基于物联网的智能照明控制系统设计.pdf

1、 物联网系统设计报告 课题名称 基于物联网的智能照明控制系统设计 学生姓名 晏皓然 高亚晶 李泽浩 学院名称 计算机学院 目录 第一章 需求分析.1 1.1 智能家居系统发展现状.1 1.2 智能照明控制系统发展现状.2 1.3 智能照明系统与传统照明系统的区别.3 1.4 颜色与情绪关系研究.3 第二章 系统总体设计.5 2.1 智能照明系统基本功能设计.6 2.2 灯光控制器功能需求.7 2.3 无线通信方式选择.7 2.4 传感器选择.8 2.5 智能家居照明控制系统的总体架构.10 第三章 智能照明控制系统硬件设计.11 3.1 系统硬件框架设计.11 3.2 详细设计.12 3.2.

2、1 主控电路设计.12 3.2.2 ZigBee 通信模块电路设计.12 3.2.3 传感器电路设计.13 3.3 灯光控制器设计.16 第四章 系统软件设计.18 4.1 数据格式定义.18 4.2 主控制中心软件设计.18 4.3 灯光控制器软件设计.20 第五章 总结与展望.22 1 第一章第一章 需求分析需求分析 1.1 1.1 智能家居系统发展现状智能家居系统发展现状 物联网技术除了应用于工业、农业领域，还在智能家居领域应用广泛。随着人们对更高物质生活的需求，物联网在智能家居的发展变得尤其迅速。智能家居控制系统是以智能家居系统为平台，家居电器及家电设备为主要控制对象，利用综合布线技术

3、、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施进行高效集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的控制管理系统，提升家居智能、安全、便利、舒适，并实现环保控制系统平台。本世纪初，不同智能家居品牌开始出现在人们的视野中，但产品功能较为局限，无法满足消费者个性化需求。到目前为止智能家居市场尚在培育阶段。根据对目前智能家居发展的分析，用户对于智能家居的顾虑主要包括以下几个方面如图所示：图1-1 调查结果图 1.功能方面，实用性较差。目前很多智能家居产品都是将手机作为控制终端，把各种家电的控制功能以app的形式集成到手机中，通过红外、ZigBee、蓝牙等无线通讯模式组成家庭内部

4、网络对家电进行控制。这方面存在的问题在于，手机控制虽然充分利用了用户已有的设备，但对于提高生活的便捷方面作用有限，也没用展现出智能家居的核心优势。在使用过程中，很容易由于找不45%5%25%17%8%关于智能家居你最担心什么问题太贵组建太费事实用性差邪露隐私被机器控制2 到手机或者网络信号不良，硬件故障等方面造成手机控制失效。2.成本方面，价格居高不下。智能家居整体系统的价格还是比较高的，一般用户缺乏足够资金进行家居的升级。3.行业标准与规范不统一。在 2013 年的一次关于智能家居标准化的调查中，65.36%的人希望智能家居能够采用统一的标准，增强产品的互换性。相较于终端设备，比如家电，灯光

5、等，早已产生了比较明确的产品规范，智能家居通信与入口是整个领域发展的瓶颈。目前比较常用入口控制手段包括互联网网页入口，智能路由器，智能网关，手机，平板，电视等，而通信手段包括 ZigBee，Wifi，蓝牙，Z-Wave 等。4.安全方面的问题。在智能家居目前所处的发展阶段，安全问题一直被忽视。在智能家居系统中，摄像头作为安全监控的一部分，可能成为黑客攻击的对象，从而导致用户的隐私泄漏。1.2 1.2 智能照明智能照明控制控制系统发展现状系统发展现状 照明控制是智能家居领域中的一个重要的控制方面，照明最初的目的是为了服务于生产生活，给人们带来便利。但随着生活水平的提高，人们开始不满足于单一的照明

6、功能，照明控制开始出现。目前仍旧普遍使用的是传统照明控制。传统照明多采用开关进行电路的控制，它是一个强电的控制系统，其设计是由使用过程中回路的数目，负载的功率与类型来决定的，无法对于光照强度进行控制。智能照明控制系统，必须顺应时下的节能环保概念，因为照明一直是城市电力消耗的大户，如果再保证照明需求的前提下实现节能环保，是一个必须解决的问题。智能照明控制系统的出现则解决了这一难题。更多的城市采用更换节能灯具，希望能够解决这一难题，可是随着城市的大规模扩展，灯具也是越来越多，不能从根本上解决，但是采用智能控制系统则可以解决这一难题，在LED灯具上实现二次节能，LED是支持可调光功能的，智能照明控制

7、系统能够对灯具按照时段或者按照需求进行调光与控制，并且可以实现灯具的单灯控制与多灯控制，进一步节约能源。并且由于LED属于环保型产品，可以保证不污染环境。经过数据对比，使用智能照明控制系统可以大规模节约电力。3 1 1.3.3 智能照明系统与传统照明系统的区别智能照明系统与传统照明系统的区别 传统的照明控制主要是为了满足人们在生活生产中对于光照强度的需求。在控制方面，多以开关控制为主，用户能够通过开关来控制灯具的开闭。这类照明设备的功能简单，安装价格便宜，互换性好。但存在的问题是，大范围使用的情况下，布线比较复杂，每一组控制开关必须有自己专门的线路，同时，只能通过人为进行控制，无法对大量的照明

8、设备进行有效的管理，很容易由于人为的操作问题造成电能的浪费。智能照明控制系统是将计算机技术，自动控制技术，单片机技术，网络通信技术，传感器技术等一系列现代技术进行融合的产物，具备非常丰富且能够不断扩展的功能。如图1-2所示为智能照明设备功能图。该系统的控制不单单局限于人本身，还能够通过节点之间信息的传递对于灯光的亮度，颜色进行个性化的控制。现在普遍采用现场总线技术对于照明灯具进行管理与控制。图1-2 智能照明设备功能图 1.4 1.4 颜色与情绪关系研究颜色与情绪关系研究 牛顿的色散实验用三棱镜将白光分散为七种颜色，让人们了解了光组成的基本原理，如图1-3所示。色彩能够通过不同颜色的光线对人体

9、内的视觉神经进行刺激，然后将这些生物电信号传到大脑的视觉中枢而产生的感觉。色彩可以导致我们产生不同的心理效应，该效应主要包括生理方面的和心理感觉方面。在本系统中，合理地应用色彩的心理效应能够起到调整室内氛围，进而调节人的情绪的作用，有效地情绪调节就能对人的心理起到正面的影响。4 图1-3 光的散射实验 色彩从本质来说是一种物理现象，它是由光线折射和反射的程度不同而造成的。不同的颜色，可以给人不同的感觉，导致不同的心理效应，从而产生不同的情感，这个在心理学领域被称之为色彩心理学。红色是一种典型的暖色调，能够给人的心理效应主要包括热情，自信。但是它同时会给人一种血腥，暴力的感觉，造成心理压力。在室

10、内背景灯光调色中，当你处在寒冷，疲惫的时候，适当的红色作为背景色可以给你打打气，让你感觉到温暖。根据中国人的传统，红色是喜庆的标准色，逢年过节，家里的来一点红色的背景色可以给来访的客人一种宾至如归的感觉，彰显出主人家的好客与热情。橙色同样属于暖色调，它的心理效应主要是给人一种坦率，健康，热心的心理感觉。同时，橙色能够起到促进食欲的作用。该种颜色适合使用在家庭宴会的背景颜色，不仅能让客人感觉到安适，舒心又能够促进客人的食欲，一举多得。绿色既不属于暖色调也不属于冷色调。色彩心理学的研究表明，人们在短波长的颜色中，能够让心情变得平静。这个效应是人类在长期的进化的过程中，绿色的象征就是环境良好，水源食

11、物充足，所以绿色是积极的颜色，能够让人感觉平静安心。当我们感觉到心情消极低落，或者烦躁的时候，可以将家居的背景色调整成绿色，能够舒缓人的神经，让人变得平静并且心态稳定。蓝色是一种冷色调，蓝色使很多人最先想到的是大海，给人一种广阔、宁5 静、深邃的感觉。和绿色一样，这种颜色能够使人的心情变得平静。同时，它作为一种冷色调，当房屋处在炎热的夏天，蓝色的家居背景能够起到一定的降温解暑的功效，所谓心静自然凉。当然如果天气转凉，就不适宜使用蓝色作为房屋的背景色了。根据上面对于几种典型颜色的分析，我们可以对于色彩对人体的心理影响进行总结。人们在日常生活中主要的负面情绪感觉烦躁，过于兴奋，压抑，寒冷，疲劳，饥

12、饿，炎热等，对于温度方面的感觉，我们可以利用颜色的温度效应进行调节，寒冷的时候采用暖色调，而炎热的时候采用冷色调。对于神经紧张，烦躁等涉及到负面的情绪问题时，可以使用绿色或者蓝色等作为家居背景色，对于这些情绪起到缓解的作用。而对于疲劳，饥饿等情绪时，可以采用暖色调，比如红色，橙色，一来可以鼓舞你的情绪，二来可以促进你的食欲。同时，我们还可以应用色彩的物理效应，对于家居环境的舒适程度进行调节。总而言之，颜色对于情绪与心理是可以起到一定的调整功能，但无法完全对于情绪进行控制。适度的颜色刺激可以起到良好的调节效果，如果过度依靠颜色的调节作用则可能适得其反。第二章第二章 系统总体设计系统总体设计 6

13、2.1 2.1 智能照明系统基本功能设计智能照明系统基本功能设计 智能家居照明控制系统，从整体上遵循的是物联网的基本架构，即负责感知的部分，负责传输数据的部分，负责进行数据处理的应用部分。（1）感知层。智能家居照明控制系统的感知部分包括两个方面数据的采集工作。第一部分是环境数据的采集，包括室内的光强，室内温度与判断是否有物体的靠近等。第二部分是对人体一些基本参数的测定，鉴于技术上面的限制和人体佩戴上面的舒适度的影响，目前仅对人体的心率进行检测。（2）传输层。照明系统的传输部分，主要考虑采用何种通讯技术进行家居内数据传输。（3）应用层。相对于整个智能家居的应用，照明系统的应用主要是围绕着灯具的控

14、制展开的，在本文中主要对灯具的光强，开闭以及颜色等方面进行控制。该智能照明系统中，家庭内部网络里面各个传感器设备与控制单元通过一定的方式最终连接到主控器，由此来实现各个单元之间的通信与控制。而该系统还可以扩展到外部网络，将各种环境参数与人体生理参数以及设备的状态参数等传送到互联网，供用户通过手机或者电脑、平板等设备进行远程访问。从整个照明控制系统的功能方面来看，它具备以下功能和创新点：（1）照明功能。照明功能是各类照明系统所必须达到的基本功能。只有满足一定的照度要求，该照明系统才能被运用到日常生活中去。不同的生活工作环境对照度的要求是不同的。而室内的光照强度，由于外界环境的不同，室内灯具的状态

15、不同等多方面原因，实际上是处在不断变化的过程中的。（2）节能功能。能源问题是当今世界谋求发展过程中必须妥善解决的问题，在家庭照明和办公室照明中，能源消耗占到总能源消耗的20%到50%。由此可见，节能问题也是照明系统中必须要加以解决的问题。（3）生理情绪调节功能。以上两个功能是大部分智能照明控制系统所具备的基本功能，虽然不同产品生产厂家所提供的解决方案存在细节上的区别，但大体上大同小异。情绪精神等问题是一个深刻影响当今社会和谐，家庭和睦，人民幸福水平的重要问题。色彩心理学的研究已经证实，人的生理情绪与居住环境的颜色是存在关系的。本系统希望借助传感器技术，无线通信技术以及色7 彩心理学等方面知识技

16、术的融合，通过对背景灯颜色的控制，以达到对人体生理情绪进行调节的目的。（4）家居照明环境氛围的控制与设定。我们一天中大部分的活动都是在室内进行的。比如睡眠，吃饭，会客和室内健身等。通过对家居照明系统进行控制，可以为居住者提供更为舒适的居住环境，同时用户还可以对灯光的亮度与颜色进行设置，以满足用户的个性化需求。2.2 2.2 灯光控制器功能灯光控制器功能需求需求 该智能照明系统控制部分主要包括主照明灯具的控制与背景灯颜色的控制。在日常生活中，我们常会遇到很多问题，如在室内阅读或看电视不需要太强的光照，打开照明灯具过于明亮，关掉灯具又会影响到阅读或者观看电视的舒适度；由于疏忽忘记关闭照明灯具造成能源的浪费；晚上起来上厕所或者回到家一时找不到电源开关，有时不得不采用手机进行照明；居室的灯光颜色单一，无法对于家居环境进行有效的烘托与调节。针对上面存在的问题，在智能照明控制系统中，灯光控制器具有以下功能：系统检测到人体靠近时，自动打开照明灯具。当检测到人离开房间时，关闭灯具；对于灯具的开闭实现自动化控制。根据室内的光强，对于照明灯具的光强进行调节。满足在不同外界光照强度的情况下，用户对于室内光强