摘要：目前,我国大多建筑物仍沿用传统照明控制方式, 传统照明控制方式仅能实现简单的区域照明。随着物联网及智能控制技术的发展,如何在空间照明中进行科学、合理、有效的设计越来越受关注。无论何种建筑的智能化程度多高,照明控制在楼宇自控系统中的占比都十分多。方大智控推出的室内照明控制系统采用全数字、模块化、分布式的系统结构,可根据每天不同时段、某一区域的功能、室内外亮度或该区域的用途来自动实现区域照明设备的运行;能将照明设施集中统一管理与监控,通过对照明的控制及室内造型设计达到室内光效随各种空间场景视觉功能的需求变化而变化,并对采集的信息进行相应的逻辑分析、判断,对分析结果按要求的形式存储、显示、传输。相应的工作状态信息反馈控制;不仅可满足现代建筑中的照明需求,提升照明环境质量,还可有效节约能源,减少照明系统的维护成本和运营成本,有助照明系统管理的智能化、维护操作简单化,以及灵活适应未来照明布局和控制方式变更,提高照明系统的技术含量。
关键词：照明系统;智能控制;节约
绪 论
智能家居系统中的智能照明控制系统的发展现状：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。随着人们对物质生活需求的提高,物联网在智能家居的发展速度明显提高。智能照明控制系统是以智能家居系统为平台,照明设备为主要控制对象,利用综合布线技术、网络通信技术、自动控制技术将照明有关的设施进行高效集成,构建高效的住宅设施与家庭照明控制管理系统,提升家居智能、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,但由于价格高昂，产品功能的局限,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。
第一章需求分析
1.1根据对目前智能照明控制系统发展的分析
用户对智能照明控制系统的主要几个方面顾虑:
1.功能方面,实用性较差。目前大多数智能照明控制系统都是将手机作为控制终端,把各种照明设备的控制功能以app形式集成至手机中,通过红外、ZigBee、蓝牙等无线通讯模式组成家庭内部网络对照明设备进行控制。这就会出现以下的问题：手机控制虽充分利用用户已有设备,但对提高生活便捷方面作用有限,更没体现智能照明的核心优势。在使用过程中,很容易因找不到手机或网络信号不良,硬件故障等原因造成手机控制失效。
2.成本方面，价格高昂。智能家居照明系统价格较高,一般用户无足够资金对家居升级。
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调查中65.36%的人希望智能家居能采用统一标准,增强产品互换性。相较于终端设备灯光来说早已产生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。
4.安全方面。技术的不够发达，可能导致灯的失控，进而引发用电安全。
1.2智能照明控制系统发展现状
照明控制是智能家居领域中一个重要的控制方面,照明最初目的是为服务于生产生活,给人们带来便利。但随着生活水平提高,人们不再满足于单一的照明功能,照明控制开始出现。目前大部分使用的是传统照明控制。传统照明多采用开关对电进行控制,它是个强电控制系统,其设计是由使用过程中回路数目,负载功率与类型来决定的,无法对光照强度进行控制。智能照明控制系统,需顺应时下的节能环保概念,照明一直是城市电力消耗的大户,在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。更多城市采用更换节能灯具,希望能够解决这一难题,然而随着城市的大规模扩展,灯具越来越多,无法从根本上解决问题,但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按需求进行调光与控制,并实现灯具的单灯与多灯控制,进一步节约能源。而且LED属环保型产品,可保证不污染环境。经过数据对比,使用智能照明控制系统可大规模节约电力资源。
1.3智能照明系统与传统照明系统的区别
传统照明控制主要是为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,用户通过开关控制灯具的开闭。这类照明设备的功能简单,安装价格便宜,互换性好。但仍然存在一些问题,大范围使用时,布线较复杂,每组控制开关必须有自己专门的线路,同时,只能通过人为控制,无法对大量的照明设备进行有效管理,很容易因为人为操作的问题而造成电能的浪费。
智能照明控制系统则是将计算机技术,单片机技术, 自动控制技术,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,具备丰富且能不断扩展的功能。该系统的控制不仅局限于人本身,还可通过节点间信息的传递对灯光的亮度,颜色进行个性化控制。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。
1.4系统性能分析
智能照明系统在正常运行时，几乎每时每刻都在运行，须高度重视系统的稳定性和可靠性，尽可能提升系统的容错能力，同时保证系统安全和性能良好。
系统特性：1、可靠性：每个控制模块都有独立性,即不会因断电而丢失内置参数信息,不影响正常控制功能，有效提高系统容错性。2、扩展性：系统预留有标准协议接口,可在任何时候进行系统扩容,无需更改原有线路。3、安全性：系统设计有用户验证系统和日志系统,杜绝非法接入,更有严格的用户管理验证策略,保证合法登录,系统设计在满足各项功能实现的同时,安全可靠。
第二章系统总体设计
2.1智能照明系统基本功能设计
智能家居照明控制系统,在整体上遵循物联网的基本架构,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数据的采集工作。既环境数据的采集,包括室内的光强,室内温度与判断是否有物体的靠近等。
(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,在本文中主要对灯具的光强,开闭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方式最终连接到主控器,由此来实现各个单元间的通信与控制。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)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灯光控制器功能需求
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,关掉又会影响阅读或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。
针对上述问题,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。反之则关闭灯具对灯具的开闭实现自动化控制。根据室内光强,对照明灯具的光强进行调节。满足不同外界光照强度时用户对于室内光强的需要。
2.3无线通信方式选择
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：
图2-1通信方式对比图
通过表格可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,能耗较高会限制设备使用时间。从硬件设备的价格来看,蓝牙模块与WIFI是贵的,它们的网络容量可容纳的节点数目较少。综合以上来看ZigBee优势较大。其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ZigBee领域的应用远远高于wave,相对来说技术文档的积累也远远优于wave可降低项目的开发周期。通过上面可知,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。
2.4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三种类型的传感器:
(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3-2所示
图2-2人体红外传感器
(2)光敏传感器。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3-3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,并提高居室的舒适程度。
2.5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),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。
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,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。
第三章系统硬件框架设计
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网络可容纳的节点数目是充足,被控设备还可不断加以扩展。蓝牙是主要通信手段将传感器采集的数据以及灯光状态信息发送至手机端和平板段,便于我们随时对环境信息进行监控。
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：
系统硬件设计：主控中心电路设计，传感器电路设计晶度（传感器电路设计，光敏传感器电路设计，人体红外电路设计），灯光控制模块电路（主照明灯控制电路，背景灯控制电路），无线通信电路设计（ZigBee传输模块，蓝牙传输模块）
主控中心的作用在于,接收传感器节点采集的环境参数,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监控界面与手机平板的监控界面。
3.1详细设计
3.1.1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。主控设计如下所示：
1.信号处理芯片模块电路
信号处理芯片是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器及封锁时间定时器及参考电源等构成的数模混合专用集成电路。本系统是实现人在灯亮的工作方式，所以不能让灯在有人的情况下熄灭，本系统使用的触发方式则是可重复触发工作方式。
2.无线传输硬件电路
本系统通过ZigBee终端结点对信号处理芯片VO引脚输出电平高低情况的检测来判断照明情况，检测到高电平则说明照明灯是开启的，而检测到低电平则说明照明灯是关闭的，进一步处理该信息发送简单字符串到Zig Bee协调器,协调器接收到字符串后，进一步对字符串处理，将消息通过串口传输的方式发送至PC端，其电路设计如图4-1所示。本系统使用的了四个模块分别采集四处光照强度和热释电红外信号控制白炽灯开关，然后将四个模块的VO引脚循环采集后进行通过ZigBee无线传输到协调器和PC端进行显示并记录。
图3-1电路设计
3.1.2ZigBee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,Atme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C530芯片来完成组网。
图3-2ZigBee模块
3.1.3传感器电路程序设计
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,所有主控器做出决策依据很大部分来自传感器,它们担任这采集家居环境的作用。在本系统中,主要使用了温度传感器,光照强度传感器,与人体红外检测传感器这三种传感器,所有的传感器节点都连接ZigBee节点,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ZigBee的SDK节点,然后通过串口传输给主控器。
1.软件程序搭建。基于ZigBee无线传输程序设计，程序是建立在协议栈库函数的基础上进行设计的，如图4-3是程序流程图，程序执行中首先关中断，在完成端口和函数的初始化后，然后开启中断，协调器与终端相互连接完成组网。这里的流程对协调器和终端模块都适用，两者不同的地方在于设置不同的ID和处理接收到信息的模式，相同的节点模块配置不同的模式可作不同的用途，同一块节点模块既可以充当协调器，也可以充当终端，同样也可以用作路由器使用，主要关注的是工作在主循环中需要执行的事件和事件处理函数，通过判断事件的优先级来控制事件被执行的先后顺序。
图3-3程序设计图
3.2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1ed灯作为照明设备,一方面在控制方面采用自动化开闭与亮度调节。
本设计中使用的是高亮度、暖白色的LED光源,功率为10W,远远低于普通白炽灯,能够通过主控进行调光背景灯应具有能够调色的功能,目前市面上大量使用调色灯具为RGB灯,RGB灯又叫做三色灯,它的内部是由三个共阳极或者共阴极的1ed灯组成,三个led灯的颜色各异,分别为红色、绿色与蓝色。
图3-4LED光源
PC端实时监控区域开关情况。
图3-5PC端监控
第四章系统软件设计
4.1数据格式定义
在该智能照明控制系统中,数据传输的方式如图5-1所示。
图4-1数据传输的方式
4.2主控制中心软件设计
主控中心的硬件设计在前面已做了阐述,它的功能主要在于通信和控制两个方面。当主控器开始运行时,需对其系统时钟进行设置这其中就有对主控器的时钟来源和各个外设的时钟来源进行设置。除此之外还需要对1/0口,通讯模块等进行初始化设置，当主控器的完成初始化后,接着会开始对于外围电路中设备进行初始化。然后主控器的程序进入主循环程序,该程序主要包括调光平台与外部设备间数据通信和主照明灯的控制及背景灯的控制。
灯光控制是调光平台主要的控制元件,其控制包括主照明灯具的控制：灯的控制。主照明灯的控制主要包括两方面内容,即主照明灯的开关控制与主照明灯的亮度控制。其控制流程如下:(1)对人体红外传感器的数值进行采集,当人体红外传感器检测到有人进入检测范围,则打开主照明灯(2)主照明灯保持亮20秒后,继续读取人体红外传感器的数值,如果仍旧探测有人处于检测范围内则保持主照明灯亮,否则关闭主照明灯(3)在主照明灯处于打开状态下,对于光敏传感器的值进行判断,进而对于主照明灯的亮度进行控制背景灯的控制主要包括背景灯的开关控制与颜色控制。其控制流程如下(1)背景灯开关控制与主照明灯开关控制方式一致,都是根据人体红外检测是否有人进入监测区域来决定其开闭。
4.3房间自动灯模块
我们通过在房间内安装人体红外传感器，检测到人进入房间时将打开灯，人离开楼道后将灯关闭，最大限度节省电能。在模型中我们只用了一个人体红外传感器，还无法准确判断是不是人进入房间，但在实际项目中可在不同高度安装人体红外传感器通过高度准确判断是动物还是人进入房间。
4.3.1测试房间内有无人功能测试
该作品设计的是只能家居模型而非真正实物，在模型中我们只用了一个人体红外传感器，还不能准确判断是不是人进入楼道，但在实际项目中可在不同高度安装人体红外传感器通过高度准确判断是动物还是人进入楼道。下面图5-3是房间内没有检测到人体存在，图5-3是楼道内人体红外传感器检测到有人（用手测试）靠近，进入房间把灯自动打开的情况。当把手拿开，系统会自动关灯，经测试，此模型能正常工作。
图4-2 楼道内无人灯未开,有人开灯
总结与展望
本文首先阐述了智能家居领域国内外发展的现状以及智能照明控制领域的发展现状,提出了智能照明控制系统的基本架构,并对该智能家居照明控制系统的功能进行了规划与分析。同时对于目前市面上常用的几种无线通信手段进行简单的比较,最终选出 ZigBee通信与蓝牙通信作为智能照明控制的通信方式:详细介绍了主控器进行搭建的智能照明控制系统,分别对于主控中心,传感器模块, ZigBee通信模块,灯光控制模块,蓝牙模块进行了硬件设计,而软件方面的设计主要包括对于数据传输过程中数据格式定义,主控中心的软件设计,传感器模块的软件设计以及灯光控制器的软件设计。对于智能照明控制,本文进行了比较完整的论述,初步实现了系统功能规划中的基本功能,但是该系统仍存在不足之处:在智能照明控制功能的拓展与创新方面还做不够:在人机交互方面做的不够好,界面的设计也不够美观,本文只是针对基本功能做了设计,真正付诸于应用还需要较大扩展与改善:这个系统在部分功能的实现方面基本达到要求,但在实际投入到应用中,对于照明系统的标准化问题还缺乏研究,在硬件设计过程中,对于运行的稳定性,外界干扰等方面考虑较少。
谢词
在不知不觉中，自己已从一个懵懂的少年成长为了一名大学毕业生。我要感谢我的父母，是他们给了我生命，给了我学习的动力和物质保证，让我从小学一直到大学都能无忧无虑的学习和生活，并顺利完成学业。在我成长的过程中，也有许多人为了我而默默地付出，在一旁默默地给予我支持，在此我深表谢意。
此论文是在导师的悉心指导下完成，不论资料的参考、总体方案设计、论文初稿的撰写直至最终的修改，导师都为此倾注了大量的心血，都给予了极大的帮助。在论文设计中，导师渊博的知识，严谨的作风，高度的责任感深深感染了我。在此，谨向老师致以崇高的敬意和感谢！
在论文中，同专业的同学也给予了我很多的帮助，身边的朋友也给了我极大地支持。我要感谢所有给予我帮助的同学，朋友们！
毕业论文结束，也意味着大学时代即将结束，在此次毕业论文中，我参考了大量的国内外文献，但由于时间仓促，没有在参考文献中一一列出，在这里我一并致谢文献作者。
大学学习，让我更加成熟，懂得了是否曲直，明白了世事艰辛，也让我有着良好的条件和环境学习专业基础知识，提高自己为人处世的能力。使自己成为一名有素养有知识有技术的大学毕业生。大学也让我初步接触了社会，令自己明白了一些为人处世的道理。不管将来怎么样，我都会记得大学那美好的回忆，那些人、那些事，我也一定会努力学习和工作，踏踏实实走好人生的每一步，不让人生留下遗憾！
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