状态设定的操作,使用起来更加轻松便捷人性化,而且一旦用户习惯改变,物联网的智能照明系统也能随之产生新的设定。

物联网技术在智能照明行业的应用发展迅速,但是这种技术的初期投入高,而且只有在成熟的社会物联网网络下才能发挥最大的效用,因此需要全社会各行各业的支持和参与,并且需要国家相关政策的大力扶持。先进的智能照明系统不但节约能源,还可以提升城市的形象、美化居室环境,给人们提供更加安全和舒适的照明环境。随着社会的发展和人们对于照明要求的不断提高,智能照明系统也在朝着结构多样化、应用扩大化的方向快速发展。智能照明系统的设计和应用将会有更多的创意和创新,也将会有更多的物联网技术被结合到智能照明系统中。相信通过物联网的帮助,一个智能化的照明新时代正在向我们走来,人类的照明生活将会更加智能和舒适。

第二章物联网简介

2.1 物联网技术概述

2009年1月,IBM公司提出了“智慧地球”的理念;2009年8月,温家宝在中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心考察时,提出了“感知中国”。物联网被预言为继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮,一时间很多人预见到了一场新的技术革命。

物联网的概念:物联网的英文名称为“The Internet of Things”,简称IOT。从字面上解释,物联网就是“物物相连的互联网”。可以从两方面去理解:其一,物联网是在互联网基础之上的延伸和扩展的一种网络,物联网的核心和基础仍然是互联网;其二,其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间,进行信息交换和通信。

关于物联网的定义到现在还没有一个统一的定义,有一个较为普遍认同的定义是物联网通过射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等各种信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

究其来源,其实只不过是在20多年前,提出的“泛在计算”框架下的一个小分支。但是物联网的第一次提出源于1999年,美国麻省理工学院成立Auto-ID研究中心,进行RFID技术的研发,将RFID与互联网结合,提出了产品电子代码(EPC)解决方案。这是物联网的雏形,一直到现在为止,RFID的发展还是物联网发展的重要部分。2003年,美国《技术评论》提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。2005年,在突尼斯举行的世界电联报告中明确提出了“物联网”的概念,国际电信联盟(ITU)发布了《ITU互联网报告2005:物联网》。近几年金融危机之后的复苏时期,物联网概念迅速风行,受到各国政府的重视。我国的《国家中长期科学与技术发展规划(2006-2020年)》和“新一代宽带移动无线通信网”重大专项中均将物联网列入重点研究领域。智能家居的概念早在上世纪80年代初就已经提出,以“住宅电子化”实现,而后又形成了“住宅自动化”的概念,到了80年代末,逐步提出了“住宅智能化”,也就是现在所说的智能家居的原型。

物联网的关键技术包括:RFID标识技术、传感网技术、M2M技术。物联网体系架构中三个层次所涉及的关键技术是物联网最终实现并得以实施的重要保证。物联网中涉及的关键技术其中无线传感网(传感器网关、传感器)、中间件、客户端软件、用户卡鉴权和安全、远距通信(移动网/互联网等)、安全和隐私、智能处理技术(云计算等)已经广泛应用。

2.2  物联网的出现

物联网是在计算机互联网的基础上,利用RFID、无线数据通信等技术,构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。在这个网络中,物品(商品)能够彼此进行“交流”,而无需人的干预。其实质是利用射频自动识别(RFID)技术,通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别和信息的互联与共享。

物联网概念的问世,打破了之前的传统思维。过去的思路一直是将物理基础设施和IT基础设施分开,一方面是机场、公路、建筑物,另一方面是数据中心,个人电脑、宽带等。而在物联网时代,钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带整合为统一的基础设施,在此意义上,基础设施更像是一块新的地球。故也有业内人士认为物联网与智能电网均是智慧地球的有机构成部分。

物联网把我们的生活拟人化了,万物成了人的同类。在这个物物相联的世界中,物品能彼此“交流”,无需人的干预。可以说,这是一个智能化的世界。智能家居是物联网最生活化的应用之一:窗帘可以自动感知光线而关闭;空调更“听话”了,天热它会把温度调低,太潮就会自动抽湿灯也知道节能了,房间里没人会自动灭掉。如此等等,不一而足。物联网的应用竟已经很广泛,遍及智能交通、环境保护、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测等领域。

物联网繁多的应用,造就了一个庞大的产业链,从互联网、电脑、手机、天线等IT通讯领域,到智能卡、芯片、传感器、红外线产品等工业领域,再到冰箱、电视机等制造领域,环环相扣,商机巨大。美国独立市场研究机构FORESTER预测,到2020年全球“物物互联”业务(即物联网业务),与“人与人通信”业务(即互联网业务)之比将达到30∶1。专家预计,中国物联网整体产业在2015年将超过一万亿元规模,2050年传感器在生活中将无处不在。


2.3 系统的需求分析

基于物联网技术的室内照明控制系统设计目的是为了实现安卓手机/PAD通过安装APP来控制彩色灯的颜色、亮度。整个系统主要包含通信系统和控制系统两大部分,其中通信系统使用WIFI模块通过UDP协议来完成单片机和手机/PAD之间的数据传输,控制系统使用增强型51单片机产生四路PWM信号实现对彩灯的颜色、亮度调整,为了保证脱离网络和手机也能控制灯光,本系统还可以设计几组按键来调整灯光颜色和开关。系统具体实现功能如下:

(1)整个系统网络由灯控终端建立一个wifi热点无需外网接入,数据传输层采用的是 UDP 协议通信机制。对灯能够实现开、关、调光功能。

(2)由于整个系统是建立在 WIFI 网络基础上的,对WIFI模块建立的热点默认SSID是“MY_RGB”,密码是“0123456789”为了保证保证通信安全,网络采用了WPA2加密方式。

(3)手机客户端和灯控终端通信使用的是UDP通信方式,灯控终端处于server模式监听7136端口,手机客户端会将控制数据帧发送到这个端口经单片机解析数据后实现对灯光的控制。

(4)灯控终端在正常使用时要求在同一时间内单盏灯只能接受一个客户端的请求,以避免命令信息的错乱现象。

2.4系统架构设计

本系统主要实现以下几个功能:一是用按键对彩色 灯的控制包括开关、调光、调色等;二是能够通过安卓客户端来对 灯控制。室内智能照明系统主体框架由手机客户端、灯控终端两个部分组成,其中系统终端部分是本文研究的重点,由 WIFI 终端AP节点、STC15F408AD单片机、RGB灯、RGB灯构成驱动电路构成。智能照明系统整体架构如图 2.1 所示:



图2.1 室内智能照明系统总体架构图

过上图可以看出,室内智能照明系统主体框架由手机客户端、及系灯光控制终端两个部分组成,各部分具体功能分析如下:

(1)手机/PAD 客户端:本系统客户端部分是基于 Android 操作系统来实现的,通过搭建 eclipse 软件开发环境来实现用户对系统的界面功能。

(2)灯光控制终端:该部分主要由 WIFI 模块、STC15F408AD单片机及RGB灯PWM驱动电路,电源模块。

AP作为终端的无线通信设备,主要用来实现同手机客户端之间的数据有效传输功能,数据的具体交换过程可通过系统内部协议来完成。STC15F408AD 单片机作为系统终端的控制备,主要实现的功能有串口数据交换、PWM 调光脉冲的产生、按键处理以及灯光控制终端数据的存储等。

2.5 通信协议设计

通信协议是是室内智能照明控制系统至关重要的部分,它是连接手机/PAD客户端和灯光控制终端的桥梁,对于本系统来说需要设计一套通过wifi传输控制彩色灯的颜色,亮度以及开关控制。

协议数据帧格式

完整的一帧数据包括:帧头、命令、数据、校验及帧尾。

帧头:也叫起始符,是数据开始接收的标志,为了避免数据帧的长度过大,本系统起始符仅采用1个字节,设置帧头的实际作用为当一帧数据过来以后,只有碰到帧头数据位时单片机才才开始存储数据并等到帧结束调用相应函数执行命令。

命令:命令数据段的作用是让终端知道客户端发过来的数据包是为了执行什么操作,单片机就是通过识别这一字段来回调函数执行相应操作。

数据:数据位是协议的核心组成部分,终端功能的具体实现过程都是由数据位来保障的,不同的功能对数据位的要求也各不相同。

校验:校验的方式有奇偶校验、CRC 校验、BCC 校验及代码和检验等,本文采用的是代码和校验方式,校验和为命令和帧头的求和。

帧尾:其作用为标识一帧数据的结束,当单片机检测到帧尾数据到来时将关闭其后数据的接收。

控制协议的具体实现

由于本系统使用TCP/IP协议栈的UDP通信来实现数据传输,UDP协议已经具有数据校验功能避免物理层传输错误,因此在实际制作中并不需要自己去做一套数据校验机制,对于一个彩灯来说,为了实现对其颜色,亮度控制只需要控制RGB三个通道PWM值即可,在本系统中PWM均使用8位分辨率,可以合成16777216种色彩(通常所说的16万色),所以协议只需要实现对这三个颜色通道PWM值控制即可满足要求。

在手机客户端与灯控终端通信过程中每一个数据帧均以字符“s”开头,接下来是命令帧,为了让命令更直观,这里直接使用了字符串“red”,“blue”,“green”来表示相应通道命令关键字,由于这几个关键字长度不定,为了区分数据和命令需要用分隔符隔开命令关键字和数据区,这里用的是字符“=”隔开数据和命令。紧跟着“=”是PWM值,这里为了直观和方便安卓编程直接使用了该数值的十进制ASCII来表示,例如数据帧“sred=000”表示关闭红色通道输出(置R通道PWM值为0),数据帧“sbule=255”表示置B通道PWM值为OXFF(最大占空比)。



第三章智能家居简介

3.1 智能家居概述

  智能家居又称智能住宅,英文名称为“Smart Home”。是指利用先进的计算机技术、网络通信技术、综合布线技术,将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起,通过统筹管理,让家居生活更加舒适、安全、有效。与普通家居相比,智能家居不仅具有传统的居住功能,提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间;还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具,提供全方位的信息交互功能,帮助家庭与外部保持信息交流畅通,优化人们的生活方式,帮助人们有效安排时间,增强家居生活的安全性、舒适性,甚至合理控制各种能源的使用。家居智能的基本目标是,将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭安防装置通过家庭总线技术(HBS)连接到一个家庭智能化系统上进行集中或者异地的监视、控制和家庭事务性管理,并保持这些家庭设施与住宅环境的协调。要完整地理解智能家居,有必要先对几个智能家居发展过程中有着重大影响的系统进行介绍。

  智能家居是一个以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境。由于智能家居受产品生产厂家的限制,在短时间内还没有统一的标准协议,所以一般都是一个厂家单独做系统研发方案的。其中较为有影响力的一次是2007年微软推出的“未来之屋”,是物联网技术应用于日常生活的一个样板[5]。进人房屋时,安全系统会对来访者的面部进行扫描,确认身份后自动打开房门。客厅冰箱上的液晶显示器能列出保存的食物清单,厨房水槽能够根据使用者的身高调节高度,而排风机会根据油烟浓度自动开启。此外,每个房间的墙壁颜色、装修风格和温度,都可以根据家庭成员的喜好和情绪自动更换。这一概念的提出在推广普及上还需加以时日,但是随着技术的革新,我们这里将把能够实现远程监控、智能照明、以及智能音响的智能家居。我们可以考虑将物联网技术应用到智能家居的设计中,使我们的家居环境更加智能化、人性化、高效化。

3.2 智能家居的发展

相比于国外,我国对智能家居系统的相关产品的研发起步较晚。从目前中国的国情来看,实用型与舒适型应当成为家庭住宅建设的主流,舒适型面向中等偏上收入者。但是住宅是一项使用寿命较长、一次投资较大的特殊商品,因此,建设时的标准必须具有一定的前瞻性。

目前在我国,智能家居系统被定义为:利用4C(自动控制、计算机网络、无线通信、IC卡)技术,通过有效的传输网络,将多元信息服务与管理、安全防护与物业管理、住宅智能化系统集成,提供高技术的智能化住宅小区的服务于管理为手段,以期实现快捷高效的超值服务与管理,提供安全舒适的家居环境。

目前智能家居系统一般要求有三大功能单元:第一,必须要有一个功能非常强大的智能家庭系统平台;第二,必须要有一个完整的综合性的家居布线系统;第三,必须要有家庭内部进行控制的互联网、连接外网的宽带互联网和家庭内部各种家电进行控制的家庭控制网络这三种网络支持的系统才能叫做真正的智能家居系统。

3.3 智能家居系统的特点

(1)它的对象是结构和特性完全相异的各种家用电器,相互之间兼容性比较差,电器之间的数据共享比较困难。

(2)家电的信息量小但对实时性要求较高,必须针对当时的家庭环境进行实时的调整。

(3)家电运行时所处环境有很大差异,对系统的抗干扰性和稳定性要求较高。

(4)家庭用户对于价格要求比较高,必须把组建网络的费用降低到一定程度,才能被广泛认可和接受。

(5)家电完成的功能各有不同,需要达到的智能水平也有很大的差异,要针对不同的功能要求,设计不同家电的智能水平(比如说,如果让电灯也共享Internet资源,显然没有必要,但是家中的摄像监控设备则需要较高的智能水平)。

(6)从用户的角度来说,用户需要简化家电的操作过程,统一家电的操作方法。因此,组建智能家庭网络时需要考虑的问题有很多。