基于Matlab的智能家居照明控制系统的设计.docx
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基于Matlab的智能家居照明控制系统的设计
内容摘要
随着科学技术的飞速发展，我们的家居生活越来越便捷化、越来越智能化。
而作为我们日常生活密不可分的照明系统在我们的生活中扮演着越来越重要的角色。
所以对于照明控制系统的研究对提高人们的生活质量、节约能源、倡导绿色照明等具有十分重要的意义。
本论文使用了MATLABGUI设计了可视化的智能照明控制系统的界面。
采用了典型的客户/服务器的模型实现远程的控制。
论文主要实现了智能家居照明系统的一键全开全关功能、照明开关定时功能、场景区域的控制、灯光调节功能、多点操作等功能。
本论文有两个创新点：
（1）模拟了现实中的卧室和客厅的真实情况对现实中的智能家居照明系统的研究具有一定的借鉴意义。
（2）本论文预留了远程监控系统、可视对讲系统、门禁控制系统、安防报警系统、家电控制系统、窗帘控制系统和背景音乐系统的研究，为以后智能家居的发展预留了空间。
关键词
MATLAB；智能照明；可视化；远程通信
DesignofintelligenthomelightingcontrolsystembasedonMatlabtechnology
Abstract
Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,ourhomelifemoreconvenient,moreandmoreintelligent.Asourdailylifeareinseparablelightingsystemsplayanincreasinglyimportantroleinourlives.Sothelightingcontrolsystemforthestudytoimprovethequalityoflife,energysaving,greenlightingandotheradvocatesofgreatimportance.
ThispaperusestheMATLABGUIdesignavisualinterfacetointelligentlightingcontrolsystem.Withatypicalclient/servermodelremotecontrol.Papermainlyachievedfullcontrolofakeyfeatureofsmarthomefullofflightingsystems,lightingswitchtiming,scenearea,lightingadjustmentfunction,multi-pointoperationandotherfunctions.
Thispaperhastwoinnovations:
（1）tosimulatetherealsituationinrealitybedroomandthelivingroomhasacertainsignificanceforthestudyoftherealityofthesmarthomelightingsystem.
（2）Thispaperstudiesasideremotemonitoringsystems,videointercomsystems,accesscontrolsystems,securityalarmsystems,homeappliancescontrolsystem,curtaincontrolsystemsandbackgroundmusicsystemsforthedevelopmentoffuturespacereservedforthesmarthome.
keyword
MATLAB，Intelligentlighting，Visualization，Remotecommunication
目录
基于Matlab的智能家居照明控制系统的设计
第一章绪论
1.1课题的研究背景和意义
近年来，随着国民经济和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、网络技术、通信技术、控制技术的迅速发展，促使了社会信息化的加速，使人们的工作生活和通讯的关系日益紧密。
信息化的社会在改变人们工作习惯与生活方式的同时，对传统住宅的自动化，信息化，环境舒适化、安全化提出了挑战。
信息化影响了人们生活的各个方面，改变了人们的生活习惯，提高了人们的生活质量，家居智能化也正是在这种形势下应运而生。
智能家居的概念起源于微软的智能家居系统，根据住房为平台，使用综合布线技术、网络通信技术、智能家居-系统设计、安全技术、自动控制技术、音频和视频技术将围绕设施一体化的家居生活，构建高效的住宅设施与家庭事务管理制度议程，提高家庭安全、方便、舒适、美观，实现环境环保的生活方式。
照明灯光是生活中不可缺少的部分。
那么智能照明控制系统也就是智能家居系统中不可缺少的一部分。
而且它还是智能家居的一大亮点。
它既满足了我们发展科技的向往又满足了我们节能优先、发展低碳的要求。
以下是智能照明系统的特点：
（1）实现照明的人性化。
因为不同的区域和不同的人群对照明质量的要求不同,所以智能照明系统要求我们可以调整控制照度，以完成场景控制、定时控制、多点控制等种种计划控制方案计划。
（2）延长光源寿命。
智能照明系统具有软驱动和软关断技术，防止了打开灯具时电流对灯丝的过度的冲击，所以使得灯具的寿命得到延长。
（3）节约能源。
使用智能传感器感受到室外外亮度来自动调理灯光，以保持室内适合的照度，既能使室内有最佳照明情况，又能达到节能的效益。
按照各区域的劳动情况进行照度设定，并按时进行自动开、关照明，使照明体系能最大限度地节约能源。
（4）提高管理水平。
将传统的手动的开关控制照明灯具的通断，转变成智能化的控制，使高素质的思维管理意识用于智能照明系统，以保证照明的质量，提高照明的效率。
（5）使用安全，可与其他报警系统联动。
比如与火警系统的联动，当屋子里出现火灾的时候房间会自动报警。
1.2智能照明系统国内外研究现状
从上世纪六十年代开发了普通灯具、荧光灯具、高强度放电灯具所使用的电子调光器，到90年代以来，国际以计算机技术为基础研制出灯光自动调节系统、定时开关系统和自动补偿系统，也称“智能照明”的新型智能照明控制体系，并已有定型产品得以很好的推广和使用，使建筑照明由传统按键控制走向计算机控制或无人控制的新领域。
当今意义上的智能照明网络是从舞台灯光控制系统发展起来的，1986年美国影视剧场技术协会（USITT）的工程委员会开始制定控制灯光设备和附件的数字式传输协议—DMX512协议，1990年公布正式文本。
现在调光网络领域中影响较大的CAN协议和ART-net协议都是在此基础上发展而来的。
目前澳大利亚奇胜场景的智能照明控制系统开发，可以对同一个场所中至多18个灯区 （照明回路）进行供电控制和亮度调节。
用户能够调节和预设每一个灯区的亮度以适应最多 5种场景，只需按一下按键就能够为你的行动选择你自己满意的照明环境。
国内开发的真善美智能照明系统拥有集中控制和操纵、集中显示、断电自锁、免打扰功效、遥控功能等智能功能，使家居生活更加便利、舒适和快捷。
1.3研究内容
随着科技的发展未来的家居照明系统肯定会越来越智能、越来越便捷，不仅能提高照明的管理效率而且还能够舒缓人们的身心、提高住宅的防御能力。
所以本论文研究智能家居的功能如下:
（1）一键全开全关功能。
整个家居的照明系统可以实现一键全开或全关的功能。
所以当我们睡觉或者上班去的时候可以一键把所有房间的灯都关了，不用再跑每个房间关灯,节省了我们的时间。
（2）照明开关定时功能。
通过一些模块的设定来完成照明系统的定时开关功能。
例如：
在每天早上八点的时候让房间的灯光自动的打开，晚上十一点的时候让房间的灯光自动的关闭，有事出门的时候关灯，灯光延时五秒在关闭。
（3）场景区域的控制。
通过MATLAB的编程功能设定一些特定的照明模式，比如：
回家模式、晚餐模式、工作模式、阅读模式等等。
通过一次轻触的操作就可以随心所欲的切换各种模式来达到自己满意的效果。
（4）灯光调节功能。
当我们在吃饭、会客、工作、阅读的时候可以按照自己的心情来调节灯光的亮度。
用灯光为我们营造一个舒适、温馨的氛围。
当我们思考的时候可以把灯光调的黑而暗来有利于我们的思考，当我们和朋友在房间里娱乐的时候我们可以把灯光调的明而亮为我们营造一个活泼、快乐、热烈的气氛。
（5）多点操作功能。
在任何一个地方的终端上均可控制不同地方的灯，或者是在不同地方的终端可以控制同一盏灯。
可以通过触摸屏或者电话等各种方式来管理照明系统。
第二章开发系统简介
2.1MATLAB简介
MathWorks公司的MATLAB是美国的商业贸易数学软件，计算用于算法开发，数据可视化，数据剖析和数值计算的较高的技术计算语言和交互式情况，除了矩阵运算、绘制图形等经常使的用功能外，MATLAB还可以用来建立用户界面及调用其余的语言（包括C，C++和FORTRAN）编写的程序。
他包括MATLAB和Simulink两部分。
MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂，是有美国mathworks公司公布的通常面向科学计算、可视化和交互式程序设计的高科技计算环境。
她的数值剖析、矩阵计算、科学数据以及建模和仿真非线性动力系统，以及许多其余的强大的功能的可视化集成在一个易于利用的Windows环境，并为研究和规划工程，以及需要有用数值繁多的科学领域提供了一个完备的解决方案。
并在很大程度上摆脱了古板的非交互式语言编程（如C，Fortran语言）的编纂形式，是科学规划的当今国际非常有名的计算水平。
MATLAB的主要性能特点：
（1）语言简单，语法限制不严，程序设计自由度大，可移植性好。
Matlab是一个高级的矩阵语言，它包含丰富的控制语句、函数和数据结构。
基于MATLAB的矩阵，无需预先定义的变量和矩阵（包括数组）维度，就可以很容易地算术运算，关系运算和逻辑运算符等，但大多数这些操作符可以在不改变阵列之间的相关性被复制，只要在算术中增加“•”就可用于另一组操作符之间。
（2）运算符、库函数丰富。
MATLAB的一个重要特点是通过调用扩展系统和一组特定应用程序的工具箱方案，每一个工具箱是一类学科和定制的应用程序。
当有专门的库中的特定矩阵MATLAB函数，如做鉴定在解决信号处理、建模、系统、控制、优化和存在的问题等方面显得非常简单、高效、便捷。
在此基础上，高版本的Matlab已逐步扩展到科学及工程计算的其它领域。
（3）巨大的数值（矩阵）运算功能。
MATLAB是一种包含计算机算法的大集合。
它拥有超过600个项目中使用的数学函数，用户可以很方便地实现所需的计算功能。
算术函数用于科学和工程计算、新的研究成果，以及可以进行各种优化和容错能力。
在正常情况下，你可以用它来代替基本的编程语言如C和C++。
在计算要求相同的情况下，利用MATLAB编程的将事半功倍。
这些措施包括套简单的MATLAB函数中最基本的功能，如矩阵、向量插图、快速傅立叶变换的复杂功能。
函数的功能：
可以解决矩阵和通常的线性方程组、微分方程和求解偏微分方程、符号运算、统计数据的问题、傅立叶变换和数据分析、工程优化问题、稀有矩阵运算、一个复杂的各种运算、三角函数和其余的基本的数学运算多维数组与动态仿真建模。
（4）界面友好、编程效率高。
写在无拘无束的形式，称为“草稿式”的语言的MATLAB程序，那是因为她的名字和功能更接近我们的思维来写的表达公式的方法，例如在写MATLAB程序的公式和解决问题的草稿纸，让你可以快速验证算法。
此外Matlab是一种解释性语言且没有特殊的编译器。
具体来说，运行MATLAB，MATLAB的语句直接输入行命令后，立即处理，以完成设计的全过程，链接和运行系统。
使用丰富的库函数，以避免复杂的编程任务子程序，压缩一切不必要的程序。
（5）图形功能强大。
MATLAB具有一个显示矩阵和图形的阵列，如坐标的线性、对数、半对数坐标和极坐标只是调用不同的画图功能（命令），而它增加了很强的能力可以让这些注释的图形可以打印和标记。
MATLAB图形技术，包括二维和三维可视化、图像处理、高层次的专业图形动画高级绘图功能（如光图形处理、色彩处理、和四个数据-维性能等），而且还包括一些让用户可以做控制的低级别的图形绘制命令的特性，你可以使用MATLAB的图形处理技术来创建一个图形界面。
即使一些视觉特殊的要求，例如图形对话，MATLAB也有相应的功能的性能，以确保不同层次的用户的需求。
Matlab的另一个新版本做了很大的改进讨论生产的图形用户界面（GUI），也可满足这方面用户特殊要求。
2.2GUI设计工具简介
图形用户界面（GraphicalUserInterface，简称GUI，又称图形用户接口）是指采用图形方式显示的计算机操作用户界面。
与早期计算机使用的命令行界面相比，图形界面对于用户来说在视觉上更易于接受。
2.2.1GUI界面和控件介绍
MatlabGUI的界面由菜单栏、工具栏、控件工具栏和图形对象设计区等四个功能区组成。
GUI的菜单栏有File、Edit、View、Layout、Tools、和Help6个菜单项。
使用其中的命令可以完成图形用户界面的设计操作。
编辑工具在菜单栏的下方，提供常用的工具；设计工具区位于窗口的左半部分，提供设计GUI过程中所用的控件；空间模板区是网格形式的用户设计GUI的空白区域。
控件是实现用户与计算机交互的主要途径。
表2-1列出来十种控件的特征和功能。
表2-1控件特征及功能
控件名称
功能
PushButton
启动运算
Slider
连续步进获取数值
RadioButton
多项护持功能选择
CheckBox
多重选择功能
EditText
数据传递
Pop-upMenu
单项选择
Listbox
单项选择功能
ToggleButton
两状态切换
Axes
绘图坐标系
StaticText
文本显示
2.2.2GUI编辑器介绍
在GUI的设计中我们需要用到各种的编辑器。
比如：
属性编辑器、对象浏览器、菜单编辑器、Tab顺序编辑器、控件布置编辑器、网格标尺设置编辑器、GUI应用属性设置编辑器。
属性编辑器（PropertiesInspector）：
查询并设定属性值。
控件布置编辑器（AlignmentObjects）：
调整各对象相互之间的几何关系和位置。
对象浏览器（ObjectBrowser）：
用于获取当前Matlab图形用户界面程序中的全部信息，对象的类型，同时显示控件的名称和标识，在控件上双击鼠标可以打开该控件的属性编辑器。
菜单编辑器（MenuEditor）：
创建、设计、修改下拉式菜单和快捷菜单。
Tab顺序编辑器（TabOrderEditor）：
用于设置当用户按下键盘上的Tab键时，对象被选中的先后顺序。
网格标尺设置编辑器（GridandRulers）：
通过网格标尺设置编辑器，可以再GUI面板中添加网格以及标尺，来方便用户的界面设计。
GUI应用属性设置编辑器（GUIDEApplicationOptions）：
通过该编辑器可以设定GUI界面缩放形式、GUI对句柄操作的响应方式，以及定义GUI的保存方式。
第三章智能家居照明系统的设计
3.1模拟家居灯光的设计
现代家庭中，家庭一般分为客厅，卧室，餐厅，厨房，书房，卫生间等。
由于他们在我们使用中的频率、心情、功能的不同，我们可以设计出不同的照明模式来满足我们不同的要求。
不要小看空间、照明，这些隐身设计元素可以影响你的家庭装修。
形状舒适或温暖、冷静或活泼、浪漫或亲密的结构、装饰，营造出不同的光线会有不同的气质。
（1）客厅。
客厅，家居空间中使用频率最高的区域，也是最能体现家居气质的中心地带。
一般配有吊灯、射灯、壁灯、筒灯等，可以用不同的灯光相互搭配产生不同的照明效果。
我们可以通过吊灯、射灯、壁灯、筒灯不同的亮度来设定不同的照明模式。
例如：
设定会客场景为吊灯亮80%、壁灯亮60%、筒灯亮80%；看电视场景为吊灯亮20%、壁灯亮40%、筒灯亮10%。
（2）卧室。
卧室是主人体息的地方，通过控制吊灯、射灯、壁灯、筒灯创造一种宁静、安逸、舒适的氛围，同时满足我们休息、阅读能要求的实现。
（3）餐厅。
餐厅里边我们也可以设定中餐、西餐等模式来营造我们想达到的目的。
此外餐厅的灯光尽量要明亮一些，同时注意灯罩朝下布置在餐桌上方，目的是让你的丰盛佳肴更加诱人。
（4）厨房。
厨房要保证有足够的亮度，尤其是在操作区不能有阴影和眩光，这关系到您在挥洒刀功的同时，不会伤害到手指。
（5）书房。
书房的照明布置的原则是以满足照度要求为准。
此外，在书房里为了减轻长时间阅读所造成的眼睛疲劳，应考虑色温较接近早晨太阳光和不闪的照明。
（6）卫生间。
卫生间的要求一般，不过一般要有局部照明的功能。
智能照明控制系统可以利用遥控器或者触摸屏的控制界面方便的调节灯光的亮度和区域场景模式的切换，极大地方便了我们的日常生活。
照明系统与我们的日常生活密切相关，照明系统的智能化不仅能过给我们带来极大地便捷也能够提高我们的生活质量。
我们根据DSP评估板提供的资源来模拟实际家庭中的灯光使用情况。
设计了如下表所示的一组灯光控制系统。
用评估板上的四个LED灯模拟灯具的各种状态。
设计了客厅和卧室两个房间。
客厅和卧室中分别有三盏灯：
吊灯、筒灯、台灯。
表3-1客厅灯光模式设置
状态
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
模式
开
吊灯
开
筒灯
开
台灯
关
吊灯
关
筒灯
关
台灯
全开
全关
回家模式
影院模式
阅读
模式
表3-2卧室灯光模式设置
12
13
14
15
开吊灯
关吊灯
全开
全关
3.2客户端GUI的设计
3.2.1灯光控制界面的设计
在MATLAB中CommandWindow窗口下输入guide命令，在弹出的对话框GUIDEQuickStart中的CreatNewGUI选项下选择BlankGUI,新建一个空白模板。
空白模板可以让用户自由设置个性化的界面。
选择File→Preferences,选择复选框Shownamesincomponentpalette选项，单击OK可显示出控件的名称。
空白页如图3-1所示。
图3-1GUI的空白面板
在空白面板里面我们添加PushButton、Pop-upMenu、StaticText、Panel四个控件。
其中PushButton用来构建连接、退出按钮。
这两个按钮用来控制用户界面与DSP的通信。
Pop-upMenu用来选择控制不同的灯具及其亮度或选择不同的运行模式。
StaticText用来显示用户界面上的静态信息，用做其它控件的标签，在该用户界面中用于显示控制项目名称。
Panel来构建组件。
选择控件，单击“PropertyInspector”按钮，打开“PropertyInspector”对话框，依次更改名称、数据类型等控件属性。
（1）其中对于按钮来说String属性是显示在按钮上的标题，对于下拉菜单来说String属性是弹出菜单的字串。
（2）通过BackgroundColor来改变控件的背景颜色。
（3）通过FontSize来改变控件字体的大小。
（4）Tag属性的值，是每个控件唯一的标识符，GUIDE用它来构造GUI中不同控件的唯一响应函数名。
因为控件在刚建立时，GUIDE给它们的都是默认名，为了突出每个控件的个性，表现它的作用，要重新设置Tag的属性。
（5）通过ctrl选择多个控件之后再由快捷键AlignObjectsL来选择各个控件之间的行距和宽度。
修改完成后如图3-2所示。
图3-2灯光控制界面
当设置好界面后，点击界面上的保存按钮，MATLAB自动生成两个文件：
untitled1.m文件和untitled1.fig文件。
为了完成单击控件时响应相应的事件或行为，需要对不同控件编写相应的回调函数。
在用户界面编辑窗口选中控件，点击鼠标右键，选择ViewCallbacks→Callback,即可进入控件相应的回调函数进行代码的编写或添加，使之实现相应的功能。
界面上的连接按钮是要创建一个UDP对象，其回调函数会在MATLAB环境下UDP数据报的发送和接收中介绍。
退出按钮的作用是停止远程控制，点击它时会出现一个对话框，提醒用户是否真的退出系统。
其流程图如图所示。
下拉菜单用来选择控制不同的灯具及其亮度或选择不同的运行模式。
在刚打开用户界面时，虽然下拉菜单中显示有各种灯具、运行模式、亮度选择，但是这不会调用回调函数，只有当下拉菜单被点击时才会执行相应的命令。
流程图如图3-3、3-4所示
图3-3退出按钮回调函数流程图图3-4下拉菜单回调函数流程图
回调函数别写好后，在设计面板中选择“run”命令，MATLAB会自动调用程序代码，调试成功后，通过选择按钮，即可实现对应函数的调用和执行。
程序执行后的状态如图3-5所示。
图3-5运行后的灯光控制系统界面
3.2.2智能家居控制系统界面的设计
智能家居系统包括八个子系统，即灯光控制系统、远程监控系统、可视对讲系统、门禁控制系统、安防报警系统、家电控制系统、窗帘控制系统和背景音乐系统。
智能家居系统主界面如图3-6所示。
本文中的智能家居系统客户端界面将这些子系统集成在一起，通过调用不同按钮的回调函数可进入各子系统的控制界面。
比如调用灯光控制系统，可在其按钮的回调函数中写入以下代码：
untitled1;%调用untitled1.m函数。
set（untitled2,'visible','off'）;%不显示智能家居系统界面。
set（untitled1,'visible','on'）;%显示灯光控制系统界面。
若要求退出子系统时返回智能家居系统主界面，则可在各子系统的退出按钮的回调函数中的case‘是’后加入以下代码：
set（untitled2,'visible','on'）;%显示智能家居系统主界面。
set（untitled1,'visible','off'）;%不显示灯光控制系统界面。
图3-6智能家居控制系统的界面
3.2.3将MATLABGUI程序转换成可执行的程序
对于一个通用的，比较成熟的解决方案，当然期望它能应用到更多的场合，而.exe（可执行）文件可运行于所有的通用Windows操作系统。
因此，将M文件转换成.exe文件会使用户使用起来更加方便，加强了应用程序的通用性。
在此我们将untitled1.m和untitled1.fig生成.exe文件。
在确定安装好MatlabCompiler后，还需要对Compiler进行适当的配置，方法是在Matlab命令窗口输入：
Mbuild–setup。
按提示选择编译器。
进行操作的信息如下：
mbuild-setup
PleasechooseyourcompilerforbuildingstandaloneMATLABapplications
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