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发布时间:2020-06-28 15:24


  智能照明系统论文_工程科技_专业资料。基于 Android 和 zigbee 的智能照明系统的研究与设计 邹嘉健 林锐文 【摘要】 随着科学技术的进步数字化家居已经成为人们日益关注的话题和研究方向。 另外基 于 IOS 和 Android

  基于 Android 和 zigbee 的智能照明系统的研究与设计 邹嘉健 林锐文 【摘要】 随着科学技术的进步数字化家居已经成为人们日益关注的话题和研究方向。 另外基 于 IOS 和 Android 系统平台的智能移动手持和高速的无线传输网络的出现, 给数字化家居的 前进提供了优质的载体。 本文对不同的系统平台和无线网络进行分析, 最后给出了一个利用 Android 系统手机通过 zigbee 无线网络控制家居照明系统的可行方案。 【关键词】智能化 家居照明 Android Zigbee 功率调节 1. 引言 随着网络技术及通信技术的发展,数字化家居概念的提出及发展,智能照明作为数 字化家居的重要组成部分而被各个智能化厂家所重视起来,随着 IBM(IBM,140.90,-0.37%)Microsoft、Haier、Samsung、Panasonic、Siemens 等一大批跨 国企业的加入,进一步加速了行业的发展及渠道的形成。近年来,在上海、北京等地开 始出现了专业的数字化家居集成商, 同时大型的家居数字化体验馆也开始出现, 如上海 市电信大楼的家居体验馆、上海永乐数字生活体验馆、青岛海尔(企业博客视频)数字 生活体验馆等。数字化家居作为人类通信、网络、建材、安防、家居等行业发展的集大 成,受到社会极大的关注。 国外的相关产品是把智能照明作为其智能产品的一部分来运作,定位高端,造成曲 高和寡的局面。如同上世纪八九十年代的家电市场。但是随着国内经济的高速发展、技 术的日趋成熟,以及部分国际品牌如 Dynalite、路创、WIELAND、e-bfb 等进军中国市 场,伟德体育迅速推动了这个行业的发展。进入 21 世纪,国内智能照明厂家和商家如雨后春笋 般迅速发展,涌现出如瑞朗、百分百照明、清华同方、索博、海尔等大小几十家企业, 智能照明进入一个崭新的发展阶段。 在今年的深圳国际照明展上,一种新亮相的百分百照明所生产的“傻瓜”型新一代 智能家居照明系统----- 智能遥控开关” “ 引起了大众的注意。 专家预言,智能照明控制系统选择万可wago 在不久的将来, 智能照明将取代普通照明,成为照明行业的新锐主流产品。照明产品将进入到“遥控时 代” 。 2. 系统功能概述 本作品通过 zigbee 模块,结合现在主流的移动平台 android,对家居的照明系统进行 相应的控制,从而达到方便,智能,节能,安全的效果 对于现在大部分的家用照明设施只设置了开和关的功能, 未能实现调节照明亮度以适应 不同的场景和满足不同人需求的功能, 并且这种机械式的硬性开关动作将电灯从不亮直 接激活到全亮或从全亮直接熄灯,这对灯具有很大损伤,使用寿命也大打折扣,并且这 也给人带来一定的安全隐患,如开关漏电,突变的灯光会伤眼。随着生活水平的提高和 科学技术的发展, 这种纯手动无法调节的开关方式已经无法满足人们的需求。 这也是关 于此设计的切入点。 所以本作品的功能包括: a) 场景控制 通过每个调光模块和动静探测器等电气元件, 实现对各区域内正常工作状态的照明 灯具的自动开关控制, 比如就餐模式: 可以将灯光调至蜡烛般的亮度以进行一个浪漫的 烛光晚宴等,影院模式:将多媒体播放区的灯光调暗可尽情享受电影院般的观影美感; 会议模式:将灯光调到足够亮而又不刺眼的状态可以使会议气氛更融洽提高会议质量, 离家模式: 自动设置房里的某一电灯打开以做虚警示起到安防作用, 并且在其它监控设 施发现房间出现不明情况(如消防问题,盗贼入室等)会改变灯光闪烁方式作为警报等 等,只要通过手机一键功能就可以对照明模式进行切换 b) 智能调光 通过移动设备,可以对灯光的亮度进行任意的调节,方便及时开灯关灯,避免由于 关灯不及时而浪费电能, 这样可以达到节能的目的, 同时电灯开启时光线由暗逐渐到亮, 关闭时由亮逐渐到暗,直到关闭,有利于保护眼睛,又可以避免瞬时电流的偏高对灯具 所造成的冲击,能有效地延长灯具的使用寿命,对节能环保也有一定的积极作用。 3. 系统硬件电路模块设计与论述 a) 移动开发系统的选择 方案一: 搭载在现在最流行的移动操作系统——android(安卓) 。由于系统是开源的,开 放的平台允许任何移动终端厂商加入到 Android 联盟中来。 显著的开放性可以使其拥有 更多的开发者, 所以其资源和人们的开发程度是最高的, 而且也是现在最热门的最流行 的系统,市场占有量很大。 方案二: 搭建在 IOS(苹果)移动操作系统。苹果系统的出现是对手机行业的一次重大的革 命,它改变了几个时代。其系统的优越性,对软件的兼容性,给用户带来了许多意想不 到的用户体验, 曾经一度引起大家的开发热潮。 随着社会的发展, 人们生活水平的提高, 苹果设备在中国的市场份额已经在大幅度提升, 但是其闭源性, 使得其开发的难度增加。 但是也不失为一个可选的系统。 综合上面的考虑,我们决定选取方案一,利用 android 系统会减少更多的工序, 开发起来资源更加丰富,伟德体育!更加简单快捷。 b) 继电器驱动模块 方案一: ULN2003 是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制 电路中。可直接驱动继电器等负载。 输入 5VTTL 电平,输出可达 500mA/50V。 ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅 NPN 达林顿管组成。 该电路的特 点如下: ULN2003 的每一对达林顿都串联一个 2.7K 的基极电阻,在 5V 的工作电压下它 能与 TTL 和 CMOS 电路 直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。 ULN2003 是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、 工作电压高、 温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。 不足之处在于我们需要 8 路的开关电流放大,而且信号仅为 3.3V,所以 ULN2003 虽然很优秀,但是不适合用在我们这个系统。abb智能照明控制模块说明书 方案二: 三极管共射电流放大电路。 由于继电器实际上所需要的电流也不是很大, 而且这个 电路需要的开关速度不快,因此三极管共射电流放大电路足以满足要求 综上所述,为了更加稳定和方便地实现功能,我们决定选择方案二 c) 过零点信号提取电路 方案一: 首先把 220V,50hz 的交流电经过桥堆整流后,形成了半波,那么就在它就要过零点 的附近,发光二极管熄灭,从而使得输出为高电平,那么在一个周期内就会在过零点附 近形成一个触发脉冲,从而可以得到其过零点的同步信号,其提取波形如下: 方案二: 差动型输入: 这个电路是通过运放的差分输入的性质来生成同步信号的,当正输入端的电压大于 负输入端的时候,输出为高电平,当正输入端的电压比付输入端的电压低的时候,输出 为低电平,所以就可以在电压过零点的时候产生电平的跳变,从而产生一个占空比为 50%的方波信号。 综上所诉:由于方案二的电路的高压侧与低压侧没有隔离电路,可能会造成比较大 的干扰,而方案一是通过光耦进行了强电和弱电的隔离,使得电路更加稳定,所以我们 选取的方案一! d) 功率调节模块的控制方式分析 方案一:交流调压控制 在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制可以方便地调节输出电压的有效值, 这种电路称为交流调压电路。 这种电路调节后不改变输出电压的频率, 广泛用于灯光控 制(如调光台灯和舞台灯光控制)及异步电动机的软启动也用于异步电动机调速。控制 方式简单, 几个元器件就可以搭出一个无级的灯光控制电路。 但是由于使开关管的导通 脚发生了变化,电流不再是正弦波,对电网有谐波污染。 方案二:交流调功电路控制 交流调功电路不是在每个交流电源周期都通过触发延迟角 α 对输出电压波形进行 控制,而是将负载与交流电源接通几个整周波,再断开几个整周波,通过改变接通周波 数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。 这种电路往往用在时间常数较大 的设备, 没有必要对交流电源的每个周期进行频繁的控制, 只要以周波数为单位进行控 制就足够了。通常控制晶闸管导通的时刻都是在电源电压过零的时刻,这样,在交流电 源接通期间,负载电压电源都是正弦波,不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染。 控制方式将会以调压控制为主,毕竟对于很多设备,其电气惯性并不是很大,例如 一般的电灯一般就不能采用调功控制, 如果采用调功控制的话将会看到灯光明显的闪烁, 这明显是不能应用的。因此,我们主要采用调压控制,调功控制作为辅助,可以用于电 器惯性比较大的用电设备。 采取的电路图是 e) 通讯模块 方案一:蓝牙模块 作为取代数据电缆的短距离无线通信技术,蓝牙支持点对点以及点对多点的通信, 以无线方式将家庭或办公室中的各种数据和语音设备连成一个微微网 (Pico-net) 几 , 个微微网还可以进一步实现互联,形成一个分布式网络(scatter-net) ,从而在这些 连接设备之间实现快捷而方便的通信 方案二:zigbee 模块 ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技 术。 主要用于距离短、 功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典 型的有周期性数据、 间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。 而且还具有网络容量大。 可靠,安全等特点。 综合所述: 使用 zigbee 模块是现在智能家居的一个潮流, 它比蓝牙模块的覆盖范围更加广, 而 且更加稳定安全可靠,还可以传输比较的大的信号,很适合去构造一个家居网络,所以 我们选取了方案二。 4. 系统软件通讯模块设计 Android 系统支持的网络通信方式有通过 Http 协议与 Web 服务器通信和通过 TCP/IP 协议进行 Socket 通信。本设计基于简单而又可靠的 Socket(TCP/IP)通信方式进行设 计。 a) Socket 介绍 Socket 在计算机网络中通常被成为“套接字” ,用于描述 IP 地址和端口,是 2 台机 器间通信的端点.应用程序通常通过“套接字”向网络发出请求或者答应网络请求.以 JDK1.7 为例,智能照明系统的设计与实现Socke 和 ServerSocket 类库都位于 iava.net 包中,ServerSocket 用 于服务器端, Socket 是建立网络连接时使的. ServerSocket 端会有一个 accept 方法等 待连接请求, 当成功连接时, 应用程序两端都会产生一个 Socket 实例, 操作这个实例, 完成所需要的对话,在这个网络连接里面, “套接字”是平等的,并不会因为在服务器 端或是客户端而产生不同级别。 b) TCP/IP 协议 TCP/IP 是指一整套数据通信协议,其名字是由这些协议中的 2 个协议组成的,即 传 输 控 制 协 议 (Transmission Control Protocol-TCP) 和 网 问 协 议 (Internet Protocol-IP).虽然还有很多协议,但是 TCP/IP 显然是 2 个最重要的协议.虽然 TCP 传输的效率不及 UDP (UserDatagram Protocol——无连接的协议),但是很多时候,对 数据内容正确性的检验是必需的, 这样必然会占用相对多的计算机处理时间和网络带宽, 不过, 换来的是数据的可靠传输. 为了保证不发生丢包, TCP 就给每个字节一一个序号, 同时序号也保证了传送到接收端实体包的按序接收. 然后接收端实体对已成功收到的字 节发回一个相应的确认(ACK);如果发送端实体在合理的往返时延(RTT)内未收到确认, 那么对应的数据(假设丢失了)将会被重传. TCP 用一个校验和(Checksum)函数来检验数 据是否有错误;在发送和接收时都要计算校验和。 c) Server-Client 程序开发 Server 端(仅列举主要代码): ServerSocket server;server=new ServerSocket(int port); 上面的代码用于创建一个 ServerSocket 对象实例, 类型的 port 表示设定的通信 im 端口,端口可以随意指定,但是由于 1024 以下的端口是保留端口,所以选择大于 1024 的端口。 Socket socket=server.accept(); 在这一行代码中,accept 方法用于产生一个“阻塞” ,直到接受到一个正确的连接 请求,连接成功并返回客户端一个 Socket 的对象实例. “阻塞”是一个术语,它使程序 运行暂时“停留”在这个地方,直到一个网络对话产生,然后程序继续。 InputStream in = socket.getlnputStream0; OutputStream out socket.getOutputStream0; 上面的代码中,getlnputStream 方法获得网络输入,并返回一个 InputStream 对象 实例,getOutputStream 方法连接的另一端获得输入,并返回一个 OutputStream 对象 实例。必须注意的是 getInputStream 方法和 getOutputStream 方法均可能会产生一个 IOExpection 它必须被捕获,因为他们返回的流对象,智能照明控制系统课程设计通常会被另一个流对象使用. Client 端(仅列举主要代码): static Socket client; client=new Socket(Stringsite,int port); 在上面的代码中, 字符串类型(String)的 site 是指服务器的 IP 地址, 整数型(int) 的 port 是指通信端口号, 一旦 IP 地址和端口号都与服务器端匹配, 客户端发送连接请 求时就会被服务器端 accept, 正式建立对话. 在服务器端(Server)和客户端(Client), 分别创建 OutputStream 和 InputStream 的对象实例, 便可以分别调用 write 方法和 read 方法进行通信对线. 结束语 由于 zigbee 技术的逐步完善, 以及 Android 系统的开源, 使得该系统更具普适性和 稳定有效性, 也必将为新的家居智能控制提供更为广阔的研究思路。 安全节能更是永远 值得追求的主题,本设计是一个小尝试,相信以后会有更大的突破。 【参考文献】 a) b) c) d) e) 程汉湘,武小梅. 电力电子技术(第二版).科学出版社,2010 童诗白,华成英.模拟电子技术基础(第四版).高等教育出版社,2011 周 江. 基于单片机的调光控制器设计.成都职业技术学院电子系 2010 李兴华.名师讲坛——Android开发实战经典.清华大学出版社,2012 郭宏志.Android开发应用详解[M].北京:电子工业出版社,2010

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