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基于物联网技术的室内LED智能照明控制系统
本科毕业设计（论文）
题目基于物联网技术的室内
LED照明控制系统
姓名
专业
学号
指导教师
二O一五年六月
基于物联网技术的室内LED照明控制系统
摘要
WIFI是短距离、低成本无线通讯技术之一。
它可以用于替代移动设备之间的通讯电缆，从而形成个人无线网络。
它不仅使计算机和通信的融合成为可能，而且随着它的不断进步，还可以把家电、娱乐电子产品与计算机、通信系统的终端融为一体，使人们在家里、办公室或者公共场所就能实现统一的操作和控制，为办公室的自动化和家庭通信的实施创造了良好的条件。
随着电子科学技术的迅速发展，特别是随着大规模集成电路的出现，给人类生活带来了根本性的改变。
尤其是单片机技术的开发应用发展，现在产品几乎已经走进了千家万户。
基于WIFI的手机控制多彩台灯设计正是响应当前无线控制发展浪潮设计的作品，其中涉及的WIFI无线通讯技术就是WIFI的典型应用，它的开发为后期研究奠定了基础。
本文从通过手机WIFI进行PWM控制的角度来进行设计的。
本文介绍了一个WIFI控制的PWM调光RGB灯的系统结构及工作原理。
具体阐述了PWM控制下的三基色混光原理；及利用先进WIFI技术控制下的工作原理，从而确定整个设计的方案和调试步骤。
关键词：
WIFI；三基色混光；PWM控制；TCP/IP
THINGSTECHNOLOGYINDOORLED
LIGHTINGCONTROLSYSTEM
Abstract
WIFIisashortdistance,onelow-costwirelesscommunicationtechnology.Itcanbeusedtoreplacethecommunicationcablebetweenthemobiledevice,therebyformingapersonalwirelessnetwork.Itnotonlymakestheintegrationofcomputersandcommunicationsbecomepossible,butasitcontinuestoprogress,butalsointegratedterminalappliances,entertainmentelectronicsandcomputers,communicationsystems,right,sothatpeopleinthehome,officeorpublicplacecanbeachievedunifiedoperationandcontrolfortheimplementationofofficeautomationandhomecommunicationshascreatedgoodconditions.Withtherapiddevelopmentofelectronicscienceandtechnology,especiallywiththelarge-scaleintegratedcircuits,tohumanlifebroughtfundamentalchange.EspeciallythedevelopmentandapplicationofSCMtechnologydevelopment,productnowalmostintothehousehold.ControlBasedWIFIphonecolorfullampdesignisresponsivetocurrentwaveofdevelopmentofwirelesscontroldesignwork,whichinvolvedatypicalapplicationWIFIwirelesscommunicationtechnologyisWIFI,whichdevelopedthefoundationforthelaterstudy.Inthispaper,byphoneWIFIPWMcontrolanglefordesign.ThisarticledescribesthesystemstructureandworkingprincipleofaWIFIcontrolPWMdimmingRGBlights.SpecificallyaddressedthethreeprimarycolorsmixedlightunderPWMcontrolprinciple;andtheuseofadvancedWIFItechnologyworksundercontrolinordertodeterminetheoveralldesignoftheprogramanddebugprocedures.
Keywords:
WIFI;tricolormixedlight;PWMcontrol;TCP/IP
前言
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。
1智能照明系统关键技术分析
物联网是当下一种新的思维方式，物联网的发展将带来更多新的业务和应用。
物联网并没有很多全新的技术，应用创新与用户体验才是物联网发展的核心。
在物联网发展的同时，另一个和物联网看似毫无关系的方面也在和物联网越来越有关，那就是智能照明系统。
智能照明不仅仅是一种简单的照明控制课题，它在带来舒适性的同时也能大量的节约能源，传统的智能照明技术已经能够很大幅度的节能，但是它的各部分控制仍然是割裂开的。
如果能将物联网和智能照明结合，将更大程度的提高智能照明的节能效果和照明的智能度与舒适度。
本文基于目前对于物联网和智能照明的各项研究，分析了二者结合的基本情况和发展前景，并对于其中的一些关键技术和功能进行了简单的概述。
1.1物联网技术简介
物联网被定义为：
射频识别（RFID），红外传感器，全球定位系统，激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，以连接到因特网的任何物品，是信息交换和通讯，以实现智能化识别，定位，跟踪，网络的监控和管理。
物联网概念提出于1999年含义就是“物物相连的互联网”。
这有两层意思：
第一，核心和基础的东西仍然是互联网，是基于互联网扩展网络和扩展;第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。
下图1.1所示为物联网拓扑图。
图1.1物联网拓扑图
就其本身来说，物联网代表了下一代信息发展技术，但是就它的某些应用领域和应用方式来说，中国公众也不算太生疏。
它是对现有信息技术的统一聚合应用和升华，物联网将现代网络技术、感知技术、人工智能和自动化技术结合起来，进行一定的集成并应用到了更广阔的范围，实现了人与物、物与物之间的对话，创造出了一个更加智慧的世界。
物联网技术与信息技术有着千丝万缕的联系，它们在各个层次和方面都有着不可或缺的关系，物联网具有很强的系统性和集成性，也有着广阔的创新和发展前景，因此物联网又被称作信息技术的第三次革命性创新。
1.2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，LED灯具逐渐成为节能的主力军。
LED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LED发光效率的不断提高，以及价格逐步下降，LED光源在通用照明方面具有很大的优势。
LED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LED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。
1.3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。
2总体方案设计
总体方案设计是关系到产品定位，器件选型和技术路线的关键行设计，它主要包括以下内容：
2.1系统的需求分析
基于物联网技术的室内LED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LED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LED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。
2.2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LED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LED灯控制。
室内LED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。
LED智能照明系统整体架构如图2.1所示：
图2.1室内LED智能照明系统总体架构图
过上图可以看出，室内LED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。
2.3通信协议设计
通信协议是是室内LED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LED灯的颜色，亮度以及开关控制。
2.3.1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。
2.3.2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）。
3硬件设计
基于物联网的室内LED智能照明控制系统由RGB灯驱动模块电路、WiFi模块、单片机最小系统、按键输入模块、电源模块组成。
系统硬件结构如图3.1所示：
RGB灯驱动电路
电源模块
单片机（MCU）
WiFi模块
按键输入模块
图3.1系统硬件结构图
各个电路模块设计图，共有以下五部分组成，分别是WiFi模块电路、单片机最小系统电路、按键输入电路、RGB灯驱动电路模块电路设计、电源电路模块。
3.1电源模块
对于硬件设计来说，首先要解决的就是整个系统的供电问题，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。
51单片机虽然使用时间最早、应用范围最广，但是在实际使用过程中，一个和典型的问题就是相比其他系列的单片机，51单片机更容易受到干扰而出现程序跑飞的现象，克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。
本系统包含多个模块，他们所需的供电电压也不同，总体来说需要3.3V和5V两路供电，3.3V为wifi模块供电，单片机和LED使用5V供电。
通过在图书馆对相关资料的查询和指导老师的指点，本设计的电源模块的设计电路图如下图3.2所示：
图3.2电源模块
图3.2所示是物联网室内LED智能照明控制系统中的电源电路模块部分，5V到3.3V电压的转换采用ASM1117直流低压差线性稳压器。
AMS1117是一款正电压输出低压差的三端线性稳压电路，在输出1A电流时，输入输出的电压差典型值为1.8V。
AMS1117分为两个版本，固定电压输出版本和可调电压输出版本，固定输出版本的输出电压可以为：
1.8V，3.3V和5.0V，可调电压输出版本能提供的输出电压范围为：
1.8V~5.5V。
AMS1117内部集成过热保护和限流电路,确保芯片和电源系统的稳定性。
AMS1117特性：
（1）能提供包括固定电压输出版本（固定电压包括1.8V，3.3V，5V）跟三端可调电压输出版本最高输出电流可达A输出电压精度高达2％；
（2）稳定工作电压范围为高达12V；
（3）内部集成限流功能；
（4）具有过热切断保护；
（5）工作温度范围：
-20℃-120℃；
3.2单片机最小系统
单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。
对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：
单片机、晶振电路、复位电路。
而本系统采用STC15F408AD单片机内部集成了复位电路，及内部RC振荡器所以省去了大部分外部电路。
最小系统只需提供必要的ISP下载调试接口，提供稳定的电源滤波即可。
单片机最小系电路图如下图3.3所示：
图3.3最小单片机系统
3.3WIFI模块
本系统使用ESP8266串口WiFi模块作为网络接入设备。
ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透传模块，专为移动设备和物联网应用设计。
模块内置TCP/IP协议栈，可将用户的物理设备连接到Wi-Fi无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能。
3.3.1ESP8266模块电路设计
通过ESP8266模块，单片机只需要通过串口发送AT指令即可完成嵌入式设备与Internet和局域网设备之间的数据收发。
在使用过程中模块与单片机之间的连接仅需要占用一个UART端口，下图3.4是wifi模块与单片机之间的连接原理图。
图3.4WIFI电路模块
3.3.2ESP8266模块特性
（1）支持无线802.11b/g/n标准
（2）支持STA/AP/STA+AP三种工作模式
（3）内置TCP/IP协议栈，支持多路TCPClient连接
（4）支持丰富的SocketAT指令
（5）支持UART/GPIO数据通信接口
（6）支持SmartLink智能联网功能
（7）内置32位MCU，可兼作应用处理器
（8）超低能耗，适合电池供电应用
（9）3.3V单电源供电
3.3.3ESP8266模块功耗
由于wifi处于2.4G频段，虽然高频保证了信号带宽，但是高频信号穿墙能力差而且衰减很快，而且这个频段属于免执照开放频段干扰较大，所以市售的wifi产品一般功耗较大，对电压稳定性要求也很苛刻，为了保证系统的稳定性，有必要对ESP8266模块进行一个功耗测试，下表3.1所示功耗数据是基于3.3V的电源、25°的环境温度下测得。
表3.1ESP8266功耗测试
模式
测试结果
单位
传送802.11b，CCK1Mbps，Pout=+19.5dBm
215
mA
传送802.11b，CCK11Mbps，Pout=+18.5dBm
197
mA
传送802.11g，OFDM54Mbps，Pout=+16dBm
145
mA
传送802.11n，MCS7，Pout=+14dBm
135
mA
接收802.11b，包长1024字节，-80dBm
100
mA
接收802.11g，包长1024字节，-70dBm
100
mA
接收802.11n，包长1024字节，-65dBm
102
mA
系统待机模式
70
mA
关机
0.5
μA
3.4按键输入模块电路的设计
常用的按键驱动有矩阵键盘和IO直接驱动，由于本系统按键数量少，直接使用了IO直接驱动方式，图3.5为本设计所使用的按键电路。
图3.5按键电路原理
3.5RGB灯驱动电路设计
RGB灯采用三原色混光原理，通过控制R、G、B三原色亮度比例调节发光颜色，本系统采用PWM调光技术，需要较高的开关速度、较大的瞬间电流。
普通三极管和继电器不能满足系统要求。
所以本系统采用LED专用驱动芯片WS2811来驱动RGB灯。
图3.6是电路原理图。
图3.6RGB灯驱动电路模块
3.5.1WS2811主要特点
1 输出端口耐压15V。
2 芯片内置稳压管，24V以下电源端只需串电阻到ICVDD脚，无需外加稳压管。
3 灰度调节电路（256级灰度可调）。
4 内置信号整形电路，任何一个IC收到信号后经过其他各种LED灯饰产品.波形整形再输出，保证线路波形畸变不会累加。
5 内置上电复位和掉电复位电路.
6 PWM控制端能够实现256级调节，扫描频率不低于400Hz/s．
7 串行接口级联接口，能通过一根
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