【智能家居照明系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)13000字（論文）】

目錄--PAGEIII-智能家居照明系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)隨著科學技術(shù)日益進步的時代，單片機的應(yīng)用也越來越廣泛，很大程度上方便了人們的生活。本文首先對智能家居照明的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，第本文接下來的研究方向和研究目標進行確定，其次對本次設(shè)計的照明系統(tǒng)所用到的相關(guān)的技術(shù)以及知識點進行闡釋，根據(jù)大眾的需求進行分析做出總體的設(shè)計以及相關(guān)的結(jié)構(gòu)架構(gòu)，然后進行模塊的介紹外圍的硬件的組裝以及電路的連接，最后通過實物的驗證，合實際的成品的是使用判斷設(shè)計是否成功。關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)，智能家居，照明控制目錄TOC\o"1-3"\h\u3518摘要 325602Abstract 49084第1章緒論 7265461.1課題背景及研究的目的和意義 7304151.2智能家居照明控制系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展狀況 8192401.2.1國外發(fā)展狀況 8190101.2.2國內(nèi)發(fā)展狀況 853661.3課題的研究目標、研究內(nèi)容 9264981.4本文的主要工作與章節(jié)安排 930680第2章智能物聯(lián)照明系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)介紹 1138642.1聲控傳感器 1140992.2傳感器技術(shù) 1168922.2.1光敏傳感器 11276832.2.2紅外傳感器 1145672.2.3溫度傳感器 12182072.2.5微波感應(yīng)傳感器 1273762.2.6超聲波傳感器 12166592.3網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)通信技術(shù) 1347282.3.1Wifi 1364452.3.2Bluetooth4.2 13133302.3.3ZigBee 13141512.3.4Z-wave 1420265第3章基于物聯(lián)網(wǎng)的智能照明系統(tǒng)總體設(shè)計 1529313.1設(shè)計原則及需求分析 15208473.1.1設(shè)計原則 15150693.1.2系統(tǒng)需求分析 1522083.2總體設(shè)計 1632333.2.1智能家居照明網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) 16221243.2.2智能家居照明系統(tǒng)的整體架構(gòu) 1724213第4章基于物聯(lián)網(wǎng)的智能照明系統(tǒng)硬件實現(xiàn) 1883684.1核心智能模塊介紹 18268954.1.1NodeMCU 18185724.1.2Esp8266模塊 1946584.2外圍硬件 2118184.3電路連接 2221575第5章實物驗證 24176065.1代碼展示 2461805.2實驗過程及結(jié)果 2926789第6章總結(jié)與展望 361761參考文獻 37第1章緒論第1章緒論1.1課題背景及研究的目的和意義現(xiàn)在的社會一切都在向智能化發(fā)展，燈具也是如此。燈具是由多個部分組成的，但最簡單最容易智能化的部分就是開關(guān)。傳統(tǒng)開關(guān)是直接通過控制電源的通斷，來控制燈具的。傳統(tǒng)開關(guān)也有很多不足，比如晚上伸手不見五指的時候很難準確的找到開關(guān)的位置，在開關(guān)的接口處也容易發(fā)生事故。傳統(tǒng)的開關(guān)是純手動的，價格便宜，操作簡單，但容易出火花，容易出段;要經(jīng)常修理，在黑暗中工作不方便，沒有燈光，也看不清開關(guān)。此外，房子越大，想控制所有的燈就越不方便，需要走的距離也就越長，這與我們的期望是嚴重不相符的。與智能燈具相比，傳統(tǒng)燈具有很多不足：1、操作空間受限。開關(guān)位置是一成不變的，一般都是在墻上，紅外遙控器之類的開關(guān)也只能在燈具所在的屋子里操作，因為紅外信號不能穿墻，所以只要燈具上的接收器被擋住就很難進行操控，2、按鍵數(shù)量受限。就像紅外遙控器一樣，一共只有幾個按鍵，功能也不全面，并且其功能延伸難以實現(xiàn)。智能移動燈具終端在便捷性上較以往的燈具來說有很大的優(yōu)勢。人們可以實現(xiàn)對燈具不限空間限制的控制，同時其攜帶十分方便，比如用戶在外時可以通過智能手機網(wǎng)絡(luò)連接到家庭網(wǎng)關(guān)，從而實現(xiàn)對燈具中每個系統(tǒng)的控制。盡管目前傳統(tǒng)的智能燈具仍然存在一定優(yōu)勢，但是以智能手機為載體的智能移動互聯(lián)網(wǎng)終端在目前人工智能時代的背景下逐漸成熟并且不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的燈具系統(tǒng)將成為歷史，新的燈具系統(tǒng)將取而代之，并且會提高智能燈具的地位，應(yīng)用水平也會水漲船高。而智能開關(guān)則是半導體控制接力，實現(xiàn)照明工具和其他電器的目標。無線智能開關(guān)與傳統(tǒng)的開關(guān)有很大的差異，即可以移動，不設(shè)電線。并且有強大的功能，例如對于行動不便的人需要在晚上起身摸黑行動時，當人們在客廳或者臥室卻希望直接打開洗手間或者廚房的燈，或者人們在外面卻需要對家里的等進行控制或者管理，這種能將種種的不便利轉(zhuǎn)換成簡單便捷的操作，只需要使用一種新型的智能燈具。例如當人們晚上休息時再也不需要在黑暗中摸索著起身開燈，人們只需要使用這種新型智能燈具的控制器，便能快速便捷地將其他房間的燈打開，其還具有定時開關(guān)等等其他功能。此新型智能燈具不僅可以通過手機客戶端應(yīng)用進行操作，還可以使用具有紅外的遙控器控制，對于一些黑暗中行動不便的人們有著極大的幫助。智能開關(guān)通過用app和人工智能控制，打破了時空限制，幫助家庭通過集中或遠程遙控，輕松實現(xiàn)對家庭照明設(shè)備的控制，成為無線智能燈具發(fā)展的核心。1.2智能家居照明控制系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展狀況1.2.1國外發(fā)展狀況智能照明的許多專利可以追溯到1906年，美國堪薩斯城的EdmondSohlberg擁有。燈籠使用的是碳弧燈泡，不是由電動機或任何形式的電子設(shè)備操作的，而是由手動操作以控制搖攝，傾斜和縮放的電線操作的。[1]1925年，赫伯特·F·金首次使用電動馬達來移動固定裝置及其橫梁位置。在1936年被授予了類似的裝置，通過該裝置，操縱搖桿和俯仰是通過操縱桿而不是開關(guān)來控制的。從那時起直到1969年，[2]其他各種發(fā)明人做出了類似的發(fā)明，并在技術(shù)上進行了改進，但并沒有重大突破。在此期間，CenturyLighting開始零售這些特別定做的單元，將其改裝到其現(xiàn)有的最高750W燈籠上，以控制搖攝和傾斜。喬治·伊澤諾爾在1969年取得了下一個突破，它是有史以來第一款在橢圓形末端使用鏡子以遠距離重定向光束的裝置。1969年，得克薩斯州卡薩馬納納地區(qū)劇院的儒勒·[3]費舍爾發(fā)明并使用了12個PAR64燈籠，該燈籠裝有120W，12V燈，360度水平旋轉(zhuǎn)和270度傾斜，這一標準一直持續(xù)到1990年代。該燈也被稱為“Mac-Spot”。[4]1978年，位于德克薩斯州達拉斯的一家名為Showco的照明和聲音公司開始開發(fā)一種照明裝置，該裝置通過旋轉(zhuǎn)二向色濾鏡來改變顏色。在開發(fā)過程中，設(shè)計人員添加了電動機以使平移和傾斜運動變得自動化。1986年，Vari-Lite推出了一系列新的照明設(shè)備和控制臺。他們將新系統(tǒng)稱為200系列，其新燈分別命名為“VL-2點光源”和“VL-3洗光源”。200系列系統(tǒng)由Artisan控制臺控制。1980年代向Genesis展示的原型夾具在1990年代中期被重新指定為“VL-zero”，以保持命名的一致性。1985年，SummaTechnologies生產(chǎn)了第一個使用DMX協(xié)議的移動頭。[5]1987年，ClayPaky使用步進電機代替伺服器，并使用了HMI575燈，該燈明亮且光束亮度均勻得多。在1990年代，丹麥生產(chǎn)霧化機的公司馬丁生產(chǎn)了一系列全新的搖頭，稱為馬丁MAC系列。該系列今天仍然很受歡迎，其新燈具，例如MACIII和MACViper，是最高質(zhì)量的移動燈之一。智能照明的最新發(fā)展是數(shù)字照明，其照明設(shè)備包括HighEndSystems的DL3。這些固定裝置由安裝在活動軛架上的明亮LCD或DLP投影儀組成，非常類似于普通的活動頭。這些固定裝置還包含一個集成的媒體服務(wù)器，該服務(wù)器可以進行數(shù)百萬種顏色選擇，無休止的圖案圖像庫以及圖像和視頻的投影。[6]1.2.2國內(nèi)發(fā)展狀況隨著我國的金融實力的逐漸強大，國內(nèi)的智能家居也逐步發(fā)展了起來，雖然相比與國外的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)還有這比較大的差距，但是一切都在朝著好的方向發(fā)展。智能家居行業(yè)的愈發(fā)壯大，同樣的照明控制系統(tǒng)也開始在網(wǎng)絡(luò)化、信息化和智能化方面取得了重大進展。由于大數(shù)據(jù)技術(shù)的出現(xiàn)，人們在信息通信和數(shù)據(jù)分析方面再一次取得了飛躍式的發(fā)展，也引領(lǐng)著智慧照明產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展，更智能的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，能夠深度分析數(shù)據(jù)，實現(xiàn)照明的自主決策。在智慧照明系統(tǒng)的通信組網(wǎng)方面，實現(xiàn)了從有到無的變化即有線變無線，到目前的多種通信方式結(jié)合的異架構(gòu)組網(wǎng)模式。目前大多數(shù)通信技術(shù)都受制于有效通信距離的限制，在大型區(qū)域照明場所的通信設(shè)備需要配備較多的中繼器，因此使得照明系統(tǒng)的層級和結(jié)構(gòu)變得復雜，系統(tǒng)維護成本較高。NB_IoT技術(shù)就可以解決這類問題，使照明控制系統(tǒng)能夠遠距離的接入物聯(lián)網(wǎng)。國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施日趨完美，智能家居聯(lián)盟也如雨后春筍一般滾滾而來，阿里、小米、京東和華為等公司都來橫插一腳。智能照明產(chǎn)品將融入智能家居系統(tǒng)，作為智慧生活的一部分，實現(xiàn)共同發(fā)展。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入智慧照明系統(tǒng)中，使其擺脫傳統(tǒng)的獨立運行模式。并能提供一個能對照明數(shù)據(jù)進行存儲、分析、處理的軟件應(yīng)用平臺，從而提升系統(tǒng)管控的效率。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于照明控制等工業(yè)控制領(lǐng)域時，數(shù)據(jù)存儲的安全就無法保證，因此需要相關(guān)的技術(shù)來保障物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的數(shù)據(jù)安全。[7]近幾年，區(qū)塊鏈技術(shù)開始逐步應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，以保障數(shù)據(jù)的安全，這將引發(fā)照明領(lǐng)域一場全新的變革。隨著智慧生活的來臨，智慧照明讓“光適應(yīng)人”是大勢所趨。未來智能照明將具備更加智慧的控制方式，成為人們智慧生活中不可或缺的部分，點亮人們的智慧生活。1.3課題的研究目標、研究內(nèi)容本文首先對幾種無線通信技術(shù)進行比較，WiFi技術(shù)組建家庭無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方式被我們成功選中。在通過問卷調(diào)查的方式得到了用戶需求之后對需求進行了細致的分析。要針對每一種需求分別設(shè)計，用不同的方式來努力滿足用戶的需求，完成研究的目標。研究內(nèi)容主要為，如何用WIFI技術(shù)將指令傳遞給硬件，以及寫出最合適的程序來控制燈帶的顏色以及亮度，最大程度的減少響應(yīng)時間，優(yōu)化最終結(jié)果。1.4本文的主要工作與章節(jié)安排第一章，緒論。本章首先介紹了這次課題的研究背景和想要達到的目標，其次介紹了國內(nèi)外各自的發(fā)展狀況，最后簡述了全文的結(jié)構(gòu)以及安排。第二章，智能物聯(lián)照明系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)介紹。詳細介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)的指揮照明控制系統(tǒng)中的各種技術(shù)：網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)，并選擇了本次研究所需要的技術(shù)。第三章，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能照明系統(tǒng)總體設(shè)計。本章分析了智能照明的各個部分，進行了照明系統(tǒng)的總體設(shè)計，其中考慮到了設(shè)計原則以及功能需求，也比較了現(xiàn)有的無線傳輸方式，最終決定用WIFI技術(shù)來搭建無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。第四章，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能照明系統(tǒng)硬件實現(xiàn)。本章重點介紹了物聯(lián)網(wǎng)智慧照明系統(tǒng)中所用的硬件，以及選用這些硬件的原因。第五章，實物驗證。本章重點介紹了照明系統(tǒng)的測試方法與流程，以及系統(tǒng)的組成，并對測試結(jié)果進行分析和總結(jié)。第六章，總結(jié)與展望。本章重點對本次論文進行了總結(jié)，對其中做的比較好的地方以及創(chuàng)新點加以了說明，也寫出了一些缺點。最后對這項技術(shù)的美好未來進行了展望。第2章智能物聯(lián)照明系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)介紹第2章智能物聯(lián)照明系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)介紹2.1聲控傳感器聲控傳感器由五大部分組成，它們的功能分別是：負責聲音控制的傳感器部分、負責音頻放大的放大器部分、負責延時開啟的延時電路部分、負責選擇頻道電路的選擇器部分及負責控制電路的控制器部分。語音控制傳感器可以根據(jù)接收到的聲音來決定是否啟動，還能根據(jù)語音輸入來進行初步的設(shè)定，持續(xù)比較外部語音強度和原放大的音量，當語音控制傳感器超過原放大的音量時，傳感器就會將這種對比上傳控制中心，控制中心就回做出相應(yīng)的舉措，這種傳感器被廣泛的應(yīng)用于公共照明的場合。[8]2.2傳感器技術(shù)2.2.1光敏傳感器光敏傳感器被廣泛應(yīng)用于生活的各個角落，當感知到外界亮度的不同時，它會自動控制開關(guān)的通斷。當天氣、時間發(fā)生變化時，光傳感器可以自動控制LED照明、照明設(shè)備的開關(guān)。明亮的白天減少輸出電力消費減少,比熒光燈,使用時面積200㎡的方便的一點是,至少53%的電力減少牛某,壽命比普通燈泡長了1~6萬小時。普通的LED燈只能工作大約4萬h，并且可以變成任意你喜歡的顏色，使照明變得更加鮮明，并使分衛(wèi)器更加活躍。[9]2.2.2紅外傳感器紅外線傳感器是對人體發(fā)射的紅外線進行探測的工作。主要的原理是，人體發(fā)射的10微米左右的紅外線通過“菲涅爾過濾鏡”得到證明后，在熱石前元件PIR(被銅紅外線)探測器中集結(jié)。人在活動時，會影響紅外線的發(fā)射位置，破壞零件的電荷平衡，產(chǎn)生熱釋前的效果。紅外線傳感器將通過菲涅爾過濾鏡將輻射能量的變化轉(zhuǎn)換為電弧，即熱電。無源探測器在探測區(qū)內(nèi)對人體的移動時，傳感器所接收到的是環(huán)境溫度，在探測人時，得到人體溫度和背景的溫度差異。并將系統(tǒng)中已經(jīng)存在的探測數(shù)據(jù)和比較的人可有等紅外源的判斷。進入探測區(qū)。[10]紅外傳感器有兩種類型：主動和被動。有源紅外傳感器既發(fā)出并檢測紅外輻射。有源紅外傳感器分為兩部分：發(fā)光二極管（LED）和接收器。一旦有物體接近，傳感器的紅外線就會被反射，傳感器也會接收到這種改變并反饋給控制中心。主動式紅外傳感器充當接近傳感器，它們通常用于障礙物檢測系統(tǒng)中。[12]PIR傳感器最常用于基于運動的檢測，例如家庭安全系統(tǒng)。當產(chǎn)生紅外輻射的移動物體進入檢測器的感應(yīng)范圍時，將測量兩個熱電元件之間的IR電平差。然后，傳感器將電子信號發(fā)送到嵌入式計算機，嵌入式計算機進而觸發(fā)警報。2.2.3溫度傳感器溫度傳感器NTC在LED燈具和溫度防護前被廣泛應(yīng)用。LED照明裝置如果使用高性能LED光源，必須使用盈利的鋁制散熱器。由于室內(nèi)照明用LED照明器具本身的空間太小，散熱的問題是目前最大的技術(shù)瓶頸之一。[13]LED照明設(shè)備散發(fā)熱量時如果不能密鑰，LED光源會因受熱而誘發(fā)早期的光源。LED燈具開著的話，熱的空氣會自動上升，附在光頭上，對電源的壽命產(chǎn)生影響。因此，在設(shè)計LED照明工具時，如果鋁制散熱器與LED光源較近，可以將其貼在一個NTC上，隨時收集照明儀器的溫度。當燈罩鋁制散熱器溫度升高時，利用這個機會，將港內(nèi)輸出電流自動白天升起，并使燈具降溫。當照明杯鋁散熱器溫度上升到一種用途時，LED電源會自動變低，使照明工具過分溫暖，實現(xiàn)保護。低溫后，自動點燈出門。[14]2.2.4微波感應(yīng)傳感器微波感知器主要是用多普勒效應(yīng)原理的感知器。它無需觸碰就能感知物體位置移動時的位置，并相應(yīng)地進行開關(guān)操作。一但感知有人，且達到燈光數(shù)要求，傳感器開關(guān)就會自動打開，然后帶動動負載工作，開啟計時系統(tǒng)。一旦傳感器發(fā)現(xiàn)自己感應(yīng)不到人了，計時器就開始工作了，當計時器計時到一定時間時，傳感器就會自己關(guān)閉，負載電不啟動。真正做到安全，方便，智能，節(jié)能。[15]2.2.5超聲波傳感器超聲波傳感器是一種電子設(shè)備，其通過發(fā)射超聲波來測量目標物體的距離，將反射回來的超聲波轉(zhuǎn)化成電磁波，再通過解析電磁波的不同來得到最終的數(shù)據(jù)。超聲波傳感器有兩個主要組成部分：發(fā)射器（使用壓電晶體發(fā)出聲音）和接收器（在到達目標和從目標傳播之后遇到聲音）。[16]超聲波傳感器主要用作接近傳感器。它們可以在汽車自動停車技術(shù)和防撞安全系統(tǒng)中找到。超聲波傳感器還用于機器人障礙物檢測系統(tǒng)以及制造技術(shù)中。與接近感測應(yīng)用中的紅外（IR）傳感器相比，超聲傳感器不易受到煙霧，氣體和其他空氣傳播顆粒的干擾（盡管物理組件仍受諸如熱等變量的影響）。[17]2.3網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)通信技術(shù)2.3.1WifiWi-Fi技術(shù)現(xiàn)在被應(yīng)用于世界的各個地方，無論人們走到哪里，第一件事就是問有沒有wifi。電腦、手機和其他的設(shè)備都能連接到無線網(wǎng)絡(luò)。多個接入點被叫做熱點，可以在大范圍內(nèi)連接網(wǎng)絡(luò)，范圍的大小取決于熱點的強弱，信號強范圍就大，信號弱范圍就小。Wi-Fi現(xiàn)在已經(jīng)不局限于私人場合，在公共場所，比如地鐵站、機場都覆蓋了無線Wi-Fi，而且無線網(wǎng)絡(luò)也可以用作商業(yè)用途，比如付費連接。雖然Wi-Fi很強，但是范圍也是有限制的。一個經(jīng)典的無線路由器和天線可以覆蓋100平方米，而使用802.11n則可以范圍翻倍，調(diào)整頻率的高低就可以調(diào)節(jié)范圍的大小。Wi-Fi在低頻段所受的外界影響比高頻段要少一些。但是對于家庭控制系統(tǒng)來說是完全足夠的，而且傳輸數(shù)據(jù)也更方便快捷。連接一次之后用電器就會自動記憶WiFi，當掃描到熟悉的WiFi時就會自動連接。如果家里比較大那就可以選用蘋果公司的AirPort，這種技術(shù)更加優(yōu)秀，范圍更大能覆蓋100-140平方米。[11]2.3.2Bluetooth4.2藍牙是一種無線通訊技術(shù)，通常情況下被用于短距離數(shù)據(jù)交換，形成一個局域網(wǎng)，來連接固定與移動設(shè)備。1994年，一個電信商研發(fā)出了這項技術(shù)，最早是用于替代數(shù)據(jù)線的。通過不斷地研究，確定了這項技術(shù)的頻率是2.4至2.485GHz，電波也是高頻無線電波。能夠鏈接多個設(shè)備，完成同步。藍牙在生活中應(yīng)用非常廣泛，比如現(xiàn)在非?；鸬乃{牙耳機，再比如電腦外設(shè)：鼠標鍵盤打印機都有藍牙傳輸?shù)?，在汽車上也能用到藍牙，可以直接接電話或者聽歌。藍牙分為多種技術(shù)類型，第一種是基礎(chǔ)率類型，第二種是低耗能類型。其中基礎(chǔ)率類型針對的是一對一設(shè)備通信；低耗能類型則適用于多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。藍牙也有一定的弊端就是容易受到干擾，當同一區(qū)域有多個局域網(wǎng)同時工作就會產(chǎn)生互相干擾的問題。但是這類問題也是有解決方法的，只需要重新發(fā)送數(shù)據(jù)包即可。[18]2.3.3ZigBeeZigbee是唯一完整的loT解決方案-從網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)到允許智能對象協(xié)同工作的通用語言。Zigbee為用戶和開發(fā)人員增加了選擇和靈活性，并通過對堆棧的所有層進行標準化和測試來提供產(chǎn)品和服務(wù)可以協(xié)同工作的信心。經(jīng)過Zigbee認證的產(chǎn)品可以使用相同的IoT語言相互連接和通信，并且已經(jīng)在智能家居和建筑物中部署了數(shù)百萬個Zigbee產(chǎn)品。Zigbee的構(gòu)建考慮了向后和向前的兼容性。[19]Zigbee是物聯(lián)網(wǎng)中使用最廣泛的智能家居技術(shù)之一。它在全球擁有超過10億個Zigbee芯片，已進入許多最大的智能家居生態(tài)系統(tǒng)。ZigBee協(xié)議層分為好幾層，有物理層、媒體訪問層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等。網(wǎng)絡(luò)層（NWK）：先控制加入與離開網(wǎng)絡(luò)；然后處理數(shù)據(jù)包；再傳送數(shù)據(jù)包；之后找尋路線；接著搜索鄰節(jié)點；最后存儲信息。應(yīng)用層（APL）：應(yīng)用層包含了子層、框架、設(shè)備管控與應(yīng)用程序。2.3.4Z-waveZ-Wave是主要用于家庭自動化的無線通信協(xié)議。它是使用低能耗無線電波在設(shè)備之間進行通信的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，允許對家用電器和門、窗、車庫、監(jiān)控進行無線控制。Z-Wave系統(tǒng)和其他協(xié)議沒什么區(qū)別，是通過互聯(lián)網(wǎng)控制智能手機，平板電腦或計算機，并可以通過智能揚聲器，無線鑰匙扣在本地進行控制或壁掛式面板，帶有Z-Wave網(wǎng)關(guān)或中央控制設(shè)備，同時充當集線器控制器和外部門戶。Z-Wave提供了不同制造商的家庭控制系統(tǒng)之間的應(yīng)用程序?qū)踊ゲ僮餍?，這是其聯(lián)盟的一部分?；ゲ僮鞯腪-Wave產(chǎn)品越來越多。2017年超過1,700，到2019年超過2,600。Z-Wave旨在以高達100kbit/s的數(shù)據(jù)速率提供可靠的，低延遲的小數(shù)據(jù)包傳輸。吞吐量為40kbit/s（使用舊芯片時為9.6kbit/s），適用于控制和傳感器應(yīng)用，與主要設(shè)計用于高數(shù)據(jù)速率的Wi-Fi和其他基于IEEE802.11的無線LAN系統(tǒng)不同。兩個節(jié)點之間的通信距離約為30米（帶500系列芯片的通信距離為40米），并且具有在節(jié)點之間最多跳四次的消息傳遞能力，它可以為大多數(shù)住宅提供足夠的覆蓋范圍。Z-Wave使用源路由網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)也被稱為無線自組織網(wǎng)絡(luò)。在這樣的網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備使用無線信道發(fā)送控制消息，然后由相鄰設(shè)備以波狀方式中繼控制消息。因此，想要發(fā)送的源設(shè)備稱為啟動器。因此，名稱源啟動的網(wǎng)格自組織路由。在1990年代初期提出了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。早期的Adhoc是需距離矢量路由。第3章基于物聯(lián)網(wǎng)的智能照明系統(tǒng)總體設(shè)計第3章基于物聯(lián)網(wǎng)的智能照明系統(tǒng)總體設(shè)計3.1設(shè)計原則及需求分析3.1.1設(shè)計原則最近“互聯(lián)網(wǎng)+”被推到了風口浪尖上，什么東西都要連接互聯(lián)網(wǎng)，其中呼聲最高的就是我們家家都有的家居。智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的頭牌，受萬眾矚目，在國家的發(fā)展大方向下，具有無與倫比的發(fā)展前景。高集成度、高性能，是智能家居系統(tǒng)的最大賣點。當然也離不開穩(wěn)定的、可靠的、合理的系統(tǒng)設(shè)計，在設(shè)計的過程中更要考慮系統(tǒng)的兼容性、成本、安全性，也需要將使用者的個性化條件考慮進去。因此，要設(shè)計滿足要求的智能家居系統(tǒng)，就得參考相關(guān)的原則，通過縝密的計算以及細心的規(guī)劃為人民百姓創(chuàng)造良好的生活環(huán)境。如果想要所設(shè)計的產(chǎn)品完美運行，就需要嚴格按照如下原則設(shè)計。穩(wěn)定性原則。世間萬物皆系于穩(wěn)定之上，我們的系統(tǒng)也是如此，沒有任何一個元件能在不穩(wěn)定的狀態(tài)下長時間保持準確的工作狀態(tài)。易操作性原則。每個產(chǎn)品都有自己的控制方式，當家里的家具增多的時候?qū)τ谌说挠洃浺缶透罅?，所以為了普及產(chǎn)品，全程力求操作簡單、清晰易懂，完成系統(tǒng)的控制。普適性原則。俗話說民為貴，君為輕。做燈同樣如此，國家所用的先進軍事照明控制還輪不到我們來指手畫腳，能讓中國老百姓用的舒服、用的放心才是一盞好燈。所以我們力求簡約，把操作難度降到最低，目的是讓所有人都能隨隨便便就操控的非常好。實用性原則。我們在進行設(shè)計的時候也是本著實用性的原則，一些華而不實的東西已經(jīng)在設(shè)計中消失了，現(xiàn)今保留的功能都是我們經(jīng)過大量的走訪調(diào)研得到的家庭普遍需求的功能。兼容性和可擴展性。現(xiàn)在市場上做智能家居的商家也在逐漸增多，基本上每個廠家的技術(shù)都有或多或少的區(qū)別，這就導致了一些產(chǎn)品可能不能兼容其他廠家的產(chǎn)品。所以，我們在設(shè)計的時侯要盡量讓我們的產(chǎn)品可以兼容各個系統(tǒng)，并且設(shè)計能夠兼容各種協(xié)議的控制器。終端設(shè)備需要可以擴展或者可以進行替換，這樣一旦出現(xiàn)事故也可以有補救的方法，也有其他的設(shè)備可以使用。這也是對我們設(shè)計工作的一個嚴峻的考驗?？删S護性原則。當產(chǎn)品不工作了或者外界環(huán)境突變了，我們的產(chǎn)品必須能及時維護，通過網(wǎng)絡(luò)手段或者上門服務(wù)。3.1.2系統(tǒng)需求分析照明功能。智能照明控制系統(tǒng)能夠通過調(diào)整照明模塊的控制板，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的開關(guān)照明工具，整體控制室內(nèi)照明數(shù)量，提高照明的均一性。智能照明系統(tǒng)也可以避開脫機效果。節(jié)能功能。目前，在我國的發(fā)展中能源的節(jié)省尤為重要。智能照明控制系統(tǒng)通過多種控制方式和控制零部件，準確設(shè)定不同的時間和環(huán)境光照度，并通過管理，最大限度地實現(xiàn)節(jié)能效果，達到節(jié)能的目的。生理情緒調(diào)節(jié)功能。通過判斷模塊探測從人體發(fā)出的可表征情緒或者健康狀況的生理信號或者接受外部設(shè)備發(fā)出的控制信號，并對探測到的生理信號或者接收到的控制信號進行分析，其中，判斷模塊可根據(jù)不同的驅(qū)動信號，使發(fā)光模塊發(fā)出不同波長/色溫的光。家居照明環(huán)境氛圍設(shè)定。使用者可以提前設(shè)置好自己偏好的整體燈光參數(shù)，屆時可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)燈光為已設(shè)定的模式。3.2總體設(shè)計3.2.1智能家居照明網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)有很多，我們在家里常用的有下面三樣：第一種是最簡單的星型結(jié)構(gòu)，第二種是稍復雜的樹形結(jié)構(gòu)，最后一種是最復雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。如圖3.1所示為三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖。圖3.1三種網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)示意圖最方便用戶管理的就是星型結(jié)構(gòu)了，這種結(jié)構(gòu)非常簡單，只要在通信范圍內(nèi)就可以任意交流，不需要其他設(shè)備做中間商，降低了其中的損耗。這種網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)是由三種通信設(shè)備組成的，它們分別是路由、中由協(xié)調(diào)器和終端了節(jié)點它們的通信路徑是不同的，條條大路通羅馬，有很多中方式可以連接兩個節(jié)點，所以管理起來也特別麻煩，因為需要管理的節(jié)點比較多。多個星型結(jié)構(gòu)的組合可以被看成是樹形拓撲結(jié)構(gòu)，在通信上只有一條鏈路進行數(shù)據(jù)傳輸，其他通信的中斷可能是被節(jié)點故障導致的。這種拓撲結(jié)構(gòu)，根本不用把所有的節(jié)點都維護，從中間選幾個重要的就可以了，但是一旦外界環(huán)境一直變化這種拓撲結(jié)構(gòu)就不如網(wǎng)狀的了。3.2.2智能家居照明系統(tǒng)的整體架構(gòu)通過對智能家居系統(tǒng)的總體設(shè)計架構(gòu)，選取符合設(shè)計需求的無線通信技術(shù)，基于嵌入式和Wi-Fi等智能技術(shù)對此系統(tǒng)進行了設(shè)計?；谖锫?lián)網(wǎng)可以將智能家居系統(tǒng)架構(gòu)為：控制層、網(wǎng)絡(luò)通信層以及應(yīng)用服務(wù)層。第一層，控制層。該層主要包括智能家居系統(tǒng)的單元，即終端節(jié)點設(shè)備。其由子節(jié)點和控制器模塊兩部分構(gòu)成，其中控制器模塊的作用是執(zhí)行相應(yīng)的由用戶發(fā)來的具體控制指令。第二層，網(wǎng)絡(luò)通信層。其具體的構(gòu)成包括：嵌入式網(wǎng)關(guān)、Wi-Fi模塊以及外圍設(shè)備。嵌入式網(wǎng)關(guān)是智能家居系統(tǒng)最重要的組成部分之一，其責任是對內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，另外局域路由器也可以借由無線

Wi-Fi

模塊和進行通訊，最終做到與互聯(lián)網(wǎng)的連接。整個系統(tǒng)可以通過控制層的終端節(jié)點設(shè)備以無線傳感器為媒介將各種采集到的數(shù)據(jù)樣式傳遞至嵌入式網(wǎng)關(guān)，基于多線程

TCP

服務(wù)器對數(shù)據(jù)信息進行解析處理并且發(fā)送，具體來說，以手機客戶端借由網(wǎng)絡(luò)建立與家居網(wǎng)關(guān)的

TCP服務(wù)器的連接，便可以將二者進行通訊交流，以此做到通過手機客戶端實現(xiàn)對智能家居系統(tǒng)的具體控制功能。第三層，應(yīng)用服務(wù)層。其主要描繪此系統(tǒng)的管理平臺，用戶可以通過手機客戶端的應(yīng)用“天貓精靈”進行操作，用戶以網(wǎng)絡(luò)與基于嵌入式網(wǎng)關(guān)上構(gòu)造的

TCP

服務(wù)器進行通訊，從而使得二者進行數(shù)據(jù)交互，嵌入式網(wǎng)關(guān)則處理詳細的數(shù)據(jù)信號，而具體的指令則由終端節(jié)點設(shè)備進行處理，由此可以實現(xiàn)基于手機應(yīng)用管理和控制智能家居系統(tǒng)的管理平臺。第4章基于物聯(lián)網(wǎng)的智能照明系統(tǒng)硬件實現(xiàn)第4章基于物聯(lián)網(wǎng)的智能照明系統(tǒng)硬件實現(xiàn)4.1核心智能模塊介紹4.1.1NodeMCUNodeMCU是一個開辟事物互聯(lián)網(wǎng)起源的平臺。該平臺購買了很多很多的開放源代碼.NodeMCU上面有許多固件，這些固件可以在esp8266Wi-FiSoC芯片上運行，通過高精密度的集成工藝將它們?nèi)诤弦惑w。固件使用Lua腳本語言。固件基于eLua項目，在ESP8266的基礎(chǔ)上構(gòu)建。很多開源項目都可以在這個平臺上被使用。由于資源限制，用戶需要選擇與其項目相關(guān)的模塊，并構(gòu)建適合其需求的固件。還實現(xiàn)了對32位ESP32的支持。通常使用的原型硬件是用作雙列直插式封裝（DIP）的電路板，該電路板將USB控制器與包含MCU和天線的較小的表面安裝板集成在一起。DIP格式的選擇允許在面包板上輕松進行原型制作。該設(shè)計最初基于ESP8266的ESP-12模塊，該模塊是與TensilicaXtensaLX106內(nèi)核集成在一起的Wi-FiSoC，廣泛用于IoT應(yīng)用。圖4.1NodeMCU實物圖圖4.2NodeMCU引腳圖4.1.2Esp8266模塊Esp8266使用的是超低空模的UART-WaiFi型號的全模塊，具有其他單片機無法比擬的包裝尺寸和超低能耗技術(shù)，僅為了便于萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計，用WIFI連接已有的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，并傳輸用戶想要發(fā)送的指令。Esp8266可以進行花式封裝：比如最普遍的2.54標準直插工藝，接地氣的貼片封裝，獨樹一幟的底貼工藝，獨占鰲頭的半孔貼片工藝，大受好評的超小體積封裝，只有10*10毫米，可輕松地在各種事物的網(wǎng)絡(luò)硬件終端上使用。在智能家庭以及產(chǎn)業(yè)控制等領(lǐng)域都可以找到它的身影。Esp8266擁有的可實現(xiàn)的功能包括：1. 串口透傳：在擁有優(yōu)秀的可靠性的基礎(chǔ)上大大提高了傳輸速率；2. PWM調(diào)控：可以調(diào)節(jié)速度的電機，多色LED的調(diào)節(jié)等；3. GPIO控制：電路中電子的移動可被控，繼電器等。由于Esp8266體積小、能耗低、傳輸穩(wěn)定、可調(diào)控燈光、可做開關(guān)，非常適用于智能家居照明控制系統(tǒng)，所以本文將Esp8266作為控制的核心元件。圖4.3Esp8266實物圖圖4.4Esp8266PCB圖以及引腳說明表4.1Esp8266能耗表4.2外圍硬件WS2812B結(jié)合了智能外控技術(shù)和集成電路技術(shù)，是一個領(lǐng)先時代的LED光源。它的每個元件都是一個獨立的像素點。里面包含了多種部分，有放大驅(qū)動電路、內(nèi)部振蕩器、以及可編程部分，所有像素點都具有一致性。單線歸零碼是它的獨特的通訊方式，像素點在接受傳輸過來的數(shù)據(jù)后，第一個點先提取送過來的數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)鎖存器，其他數(shù)據(jù)進行整形和放大，然后將數(shù)據(jù)傳遞給下一個像素點，但是信號會越來越少。像素點選用了特殊的轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，解除了級聯(lián)個數(shù)對信號的限制，唯一的限制是傳輸?shù)乃俣?。LED環(huán)保節(jié)能，電壓低，亮度大，散射好，功耗小，壽命長等優(yōu)點。LED經(jīng)過集成之后將，電路也簡潔化了許多，體積小，安裝更加簡便。WS2812燈帶有以下特點：●每個LED都是一個獨立的像素點?！窦啥群芨撸荚谝粋€5050的封裝內(nèi)?！衩總€像素點都可以變換16777216種顏色，?！駭?shù)據(jù)發(fā)送速度可達800Kbps?！窆獾念伾叨纫恢?，性價比高。相對于市面上其他的同價位可購買產(chǎn)品，WS2812燈帶有以下優(yōu)勢：1. 使用壽命長；2. 像素點更密集，可以得到更高清的效果；3. 顏色可變，基本涵蓋了市面上能找到的所有顏色，可以進行微調(diào)，總有一種顏色適合我們的用戶；4. 成本很低，因為WS2812燈帶把驅(qū)動直接與燈珠相連，可以直接控制顏色變化，相比其他產(chǎn)品少了連接的元件，所以成本就是這樣降了下來。同樣的由于接線柱變少，那么故障率也會跟著減少，穩(wěn)定性會變高；圖4.5WS2812燈帶電路圖圖4.6WS2812燈帶實物圖4.3電路連接將NodeMCU與WS2812燈帶進行連接，將NodeMCU的Vin管腳與WS2812燈帶的電源端連接，再將NodeMCU與WS2812共地，之后將NodeMCU的15管腳與WS2812燈帶的數(shù)據(jù)端相連，這樣就完成了電路的連接。圖4.7NodeMCU與WS2812燈帶連接圖第5章實物驗證--PAGE2---PAGE9-第5章實物驗證5.1代碼展示配置網(wǎng)絡(luò)本文采用的是Arduino中的WifiManager庫，它的原理是用ESP8266開啟熱點，電腦或手機連接熱點后訪問，就可以訪問一個網(wǎng)頁，把需要連接的路由器Wifi熱點名和密碼輸入，ESP8266會把賬號密碼保存到Flash，下次起機的時候，ESP8266發(fā)現(xiàn)有保存了可用的Wifi熱點，就會通過熱點接入互聯(lián)網(wǎng)。完成上述的配網(wǎng)操作所需要寫的代碼僅有兩行：1. voidsetup(){2. //設(shè)置Wifi3. WiFiManagerwifiManager;4. wifiManager.autoConnect();5. } ESP8266能連接互聯(lián)網(wǎng)還不夠，需要和貝殼互聯(lián)云平臺連接，才能推送命令。訪問貝殼互聯(lián)網(wǎng)站注冊賬號，再注冊設(shè)備即可，關(guān)鍵的是得到id和apikey，這是給設(shè)備做命令推送的憑據(jù)，下一步就是讓設(shè)備連接功能強大的貝殼互聯(lián)的為智能家居量身打造的服務(wù)器，關(guān)鍵代碼如下：1. voidloop(){2. //檢測網(wǎng)絡(luò)是否通暢3. while(WiFi.status()!=WL_CONNECTED){4. delay(1000);5. Serial.print(".");6. }7. //檢測是否連接到服務(wù)器8. if(!client.connected()){9. if(!client.connect(host,httpPort)){10. Serial.println("connectionfailed");11. delay(5000);12. return;13. }14. }15. //檢測是否需要發(fā)送心跳包16. if(millis()-lastCheckInTime>postingInterval||lastCheckInTime==0){17. Serial.println("SendHeartBeat!!");18. sendHeartBeat();19. }20. //檢測是否收到服務(wù)器推送21. if(client.available()){22. StringinputString=client.readStringUntil('\n');23. onMessageReceive(inputString);24. }25. //判斷是否需要將LED閃爍26. if(ledOn){27. doLedStep();28. }29. }在loop里面，關(guān)鍵要做的有兩件事，1.每隔40秒左右向服務(wù)端發(fā)送心跳包，告訴服務(wù)器這個設(shè)備還在線2.輪詢服務(wù)端接口是否有下發(fā)命令，有的話需要立即響應(yīng)，至于收到了一個消息，我們要做什么樣的處理，這都是我們自由發(fā)揮了。為了擴展性，發(fā)送和接收的消息都是要編碼成json格式，所以為了方便，我們還是要使用個json解析庫才行，官方例程里用的是aJson，但是在IDE里搜索不到這個，還要單獨安裝。所以便沒有用aJson，找了一個比較流行的ArduinoJson，大同小異，也可以用。圖5.1Ardino函數(shù)庫有了JSON解析庫，我們就可以解析消息了，先用串口打印消息看看。圖5.2貝殼物聯(lián)操作界面現(xiàn)在還沒有接天貓精靈，先用貝殼物聯(lián)后臺的面板試試Play和Stop按鈕的消息是啥：

Play和Stop的消息打印出來，其實開燈和關(guān)燈用的就是這兩個：1.{"M":"say","ID":"U11085","NAME":"hzy3774(web)","C":"play","T":"1577714088"}2.{"M":"say","ID":"U11085","NAME":"hzy3774(web)","C":"stop","T":"1577714088"}從消息內(nèi)容可以看出，我們主要解析消息中的C這個字段，即可判斷是什么動作，代碼如下：1. voidonMessageReceive(Stringmsg){2. msg.trim();3. Serial.println(msg);4. if(msg.startsWith("{")&&msg.endsWith("}")){5. DynamicJsonDocumentdoc(1024);6. deserializeJson(doc,msg);7. JsonObjectobj=doc.as<JsonObject>();8. StringM=obj["M"];9. if(M=="say"){10. StringC=obj["C"];11. if(C=="play"){12. ledOn=1;13. }elseif(C=="stop"){14. ledOn=0;15. turnLedColor(0);16. }elseif(C.startsWith("{")&&C.endsWith("}")){17. deserializeJson(doc,C);18. obj=doc.as<JsonObject>();19. onExtraCommand(obj);20. }21. }22. }23. }下一步來接入天貓精靈。操作很簡單，主要有三步，在天貓精靈App中添加設(shè)備，搜索貝殼，授權(quán)綁定后再登陸貝殼賬號，即可看到設(shè)備信息。圖5.3天貓精靈綁定頁面綁定完成后就可以對天貓精靈說“開燈”，在串口打印中看到命令是Play，這說明天貓精靈也對接成功了。{"M":"say","ID":"U11085","C":"play","SIGN":"Aligenie","T":"1577716165"}這個時候如果還想實現(xiàn)更復雜的燈光控制功能，比如“亮度50”，“燈光變綠色”，命令的內(nèi)容就稍微復雜了：1. {"M":"say","ID":"U11085","C":"{"n":"SetColor","a":"color","v":"Green"}","SIGN":"Aligenie","T":"1577715366"}2. {"M":"say","ID":"U11085","C":"{"n":"SetBrightness","a":"brightness","v":"10"}","SIGN":"Aligenie","T":"1577715412"}這時候C變得復雜，不過也沒關(guān)系，對C再做一次JSON解析即可：1. voidonExtraCommand(JsonObjectobj){2. Stringaa=obj["a"];3. if(aa=="brightness"){4. intvv=obj["v"];5. FastLED.setBrightness(vv*255/100);6. }elseif(aa=="color"){7. Stringcolor=obj["v"];8. ledOn=0;9. if(color=="Red"){10. turnLedColor(CRGB::Red);11. }elseif(color=="Green"){12. turnLedColor(CRGB::Green);13. }elseif(color=="Blue"){14. turnLedColor(CRGB::Blue);15. }elseif(color=="White"){16. turnLedColor(CRGB::White);17. }18. }19. }5.2實驗過程及結(jié)果首先進行電路的連接，具體電路如圖12所示：圖5.4實物電路圖開啟手機熱點、電腦連接ESP8266熱點，通過ESP8266的熱點記憶功能使二者都連接到手機熱點：在貝殼物聯(lián)中輸入指令p