218修改 基于物联网智能灯光控制系统设计与实现.docx
- 文档编号:4568542
- 上传时间:2022-12-06
- 格式:DOCX
- 页数:27
- 大小:1.07MB
218修改 基于物联网智能灯光控制系统设计与实现.docx
《218修改 基于物联网智能灯光控制系统设计与实现.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《218修改 基于物联网智能灯光控制系统设计与实现.docx(27页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
218修改修改基于物联网智能灯光控制系统设计与实现基于物联网智能灯光控制系统设计与实现密级:
学号:
2015003370本科生毕业论文(设计)基于物联网智能灯光控制系统的设计与实现学院:
信息工程学院专业:
物联网工程班级:
14本电子1班学号:
2015003370姓名:
徐艳锋指导教师1:
黄丽指导教师2:
学士学位论文原创性声明本人郑重声明:
所呈交的论文(设计)是本人在指导老师的指导下独立进行研究,所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文(设计)不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式表明。
本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。
学位论文作者签名(手写):
签字日期:
年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权江西科技学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
本学位论文属于保密,在年解密后适用本授权书。
不保密。
(请在以上相应方框内打“”)学位论文作者签名(手写):
指导老师签名(手写):
签字日期:
年月日签字日期:
年月日摘要现如今,环境保护的观念深入人心,节能和减排成了全社会的共识。
照明工具是人们生活中必不可少的部分,它实现绿色照明对减低能耗,建设节约型社会有重要意义。
LED作为一种绿色光源,具有能耗低、体积小、寿命长等优点,是照明的理想光源。
以LED为核心的照明技术与无线控制技术相融合的智能照明技术,是实现照明控制系统“网络化、智能化、标准化”的关键。
在无线通信技术中,ZigBee技术因其低功耗、成本低、网络容量大、自组网等特性,在生活中有广泛的应用,它可以将分布在家中含有ZigBee节点的设备,通过ZigBee网络连接起来。
同时结合Wifi技术有高速率、能够直接联网的特点,可以将照明系统与家庭外网相连,实现各种智能控制端对智能照明系统的控制。
本文通过设计一款基于物联网智能灯光控制系统,通过查阅相关的文献资料,从传感器模块、电路等环节对该系统硬件硬性设计,并又通过软件开发环境、传感器控制等软件环节对系统进行软件设计,最终设计出了一款基于物联网智能灯光控制系统,并利用JAVA语言对系统进行了软件测试,通过这款智能灯光控制系统的设计,希望对智能领域设计提供一点参考。
关键词:
物联网;智能灯光;控制系统AbstractNowadays,theconceptofenvironmentalprotectionisdeeplyrootedintheheartsofthepeople,andenergyconservationandemissionreductionhavebecometheconsensusofthewholesociety.Lightingtoolsareanindispensablepartofpeopleslives.Itisimportanttorealizegreenlightingtoreduceenergyconsumptionandbuildaconservation-orientedsociety.Asagreenlightsource,LEDhastheadvantagesoflowenergyconsumption,smallsizeandlonglife,andisanideallightsourceforillumination.TheintelligentlightingtechnologythatcombinesLED-basedlightingtechnologywithwirelesscontroltechnologyisthekeytorealizethe“networking,intelligentizationandstandardization”oflightingcontrolsystem.Inwirelesscommunicationtechnology,ZigBeetechnologyhasawiderangeofapplicationsinlifeduetoitslowpowerconsumption,lowcost,largenetworkcapacity,andself-organizingnetwork.ItcandistributedevicescontainingZigBeenodesinthehomethroughZigBeenetwork.connectthem.Atthesametime,combinedwithWifitechnology,ithasthecharacteristicsofhighspeedanddirectnetworking.Itcanconnectthelightingsystemwiththehomeexternalnetworktorealizethecontroloftheintelligentlightingsystembyvariousintelligentcontrolterminals.ThispaperdesignsasoftwarebasedontheintelligentlightingcontrolsystemoftheInternetofThings,throughtherelevantliterature,fromthesensormodule,circuitandotherlinkstothehardwaredesignofthesystem,andthroughthesoftwaredevelopmentenvironment,sensorcontrolandothersoftwarelinkstothesystemsoftwareDesign,andfinallydesignedanintelligentlightingcontrolsystembasedontheInternetofThings,andusedtheJAVAlanguagetotestthesystemsoftware.Throughthedesignofthisintelligentlightingcontrolsystem,Ihopetoprovideareferencefortheintelligentfielddesign.Keywords:
InternetofThings;intelligentlighting;controlsystem第第1章章绪论绪论1.1论文研究现状论文研究现状智能灯光是智能家居的一个子系统,与我们的生活息息相关密不可分,但智能灯光并没有像智能家居一样受到过多的关注。
智能灯光控制系统的发展相对落后很多,原因主要是受技术的发展水平,产品的价格,人们对新事物的接受程度和消费观念影响的。
发达国家在智能灯光起步较早,在智能灯光领域拥有许多知名的品牌,知名的品牌有:
Philips、C-BUS、Dynet、DALI、HomeServer、i-bus、NICO等。
其中新加坡NICO公司有很多产品,在技术上保持世界的领先水平,在很多国家都有该公司设计的十分出色的智能灯光现代建筑。
2002年英国的Invensys、Motorola、日本的Misubishi、Philips一些企业为了建立一种成本低、功耗低、短距离、相对速率较低的无线通信网络技术标准,专门成立了ZigBee联盟。
因为ZigBee在短距离、低速率,小数据等应用领域优势明显,而且ZigBee体积小,成本低,可以通过增加节点增大覆盖范围,此外ZigBee网络可以独立组成一个无线控制网络,非常适合智能灯光领域。
总的来说在2010年以前,总线式系统是智能灯光领域占主导地位的控制系统,系统中灯具数量较多,通常中央控制系统除了对灯具的控制外,还要控制系统中其它设备,因此系统对整体的稳定性有较高的要求。
从2013年开始,一些无线智能照明产品开始被逐推出,其中最具代表意义的是PhilipsHue灯泡和GELightGrid智能灯光系统,这些产品价格较贵,而且系统无线网络相对复杂,追求智能控制方法却没有考虑灯光系统的本质,忽略了灯光效果。
1.2研究的目的和意义研究的目的和意义随着科技的进步,近年来以物联网为代表的技术发展迅速,智能化水平也在逐步提高,其中最为引人注目的是灯光技术与控制技术的相融合的智能灯光技术。
它保证了灯光质量的提高和节能降耗的落实,成为智慧城市的重要组成部分。
传统灯光人们需求仅局限于灯光本身,对灯光效果基本上没有要求。
如今,人们生活水平的提高,科学技术的进步,使得人们对于室内灯光控制系统有了更高标准的要求。
人们不满意传统灯光布线繁琐、扩展性差、人工管理、功能单一、“长明灯”耗能严重的问题。
针对这样的市场需求,虽然有些企业也做出了相应的产品,但是主要将灯光当做智能家居的一部分,没有认真解决灯光质量的问题。
高品质的光除了亮度以外,色温、光效、显指也很重要,研究表明光对人体健康、工作效率、睡眠质量有重要影响,合适的灯光可以让人白天能更高效的办公,夜晚拥有良好的睡眠。
因此结合zigbee技术开发出一种智能化管理,灯光质量高的智能灯光系统不仅意义重大,市场应用也很广阔。
1.3论文研究的主要内容论文研究的主要内容本文将ZigBee技术、数据库技术运用到照明领域,结合本文提出的基于最优化模型的照明控制策略算法,设计并实现了一套照明控制系统。
在本照明控制系统中,本文给出了系统的需求分析、总体结构设计和软硬件的详细设计。
其中数据搜集模块由光照度传感器、人体热释传感器等感知当前环境数据,并发送到服务器模块,服务器模块运用本文提出的照明控制策略算法计算当前所需人工照明的光照度,然后将光照度指令发送给照明灯具控制模块,照明灯具控制模块对灯具做相应的调光控制,数据展示模块将当前传感器感知的数据以及灯具的实时状态以图表的形式展示出来。
最后,本文对照明控制系统进行了整体功能测试和性能测试,测试结果表明本照明控制系统在不影响照明效果的前提下很好地节约了能源。
第第2章章物联网的相关理论及关键技术物联网的相关理论及关键技术2.1物联网的定义物联网的定义物联网这个名词,国内外普遍公认的是由MITAuto-ID(美国麻省理工学院自动识别中心)KevinAshton教授于1999年研究RFID时最早提出来的。
物联网是指通过无线传感器网络技术、射频识别技术、传感器技术、嵌入式技术、服务器技术、大数据和云计算等技术手段,获取声、光、电、位置和力学等需要的信息,通过底层的无线传感器网络、局域网连接到互联网形成异构网络,实现物品信息的实时获取,同时能够利用终端节点的控制设备模块实现远程操作,实现人与物、物与物的泛在连接。
物联网通俗地讲就是指将无处不在的终端设备和节点,例如携带无线终端设备的个人与车辆、贴上RFID的各种物品、带有获取信息和传输功能的设备等,通过有线或无线通信网络实现互连互通,在互联网(Internet)、专网(Extranet)环境下,采用适当的信息安全保障机制实现对物品的控制、管理和处理。
2005年11月,国际电信联盟(ITU)发表的ITU互联网报告2005:
物联网系统地介绍了意大利、日本、新加坡和韩国等国家物联网技术发展的案例,还提出了关于构建“物联网时代”的想法。
由此之后物联网的发展越来越被人们所重视,物联网的应用覆盖范围也越来越广阔。
2.2物联网的体系结构物联网的体系结构目前比较公认的物联网体系结构分为三层:
感知层、传输层、和应用层。
如图2.1所示。
感知层位于物联网的底层位置,实现与物理世界的信息感知和智能控制。
利用ZigBee技术、传感器技术、RFID技术和嵌入式技术等组建传感器网络对环境进行信息感知,例如:
温湿度、光强、受力、位置、压强、视频等信息,并且通过控制模块与终端节点连接实现远程控制。
其中,利用ZigBee技术组建无线传感器网络,负责现场数据采集。
ZigBee技术是基于IEEE802.15.4标准的无线通信协议,相对于Wi-Fi,Bluetooth等短距离通信标准,其具有低功耗、低成本、自组织、网络容量大、安全性有保证等优点。
感知层实体包括ZigBee协调器节点、ZigBee路由器节点、ZigBee终端节点和功能各异的传感器模块和控制器模块等。
图2.1物联网基本体系结构图传输层位于物联网的中间层,实现感知层的数据转发。
传输层是在现有的通信网络和Internet的基础上扩展而来,传输方式分为无线传输(2G/3G/4G移动通信网)和有线传输(广电网和互联网)。
将感知层的数据通过网关转发到应用层,同时也接收应用层的控制指令,实现数据的双向传输功能。
应用层将传输层传递上来的数据进行分析和处理,完成信息数据的汇总、共享、处理和分析等作用。
应用层与传输层负责将感知的数据收集起来,集中到应用进行统一处理与分析。
可以在不同行业、不同应用和不同终端之间进行信息协同共享,最大程度地为人们服务。
应用层通过用户需求设计不同的应用产品进行对接服务,例如智能楼宇、智能农业、智能家居和智能医疗等服务。
2.3物联网的核心技术物联网作为当代新型技术,它的发展离不开许多重要技术的发展,这些技术是保证物联网不断发展的重要基础。
其核心技术包括:
无线传感器网络技术、传感器技术、RFID技术、ZigBee技术、嵌入式技术、数据挖掘和融合技术和网络与通信技术等。
如图2.2所示。
图2.2物联网核心技术第3章基于物联网智能灯光控制系统硬件设计3.1传感器技术传感器技术我国对传感器的定义是:
“能感受规定的测量值并且按照一定的规律转换成为可用信号的装置或器件”通常由敏感元件、转换元件和电源组成。
”简单地讲,传感器就是一种检测装置,可以将外界被测信号转换为电信号的电子器件。
在智能灯光控制系统中,大多数的数据测量都是非电量,例如温度、湿度、水位、光照强度等,而非电量是无法被计算机直接接收和处理,因而要把非电量数据转化为电量数据。
智能灯光控制系统中的传感器通常需要将压力、震动、声音、光、温度、湿度、位移等转换成相应的电信号,再经过放大、滤波、整型等处理,使得信号数据成为易于传输的数字/模拟信号。
3.2传感器网络的设计传感器网络的设计3.2.1微处理器模块微处理器模块智能灯光控制系统终端节点模块需要一个核心微处理器,这个微处理器对系统的成本、功耗和处理效果等实际性的问题都有着诸多的影响。
本设计选用的是TI公司开发生产的CC2530芯片,它符合IEEE802.15.4标准,性能高效稳定。
CC2530芯片具有性价比高、安全可靠、功耗低等一些特点,所以它是理想型的无线通信芯片。
如图3.1所示为CC2530模块结构框图,大致可分为无线电部分,电源、外设、时钟部分,CPU部分这三大类,同时它有丰富的硬件资源,主要有:
(1)电源供电方式:
miniUSB供电,SV的内正外负电源座,允许外接电源。
(2)串口通讯:
具有USB转串口功能的RS232通信接口,方便数据的传输和调试。
(3)功能按键:
自带一个复位键和两个普通按键,在无线网络的组网过程中可手动入网和退网。
(4)传感器接口:
支持多种传感器即插即用,不需要拔插短路帽,满足快速采集不同环境参数的需求。
(5)LCD:
支持OLED,显示更加直观清楚。
(6)ADC接口:
8个可配置输入通道,简化芯片的内部设计,方便数据采样转换。
(7)天线接口:
使用2.4G全向天线,空旷直视信号传输距离达300米左右。
(8)JTAG接口:
10针仿真接口,可通过SmartRF04EB仿真器相接,在电脑上结合SmartRFFlashProgrammer软件进行程序的下载调试和仿真等操作。
图3.1CC2530功能框图图3.2是CC2530模块的电路原理图,在本系统中,将CC2530芯片的P1组和P2组引脚与底座上的P1组和P2组引脚相连,中间金属头外接天线。
图3.2CC2530模块电路原理图图3.3所展示的是CC2530模块的实物图。
图3.3CC2530实物图3.2.2RF模块在RF电路模块设计中,查阅了CC2530的用户手册,并按资料进行了电路的设计与天线的选型。
CC2530芯片应用电路3.4如图所示:
图3.4CC2530芯片应用电路因为CC2530的内部电路含有T/R电路,RF口采用差动连接方式,它的射频信号设计的是差分方式,射频RF的输入输出阻抗应该与芯片的输入输出阻抗相匹配,因为输入输出阻抗相匹配会使信息在传递过程中信号是最强的,不会出现信号被反射减弱的现象。
查阅使用手册手册得知CC2530的比较合适的输入输出阻抗为5O,根据匹配原则,当有信号需要被发送时,RF输出的差分信号转变成为单端5O的RF信号,当有信号需要被接收时,反之,单端SOS2的RF信号转变成为RF差分信号输入。
在无线网络通信中,作为无线通信设备的天线起着关键作用,因为它决定着无线通信的范围大小,因此在天线的选型中需要考虑很多因素。
增益这个因素对天线尤其重要,增益的大小决定这传送数据的远近,但与此同时辐射面的角度又与增益大小成反比,所以选择增益时要根据系统的主要功能点来进行选择。
增益有3dBi,SdBi,7dBi三种规格,该系统选择的天线为3dBi增益接头类型为SAM的天线,它的工作频率在2.38GHz-2.5GHz范围内,标称阻抗为5O,极化方式为垂直,长度为10.5cm。
3.2.3晶振电路在CC2530芯片的内部有一个32MHz系统时钟,射频模块接收和发送信息都是按照32MHz晶振时钟源的时序进行操作的,在具体的设计中,32MHz晶振电路为主晶振电路采用电容三点式振荡电路,由C17,C18两个电容值为27pf的电容组成。
辅助晶振电路为32.768kHz晶振电路,由C16,C15两个电容值为15pf的电容组成。
辅助晶振的作用将系统从睡眠模式精确的唤醒,并为睡眠模式提供外部时钟信号。
3.2.4电源模块电源模块电源模块在给各种类型的传感器供电的同时,也需要给CC2530供应电压,保证模块能够正常工作。
CC2530模块一般的工作电压为3.3V,要用一个电压转换芯片来对电压进行转换,所以本设计选取LM1117系列的低压差电压调节器芯片,其压差在1.2V时输出,从而能够提供可以手动调动的3.3V电压。
在系统进行少写程序和调整测试的时候,USB接口同样可以用来供电。
图3.5是LM1117芯片的电路原理图,它的电压范围在1.25V-13.8V,一般提供1.8V、2.5V、2.85V、3.3V、5V的电压,自身带有过热保护和电流约束的特点,齐纳调节的带隙参考电压保证电压输出的误差不超过士1%,负载调整率最大为4%,通常在电池供电装置上广泛应用。
由此可见,本芯片比较适合本系统对各种电压的需求,能够被采用。
图3.5电源模块电路原理图3.2.5复位电路模块复位电路模块复位电路通常用来将电路设置回到初始状态,从而保证系统能够稳定可靠的工作。
图3.6是复位电路的原理图,其所需电压为5V士5%,当VCC不在此电压范围内或者晶振稳定时,复位信号将撤出,微机电路开始执行新任务,复位信号输入端的引脚是Reset引脚。
本模块采用的是最为简单方便的手动按钮复位方式,按下复位键,输入端加上+5V电压,Reset端为零电平,复位结束。
图3.6复位电路原理图3.3终端节点外围模块的设计终端节点外围模块的设计3.3.1光照强度检测模块光照强度检测模块实验的光照强度检测用到的是光敏电阻传感器,该模块是由CC250模块,光敏电阻,电脑端和CC2530端的测试模块和无线收发模块组成的,如图3.7所示。
此模块主要的工作就是收集室内外和电灯的光照信息,再将收集到的数据传送到网络控制中心,用户可以通过手机端的App获取这些信息。
图3.7光照模块实物图与硬件设计框图光敏电阻主要工作原理是将光值转换成电值完成光的测量。
根据光照强度的定义光强越弱其电阻值越大。
通常,会在电阻两端加载树状的电极,从而增加电阻的灵敏度。
当感应到光照时,电阻内部产生电子,此时电路中的电流就会产生变化。
光敏电阻模块特色如下:
(1)该光敏电阻灵敏性好。
(2)搭载可调电位器便能调节光线亮度。
(3)工作电压在3.3V-5V。
(4)信号干净,波形好,驱动能力强。
(5)输出形式是数字开关量输出0和t。
3.3.2气体传感器模块气体传感器模块本实验用到的是MQ-2气体模块,该终端模块的设计部件主要由MQ-2传感器,电脑端和CC2530端的测试模块,CC2530节点模块和无线收发模块,如图3.8所示。
该模块主要作用就是为了收集环境中烟雾跟有毒气体的情况。
然后将获得的信息传输到网络中心,用户可以在手机端便捷的知晓家里是否有危险的信息。
防止用户因为家里有毒气体的泄漏而没有及时得到消息,发生了危险或者爆炸。
图3.8气体模块实物图与硬件设计框图气体模块的特点如下:
(1)具有信号输出指示。
(2)拟量输出和TTL电平输出。
(3)对液化气,天然气等识别性好。
(4)缺点是受温湿度影响。
3.3.3人体红外感应模块人体红外感应模块本次实验用到的是HC-SR501型号的人体红外传感器,终端设计模块由CC2530,无线收发,PC和CC2530端测试跟HC-SR501传感器等模块组建的,如图3.9所示。
该模块主要作用就是为了收集从人身上发出来的红外线信息。
然后将获得的警报信息传输到网络中心,用户可以在手机端知晓家里是否有人强行闯入。
图3.9人体红外感应模块实物图与硬件设计框图工作原理是探测人体辐射,而且是波长为10UM的。
人体红外感应模块特性如下:
(1)以探测人体辐射为目标的,尤其是波长为10UM左右。
(2)在它的辐射照面通常覆盖特殊的光片,避免受到环境干扰。
(3)价格低,功耗小,没有辐射危害。
(4)缺点是易受到光源和热源的干扰。
3.4智能网关设计智能网关设计本系统智能网关由ARM板和3G移动通信模块组成,ARM板负责接收ZigBee无线传感器网络,并将其数据通过3G模块传输至应用层。
系统感知层中的每个ZigBee终端节点设备负责收集传感器数据或状态信息,再通过网关将这些数据上传至服务器端。
同时,智能网关负责将应用层的控制指令下达至感知层,实现智能照明的远程控制。
ARM板的系统开发使用Google研发得而自由开源的Android系统。
Android具有很高的应用程序兼容性,尤其是在开发AndroidAPPS的无缝集成,系统提供的接口还可以使用Android开发提供的API(应用程序编程接口)来方便实现。
从而使得在ARM板上开发软硬件更加方便高效。
3G移动通信模块,它与ARM板连接,从而实现数据上传至服务器,以及接收应用层下达的控制指令。
ARM板和3G模块作为智能实验楼宇环境监测系统的网关硬件平台,该平台具有较高的稳定性与高速处理计算能力。
A
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 218修改 基于物联网智能灯光控制系统设计与实现 218 修改 基于 联网 智能 灯光 控制系统 设计 实现
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)