基于物联网的智能照明控制系统设计资料下载.pdf
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1.21.2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。
311.3.3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1.41.4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62.12.1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。
2.22.2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，用户对于室内光强的需要；
根据室内的温度和人体的心率对于背景灯的颜色进行调节，起到对于人体的生理情绪进行调节的功能。
2.32.3无线通信方式无线通信方式选择选择对于家庭内部的网络来说，对传输速度要求并不是太高，环境参数不可能剧烈变化，所以采样周期并不是很高，也就是对实时性要求不高，因而数据量不大。
根据之前对于系统结构功能的描述，数据传输的节点较多，就需要较大的网络节点容量。
同时，硬件的成本，能耗，传输稳定性等方面也是需要考虑的内容。
我们可以将几种通信手段进行对比：
8图2-1通信方式对比图通过表格，可以看到红外通信技术无法建立多节点的网络。
从能耗角度看，蓝牙与Wifi能耗较高，作为无线节点而言，由于电池容量的限制，能耗较高将会限制设备的使用时间。
从硬件设备的价格来看，蓝牙模块与Wifi无疑是贵的，它们的网络容量可容纳的节点数目较少。
从产品的开发周期方面考虑，Z-Wave在国内使用的并不多，相关技术资料较少，这就加大了产品的开发难度，拉长了开发的周期。
而ZigBee从以上几个方面来看都有有较大的优势。
它的硬件成本是最便宜的，能耗也很低，网络可容纳节点非常多，足以组建十分复杂的网络。
从使用者的角度来看，我国目前在ZigBee领域的应用远远高于Z-wave，相对来说技术文档的积累也远远优于Z-Wave，这样可以大大降低项目的开发周期。
通过上面文字的论述，我们可以认为在家居内部网络的构建中，ZigBee通信优于其他几种通信方式。
22.4.4传感器选择传感器选择智能照明控制系统的主要功能是对主照明灯具与背景灯具进行控制。
其控制的依据来自于感知层的传感器模块对于环境的监控数据以及人体生理信息的监控数据。
根据上文对于灯光控制器功能的设计。
该智能照明控制系统的传感器模块应包以下四种类型的传感器：
（1）人体红外传感器。
人体红外传感器的功能在于检测是否有人进入其检测的范围。
并向主控器发送开关量。
借此来对于灯具的开闭起到控制作用。
该传感器的使用，使我们能够对于灯具的开关进行自动化控制。
如图2-2所示。
9图2-2人体红外传感器
（2）光敏传感器。
光敏传感器能够对于环境的光照强度进行监控，主控器能够根据这些数据对于主照明灯具的光照强度进行调节。
如图2-3所示。
图2-3光敏传感器（3）温度传感器。
温度传感器的核心器件是热敏电阻，能够检测环境的温度。
主控器能够根据环境的温度对于背景灯的颜色进行调节。
以达到对于人体的胜利情绪进行调节的目的，并提高居室的舒适程度。
如图2-4所示。
图2-4温度传感器（4）人体心率传感器。
人体心率传感器能够检测人体的心率，而心率是人体情绪良好的表征，通过对心率情况的分析，能够对于人体的状态进行一定的识别，主控器借此对于背景灯光的颜色进行控制，从而达到对于人体的生理情绪进行调节的目的。
如图2-5所示。
10图2-5指夹式人体心率传感器2.52.5智能家居照明控制系统的总体架构智能家居照明控制系统的总体架构一个较为完整的智能家居照明控制系统主要是由家居内部网络，主控制中心，传感器节点（其中包括固定式传感器节点以及可穿戴设备中的传感器节点），灯光控制器，PC端监控界面，手机监控界面这五个大的部分组成的。
基于前面的分析，可以得出结论，以ZigBee来构建家居内部网络，进行数据的传输与控制，通过蓝牙向手机平板等设备终端发送数据。
图2-6智能照明系统的结构从图2-6中，可以看到灯光控制主要包含有主照明灯具的控制，背景灯的控制。
灯具的控制都是由主控器直接进行控制的。
传感器模块中包含有温度传感器，光照强度传感器，人体红外传感器，人体心率传感器，这些传感器采集的数值会直接发送到主控器，由主控器进行处理。
环境监控以及人体的生理参数都将由ZigBee或蓝牙模块传输到PC端或手机以及平板，供用户进行监控。
11第第三三章章智能照明控制系统硬件设计智能照明控制系统硬件设计3.13.1系统硬件框架设计系统硬件框架设计硬件是整个智能照明系统的基础，也是整个系统设计的核心部分。
主控部分电路通过串口通信与ZigBee模块以及蓝牙网络相连接。
ZigBee网络作为构建家居内部网络的重要媒介，主要实现的是对传感器数据以及灯具亮度信息进行传输。
在智能家居照明控制系统内，被控设备主要为灯光控制器，其中包括主照明灯具控制以及背景灯控制。
当然随着系统的不断完善，加之ZigBee网络可以容纳的节点数目是相当充足的，被控设备还可以不断的加以扩展。
蓝牙作为主要通信手段将传感器采集的数据以及灯光的状态信息发送到手机端和平板段，便于我们随时对于环境信息进行监控。
该智能照明控制系统的硬件设计主要包括以下几方面内容，如图3-1所示。
图3-1系统硬件设计架构图主控中心的作用在于，接收传感器节点采集的环境参数与人体参数，处理后对灯光进行控制，并将环境采集信息通过ZigBee以及蓝牙模块发送到PC端监控界面与手机平板的监控界面。
123.23.2详细设计详细设计3.2.13.2.1主控电路设计主控电路设计主控模块是整个智能照明控制系统的最重要组成成分，本系统采用的核心处理器为Atmel公司生产ATmega328。
该款单片机拥有一下特点：
（1）处理器的功耗很低：
ATmega328具有多时钟的配置系统，这样可以保证控制系统能够工作在最低时钟频率的状态下，节省了功耗，同时由于生产工艺方面的改善，ATmega328芯片的静态电流已经被控制的很小，从而减小了处理器处于静默状态下的功耗，在工作状态时，它的一般功耗能够小于270A/MHz,该芯片在超低功耗的工作模式下时，最低电流只有0.3A。
（2）处理能力强：
ATmega328采用了8位的精简指令集，它拥有多种寻址方式和非常简洁的内核指令。
以及大量的模拟指令，充足的寄存器和片内的数据储存器均可参与到运算中去，并且它还具有非常高效的查表处理指令，这些优势保证了开发人员设计出效率很高的源程序。
（3）片上资源丰富：
ATmega328中集成了丰富的外设,出色的中断系统也使得ATmega328使用起来更为方便。
（4）方便的开发环境，具有JTAG调试接口，只需要通过该接口与电脑相连，就可以对该控制器进行下载与调试功能，编程语言可以是C语言,常用的编程环境为arduinoIDE，其中集成了一些常用的开发包，大大缩短了项目的开发周期。
3.2.2ZigBee3.2.2ZigBee通信模块电路设计通信模块电路设计ZigBee作为一种新型的，专注于低能耗，低成本，低传输速率，低复杂度的无线通信技术，它的应用前景十分广阔，因此目前很多大型的半导体公司都推出了了支持该协议的无线收发器，其中包括TI公司的CC2430,CC2530，Atmel公司开发的AT86RF210和RF230等等处理器芯片。
这些芯片都包含有ZigBee通信协议中的物理层与截至访问控制层的功能，仅需要添加少量的外设便可以进行无线通信，本系统中我们使用TI生产的CC2530芯片来完成组网。
该款芯片，采用的是8051的内核，为德州仪器推出的新款ZigBee通信组网芯片，不同型的2530芯片的内部FLASH的容量大小是不一样的，本系统使用其13中F256型芯片进行相关电路的设计。
它的内部功能图如图3-2所示：
图3-2CC2530内部结构图该芯片在内部已经对于一些必要模块进行了集成故只需要很少的外设就可以正常工作了。
CC2530包含有内部时钟系统，故可以替代一个外部时钟源，以节约两个外部管脚，为了使该芯片中的射频功能能够得到正常的工作，我们必须使用到32MHz的高频外接晶振。
3.2.33.2.3传感器电路设计传感器电路设计作为物联网中感知层的重要组成部分，传感器是整个智能家居照明控制系统最重要的部分，所有主控器作出决策的依据很大一部分来自于传感器，它们担任这采集家居环境与人体生理参数的作用。
在本系统中，主要使用了温度传感器，光照强度传感器，心率传感器与人体红外检测传感器这四种传感器，所有的传感器节点都连接在ZigBee节点上，由其芯片CC2530对传感器数据进行采集，然后通过ZigBee网络发送到ZigBeeD的SINK节点，然后通过串口传输给主控器。
（1）温度传感器在该传感器节点的设计中，我们使用DS18B20来测量周围环境的温度。
DS18B20温度传感器是一款常用的温度传感器，它具有体积较小，硬件成本低廉，精度高的特点，该传感器的测量范围为零下55摄氏度到125摄氏度，完全可以14满足一般情况下大气温度的测量。
该款传感器为单总线式数字传感器，可以直接读取当前温度的准确值，且为单总线式，使用时只需直接与微控制器相连就可以实现数据的输入。
DS18B20的温度转换时间仅需94ms，可以快速高精度的完成温度测量任务，在本系统设计过程中，我们采用0.5摄氏度的分辨率对温度进行测量。
它的电路图如图3-3所示。
图3-3DS18250电路图
（2）光敏传感器光照强度测量在智能家居照明控制系统中是比较重要的一个参数，在工作学习娱乐过程中，对光照强度要求是不尽相同的，想要对家居照明条件进行调节，我们就必须先要测量出当前屋内的光照强度，然后将这些传递给主控器，由主控器向灯光控制器发送信号来对当前的光照强度进行调节。
在具体应用中，我们使用光敏电阻CDS来测量光照的强度。
但与温度传感器不同的地方在于，光敏传感器中，电阻值与光照强度之间并没有十分严格的线性关系，这就为较精确地对光照强度进行测量造成了难度。
该传感器的电路图如图3-4所示。
图3-4光敏传感器电路图（3）心率传感器心率传感器的工作原理是，在传感器模块中内置有可以穿透进入人体皮肤下层毛细血管的光线发射器，当心脏通过收缩把富含氧的血液压入人体的动15脉，最后进入毛细血管，血液的颜色会发生周期性的变化，不同颜色对于光线的反射是不同的，传感器内置有反射管线的接收器就能够检测出这一周期性变化，从而就可以测算出心脏的收缩频率，也就可以测出心率了。
由此可见，心率传感器的主要硬件部件为光学传感器用以检测反射光和一款光线发射器。
接下来，我们开始进行心率传感器的电路设计。
APDS是一个拥有chipLED灯的光感传感器，它可以用来完成反射光线的采集工作，它的价格低廉反应速率接近人眼，能够出色的完成手机，平板等设备对于光线感应的采集，它的体积非常小，长宽大约为1.61.5（mm），而厚度仅为0.6个毫米厚。
图3-5是APDS的接口电路。
由于经由心率传感器采集的信号存在很多的干扰，受到温度等的影响较大，所以在信号直接通过数模转换发送给微处理器，很难完成数据的采集工作。
该电路中，在满足传感器工作的条件的同时，对其采集的信号进行了多级滤波，信号放大等信号调理手段，保证了信号采集的顺利完成。
图3-5APDS接口电路（4）红外传感器人体所产生的红外线的波长是在9微米到10微米之间的，这与人体的体温有关，不同动物的体温也是有一定差别的。
在人体红外传感器中，存在有热释电红外传感器，它的功能是将波长在8微米到12微米之间的红外线信号转变为电信号。
在没有人靠近人体红外传感器监控区域的时候，该传感器只能检测到环境中产生的辐射，传感器没有信号传出，当有人体进入探测区域的时候，人体产生的红外通过镜面聚焦，被热释单元吸收后，由于两边热施单元接受的热量不同，产生的释电效应也就不同，就无法发生抵消，所以这个时候，红外传感器就能够对外输出信号了。
红外传感器电路如图3-6所示：
16图3-6人体红外传感器3.33.3灯光控制器设计灯光控制器设计灯光控制器是智能照明控制系统中的主要执行设备，根据本系统设计中的功能规划，灯光控制主要包括两方面的控制，主照明灯光的开关与明暗控制，背景灯的颜色控制。
主照明灯的目的是为了对居室的内部进行照明。
为了起到节能的效果，一方面使用节能led灯作为照明设备，一方面在控制方面采用自动化开闭
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