智能照明系統(tǒng)論文

1、基于Android和zigbee的智能照明系統(tǒng)的研究與設計鄒嘉健 林銳文【摘要】隨著科學技術的進步數(shù)字化家居已經成為人們日益關注的話題和研究方向。另 外基于IOS和Android系統(tǒng)平臺的智能移動手持和高速的無線傳輸網絡的出現(xiàn)，給數(shù)字化家居的前進提供了優(yōu)質的載體。本文對不同的系統(tǒng)平臺和無線網絡進行分析，最后給出了一個利用Android系統(tǒng)手機通過zigbee無線網絡控制家居照明系統(tǒng)的可行方案?！娟P鍵詞】智能化 家居照明 Android Zigbee 功率調節(jié)1. 引言隨著網絡技術及通信技術的發(fā)展，數(shù)字化家居概念的提出及發(fā)展，智能照明作為數(shù)字化家居的重要組成部分而被各個智能化廠家所重視起來，隨著

2、IBM(IBM,140.90,-0.37%)Microsoft、Haier、Samsung、Panasonic、Siemens等一大批跨國企業(yè)的加入，進一步加速了行業(yè)的發(fā)展及渠道的形成。近年來，在上海、北京等地開始出現(xiàn)了專業(yè)的數(shù)字化家居集成商，同時大型的家居數(shù)字化體驗館也開始出現(xiàn)，如上海市電信大樓的家居體驗館、上海永樂數(shù)字生活體驗館、青島海爾(企業(yè)博客|視頻|)數(shù)字生活體驗館等。數(shù)字化家居作為人類通信、網絡、建材、安防、家居等行業(yè)發(fā)展的集大成，受到社會極大的關注。國外的相關產品是把智能照明作為其智能產品的一部分來運作，定位高端，造成曲高和寡的局面。如同上世紀八九十年代的家電市場。但是隨著國內經

3、濟的高速發(fā)展、技術的日趨成熟，以及部分國際品牌如Dynalite、路創(chuàng)、WIELAND、e-bfb等進軍中國市場，迅速推動了這個行業(yè)的發(fā)展。進入21世紀，國內智能照明廠家和商家如雨后春筍般迅速發(fā)展，涌現(xiàn)出如瑞朗、百分百照明、清華同方、索博、海爾等大小幾十家企業(yè)，智能照明進入一個嶄新的發(fā)展階段。在今年的深圳國際照明展上，一種新亮相的百分百照明所生產的“傻瓜”型新一代智能家居照明系統(tǒng)-“智能遙控開關”引起了大眾的注意。專家預言，在不久的將來，智能照明將取代普通照明，成為照明行業(yè)的新銳主流產品。照明產品將進入到“遙控時代”。2. 系統(tǒng)功能概述本作品通過zigbee模塊，結合現(xiàn)在主流的移動平臺andr

4、oid，對家居的照明系統(tǒng)進行相應的控制，從而達到方便，智能，節(jié)能，安全的效果對于現(xiàn)在大部分的家用照明設施只設置了開和關的功能，未能實現(xiàn)調節(jié)照明亮度以適應不同的場景和滿足不同人需求的功能，并且這種機械式的硬性開關動作將電燈從不亮直接激活到全亮或從全亮直接熄燈，這對燈具有很大損傷，使用壽命也大打折扣，并且這也給人帶來一定的安全隱患，如開關漏電，突變的燈光會傷眼。隨著生活水平的提高和科學技術的發(fā)展，這種純手動無法調節(jié)的開關方式已經無法滿足人們的需求。這也是關于此設計的切入點。 所以本作品的功能包括：a) 場景控制通過每個調光模塊和動靜探測器等電氣元件，實現(xiàn)對各區(qū)域內正常工作狀態(tài)的照明燈具的自動開關控

5、制，比如就餐模式：可以將燈光調至蠟燭般的亮度以進行一個浪漫的燭光晚宴等，影院模式：將多媒體播放區(qū)的燈光調暗可盡情享受電影院般的觀影美感；會議模式：將燈光調到足夠亮而又不刺眼的狀態(tài)可以使會議氣氛更融洽提高會議質量，離家模式：自動設置房里的某一電燈打開以做虛警示起到安防作用，并且在其它監(jiān)控設施發(fā)現(xiàn)房間出現(xiàn)不明情況（如消防問題，盜賊入室等）會改變燈光閃爍方式作為警報等等，只要通過手機一鍵功能就可以對照明模式進行切換b) 智能調光通過移動設備，可以對燈光的亮度進行任意的調節(jié)，方便及時開燈關燈，避免由于關燈不及時而浪費電能，這樣可以達到節(jié)能的目的，同時電燈開啟時光線由暗逐漸到亮，關閉時由亮逐漸到暗，直到

6、關閉，有利于保護眼睛，又可以避免瞬時電流的偏高對燈具所造成的沖擊，能有效地延長燈具的使用壽命，對節(jié)能環(huán)保也有一定的積極作用。3. 系統(tǒng)硬件電路模塊設計與論述a) 移動開發(fā)系統(tǒng)的選擇方案一：搭載在現(xiàn)在最流行的移動操作系統(tǒng)android（安卓）。由于系統(tǒng)是開源的，開放的平臺允許任何移動終端廠商加入到Android聯(lián)盟中來。顯著的開放性可以使其擁有更多的開發(fā)者，所以其資源和人們的開發(fā)程度是最高的，而且也是現(xiàn)在最熱門的最流行的系統(tǒng)，市場占有量很大。方案二：搭建在IOS(蘋果)移動操作系統(tǒng)。蘋果系統(tǒng)的出現(xiàn)是對手機行業(yè)的一次重大的革命，它改變了幾個時代。其系統(tǒng)的優(yōu)越性，對軟件的兼容性，給用戶帶來了許多意想

7、不到的用戶體驗，曾經一度引起大家的開發(fā)熱潮。隨著社會的發(fā)展，人們生活水平的提高，蘋果設備在中國的市場份額已經在大幅度提升，但是其閉源性，使得其開發(fā)的難度增加。但是也不失為一個可選的系統(tǒng)。綜合上面的考慮，我們決定選取方案一，利用android系統(tǒng)會減少更多的工序，開發(fā)起來資源更加豐富，更加簡單快捷。b) 繼電器驅動模塊方案一： ULN2003是大電流驅動陣列,多用于單片機、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中?？芍苯域寗永^電器等負載。 輸入5VTTL電平，輸出可達500mA/50V。 ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陳列,由七個硅NPN達林頓管組成。 該電路的特點如下: ULN2003

8、的每一對達林頓都串聯(lián)一個2.7K的基極電阻,在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路 直接相連,可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。 ULN2003 是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產品,具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點,適應于各類要求高速大功率驅動的系統(tǒng)。不足之處在于我們需要8路的開關電流放大，而且信號僅為3.3V，所以ULN2003雖然很優(yōu)秀，但是不適合用在我們這個系統(tǒng)。方案二：三極管共射電流放大電路。由于繼電器實際上所需要的電流也不是很大，而且這個電路需要的開關速度不快，因此三極管共射電流放大電路足以滿足要求綜上所述，為了更加穩(wěn)定和方便地實現(xiàn)功能

9、，我們決定選擇方案二c) 過零點信號提取電路方案一：首先把220V，50hz的交流電經過橋堆整流后，形成了半波，那么就在它就要過零點的附近，發(fā)光二極管熄滅，從而使得輸出為高電平，那么在一個周期內就會在過零點附近形成一個觸發(fā)脈沖，從而可以得到其過零點的同步信號，其提取波形如下：方案二：差動型輸入：這個電路是通過運放的差分輸入的性質來生成同步信號的，當正輸入端的電壓大于負輸入端的時候，輸出為高電平，當正輸入端的電壓比付輸入端的電壓低的時候，輸出為低電平，所以就可以在電壓過零點的時候產生電平的跳變，從而產生一個占空比為50%的方波信號。綜上所訴：由于方案二的電路的高壓側與低壓側沒有隔離電路，可能會造

10、成比較大的干擾，而方案一是通過光耦進行了強電和弱電的隔離，使得電路更加穩(wěn)定，所以我們選取的方案一！d) 功率調節(jié)模塊的控制方式分析方案一：交流調壓控制在每半個周波內通過對晶閘管開通相位的控制可以方便地調節(jié)輸出電壓的有效值，這種電路稱為交流調壓電路。這種電路調節(jié)后不改變輸出電壓的頻率，廣泛用于燈光控制（如調光臺燈和舞臺燈光控制）及異步電動機的軟啟動也用于異步電動機調速?？刂品绞胶唵?，幾個元器件就可以搭出一個無級的燈光控制電路。但是由于使開關管的導通腳發(fā)生了變化，電流不再是正弦波，對電網有諧波污染。方案二：交流調功電路控制交流調功電路不是在每個交流電源周期都通過觸發(fā)延遲角對輸出電壓波形進行控制，而

11、是將負載與交流電源接通幾個整周波，再斷開幾個整周波，通過改變接通周波數(shù)與斷開周波數(shù)的比值來調節(jié)負載所消耗的平均功率。這種電路往往用在時間常數(shù)較大的設備，沒有必要對交流電源的每個周期進行頻繁的控制，只要以周波數(shù)為單位進行控制就足夠了。通?？刂凭чl管導通的時刻都是在電源電壓過零的時刻，這樣，在交流電源接通期間，負載電壓電源都是正弦波，不對電網電壓電流造成通常意義的諧波污染?？刂品绞綄哉{壓控制為主，畢竟對于很多設備，其電氣慣性并不是很大，例如一般的電燈一般就不能采用調功控制，如果采用調功控制的話將會看到燈光明顯的閃爍，這明顯是不能應用的。因此，我們主要采用調壓控制，調功控制作為輔助，可以用于電器

12、慣性比較大的用電設備。采取的電路圖是e) 通訊模塊方案一：藍牙模塊作為取代數(shù)據(jù)電纜的短距離無線通信技術，藍牙支持點對點以及點對多點的通信，以無線方式將家庭或辦公室中的各種數(shù)據(jù)和語音設備連成一個微微網（Piconet），幾個微微網還可以進一步實現(xiàn)互聯(lián)，形成一個分布式網絡（scatternet），從而在這些連接設備之間實現(xiàn)快捷而方便的通信方案二：zigbee模塊ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?。而且還具有網絡容量大?？煽?，安

13、全等特點。綜合所述：使用zigbee模塊是現(xiàn)在智能家居的一個潮流，它比藍牙模塊的覆蓋范圍更加廣，而且更加穩(wěn)定安全可靠，還可以傳輸比較的大的信號，很適合去構造一個家居網絡，所以我們選取了方案二。4. 系統(tǒng)軟件通訊模塊設計Android系統(tǒng)支持的網絡通信方式有通過Http協(xié)議與Web服務器通信和通過TCP/IP協(xié)議進行Socket通信。本設計基于簡單而又可靠的Socket（TCP/IP）通信方式進行設計。a) Socket介紹Socket在計算機網絡中通常被成為“套接字” ，用于描述IP地址和端口，是2臺機器間通信的端點應用程序通常通過“套接字”向網絡發(fā)出請求或者答應網絡請求以JDK17為例，So

14、cke和ServerSocket類庫都位于iavanet包中，ServerSocket用于服務器端，Socket是建立網絡連接時使的ServerSocket端會有一個accept方法等待連接請求，當成功連接時，應用程序兩端都會產生一個Socket實例，操作這個實例，完成所需要的對話，在這個網絡連接里面，“套接字”是平等的，并不會因為在服務器端或是客戶端而產生不同級別。b) TCPIP協(xié)議TCPIP是指一整套數(shù)據(jù)通信協(xié)議，其名字是由這些協(xié)議中的2個協(xié)議組成的，即傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol-TCP)和網問協(xié)議(Internet Protocol-IP)

15、雖然還有很多協(xié)議，但是TCPIP顯然是2個最重要的協(xié)議雖然TCP 傳輸?shù)男什患癠DP (UserDatagram Protocol 無連接的協(xié)議)，但是很多時候，對數(shù)據(jù)內容正確性的檢驗是必需的，這樣必然會占用相對多的計算機處理時間和網絡帶寬，不過，換來的是數(shù)據(jù)的可靠傳輸TCP為了保證不發(fā)生丟包，就給每個字節(jié)一一個序號， 同時序號也保證了傳送到接收端實體包的按序接收然后接收端實體對已成功收到的字節(jié)發(fā)回一個相應的確認(ACK)；如果發(fā)送端實體在合理的往返時延(RTT)內未收到確認，那么對應的數(shù)據(jù)(假設丟失了)將會被重傳TCP用一個校驗和(Checksum)函數(shù)來檢驗數(shù)據(jù)是否有錯誤；在發(fā)送和接收時

16、都要計算校驗和。c) Server-Client程序開發(fā)Server端(僅列舉主要代碼)：ServerSocket server；server=new ServerSocket(int port)；上面的代碼用于創(chuàng)建一個ServerSocket對象實例，im類型的port表示設定的通信端口，端口可以隨意指定，但是由于1024以下的端口是保留端口，所以選擇大于1024的端口。Socket socket=serveraccept()；在這一行代碼中，accept方法用于產生一個“阻塞”，直到接受到一個正確的連接請求，連接成功并返回客戶端一個Socket的對象實例“阻塞”是一個術語，它使程序運行暫時

17、“停留”在這個地方，直到一個網絡對話產生，然后程序繼續(xù)。InputStream in = socketgetlnputStream0；OutputStream out socketgetOutputStream0；上面的代碼中，getlnputStream方法獲得網絡輸入，并返回一個InputStream對象實例，getOutputStream方法連接的另一端獲得輸入，并返回一個OutputStream對象實例。必須注意的是getInputStream 方法和getOutputStream 方法均可能會產生一個IOExpection它必須被捕獲，因為他們返回的流對象，通常會被另一個流對象使用Client端(僅列舉主要代碼)： static Socket client； client=new Socket(Stringsite，int port)；在上面的代碼中，字符串類型(String)的site是指服務器的IP地址，整數(shù)型(int)的port是指通信端口號，一旦IP地址和端口號都與服務器端匹配，客戶端發(fā)送連接請求時就會被服務器端accept，正式建立對話在服務器端(Server)和客戶端(Client)，分別創(chuàng)建OutputStream 和InputStream 的對象實例，便可以分別調用write方法和read方法進行通信對話。5. 結束語由于zigbee技術的逐步完善，