（微电子学与固体电子学专业论文）基于zigbee协议室内情景照明控制系统开发.pdf

学位论文的主要创新点 本文实现了一种基于a r m 嵌入式系统和z i g b e e 无线网络的l e d 室内情景照明控制系统。系统实现了基于z i g b e e 协议的发送器和接 收器的设计，系统具有免布线、动态组网和控制方式灵活的特点。 摘要 随着人们对物质和精神生活水平要求的提高，室内情景照明已经得到广泛应 用，尤其在办公楼、酒店和商场等公共场所，并开始向普通家居领域拓展。l e d 照明具有节能、长寿、绿色环保等优点，是今后最具有发展前景的固体照明光源。 本文实现了基于a r m 嵌入式系统和z i g b e e 无线网络的l e d 室内情景照明控制 系统。本文对半导体照明原理、情景照明原理以及z i g b e e 技术进行了介绍，详 细阐述了基于a r m 处理器的整个控制系统设计、实现与调试过程，并对该系统 的进一步开发进行了展望。 本系统由发送模块和接收模块组成，它们均使用s t r 9 11 作为主控芯片。本 文设计实现了发送模块中的s t r 9 1 1 外围电路、无线网络传输电路、显示屏电路、 电源电路、复位电路和按键电路等，接收模块的s t r 9 1 1 外围电路、无线网络传 输电路、l m 3 4 0 7 驱动电路、r g b 三基色l e d 灯头、电源电路和复位电路等。 其中无线网络传输电路采用c c 2 4 8 0 模块，该模块内部固化z i g b e e 协议栈，具有 设计简单和应用便捷的特点。 本文开发了系统初始化程序和应用程序，对整个系统进行了调试。试验结果 表明，该控制系统能够完成控制器、路由器、协调器和l e d 灯头的动态组网， 并实现不同情景照明模式下的调色调光等，达到了预期的要求。系统具有免布线、 动态组网和控制方式灵活的特点，具有广泛的应用前景。 关键词：固体照明；无线网络；z i g b e e 协议；a r m 系统； a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go fp e o p l e sm a t e r i a la n ds p i r i t u a ll i f e ，i n d o o rl i g h t i n gs c e n e h a sb e e nw i d e l yu s e di no f f i c e s ，h o t e l s ，s h o p p i n gm a l l sa n do t h e rp u b l i cp l a c e s i th a s e x p a n d e dt ot h ef i e l do ft h eg e n e r a lh o u s e h o l d l e dl i g h t i n gh a st h ea d v a n t a g eo f e n e r g y s a v i n g ，l o n gl i f ea n dg r e e ne n v i r o n m e n t a l i ti st h em o s tp r o m i s i n gs o l i d s t a t e l i g h t i n gi nf u t u r e t h i st h e s i sp r e s e n t sa r m b a s e de m b e d d e ds y s t e ma n dl e d i n d o o r l i g h t i n gc o n t r o ls y s t e mo fz i g b e ew i r e l e s sn e t w o r k s e m i c o n d u c t o rl i g h t i n gp r i n c i p l e s ， l i g h t i n g s c e n a r i ot h e o r i e sa n dz i g b e et e c h n o l o g i e sa lei n t r o d u c e d t h i s p a p e r d e s c r i b e sd e s i g n ，i m p l e m e n t a t i o na n dd e b u g g i n g p r o c e s so ft h ee n t i r ec o n t r o ls y s t e m i ta l s op r e d i c t st h ed e v e l o p m e n to ft h es y s t e mi nf u r t h e r t h i ss y s t e mc o n s i s t so fas e n d i n gm o d u l ea n dar e c e i v i n gm o d u l e ，w h i c hu s et h e s t r 911a st h em a s t e rc h i p t h es e n dm o d u l ei n c l u d e ss t r 911 p e r i p h e r a l c i r c u i t ， w i r e l e s sn e t w o r kt r a n s m i s s i o nc i r c u i t ，d i s p l a yc i r c u i t ，p o w e rs u p p l yc i r c u i t ，r e s e t c i r c u i ta n db u t t o nc i r c u i t ；t h er e c e i v e rm o d u l ec o n t a i n ss t r 911 p e r i p h e r a lc i r c u i t ， w i r e l e s sn e t w o r kt r a n s m i s s i o nc i r c u i t ，l m 3 4 0 7d r i v e rc i r c u i t ，r g bt h r e ep r i m a l y c o l o r sl e d ，p o w e rs u p p l yc i r c u i ta n dr e s e tc i r c u i t t h ew i r e l e s sn e t w o r kt r a n s m i s s i o n c i r c u i ta d o p t sc c 2 4 8 0m o d u l e ，w h i c hc u r e sz i g b e ep r o t o c o ls t a c k i th a st h ef e a t u r e s o fs i m p l ea n dc o n v e n i e n t t h i st h e s i sh a sd e v e l o p e da n dd e b u g g e das y s t e mi n i t i a l i z a t i o np r o g r a ma n d a p p l i c a t i o np r o c e d u r e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o ls y s t e mc o m p l e t e st h e d y n a m i cn e t w o r ko fc o n t r o l l e r , r o u t e r , c o o r d i n a t o ra n dl e d i tf i n i s h sd i f f e r e n t s c e n a r i o si nl i g h t i n gm o d e sa n da c h i e v e st h ed e s i r e dr e q u i r e m e n t s t h es y s t e mw h i c h h a sab r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t si sf r e ew i r i n g ，d y n a m i cn e t w o r k i n ga n df l e x i b l e k e yw o r d s ：s o l i d s t a t el i g h t i n g ，w i r e l e s sn e t w o r k ，z i g b e ep r o t o c o l ，a r ms y s t e m 目录 第一章引言1 1 1 半导体照明的发展趋势1 1 2 无线网络的研究背景2 1 2 1 无线局域网( w l a n ) 2 1 22 蓝牙( b l u e t o o t h ) 3 1 2 3z i g b e e 无线网络3 1 3 课题来源及其意义4 1 4 课题的主要研究内容和研究方法5 第二章l e d 情景变换的原理7 2 1l e d 照明概述7 2 1 1l e d 的工作原理7 2 1 2l e d 的特点7 2 2 配光的理论基础9 2 2 1 可视光谱研究1 0 2 2 2 配光相加原理1 0 2 2 3 配色方程应用1 1 2 3l e d 在照明领域的应用1 2 2 3 1 生活照明应用1 2 2 3 2 装饰照明应用1 3 第三章z i g b e e 网络的工作过程1 5 3 1z i g b e e 拓补结构1 5 3 1 1 星形拓扑网络结构1 5 3 1 2 树簇形拓扑网络结构1 6 3 1 3 网状拓扑网络结构1 7 3 2z i g b e e 网络的协议栈结构1 8 3 3z i g b e e 网络的传输方式2 l 3 3 1 加入网络模式2 1 3 3 2 离开网络模式2 2 3 3 3 发送数据模式2 3 3 3 4 接收数据模式2 3 第四章情景控制系统的硬件设计2 5 4 1 系统的总体设计框图2 5 4 1 1 控制系统接收器的设计2 6 4 1 2 控制系统发送器的设计2 6 4 2 各组成芯片功能介绍：一2 7 4 2 1s t r 9 1 1 型号删9 芯片2 7 4 2 2 无线传输c c 2 4 8 0 芯片2 9 4 2 3l e d 的l m 3 4 0 7 型驱动芯片31 4 3 系统其它3 , t - 围电路设计3 2 4 3 1 整体电源电路设计3 2 4 3 2 系统复位电路设计3 3 4 3 3 专用仿真器接口电路设计3 3 4 3 4 串口电路设计3 4 4 3 5l e d 灯与主控芯片接口电路3 5 4 3 6c c 2 4 8 0 芯片与主控芯片接口电路3 6 4 3 7 发送模块显示屏接口电路3 6 第五章系统软件开发平台3 7 5 1 整体结构软件系统3 7 5 2s t r 9 1 1 芯片初始化3 8 5 3c c 2 4 8 0 模块初始化3 9 5 4 半导体灯光接口初始化4 2 第六章系统调试与工程应用4 5 6 1c c 2 4 8 0 模块硬件调试4 5 6 2 系统整体的软件调试4 7 6 3 系统的最终测试结果5 1 6 4 便捷人机界面设置5 2 6 4 1 人机界面概述5 2 6 4 2 图形界面主要思想5 3 6 4 3 图形界面的设计原则5 4 6 4 4 情景控制系统图形界面5 4 6 5 室内照明工程应用5 5 第七章总结与展望5 9 7 1 论文总结5 9 7 2 半导体照明控制系统展望6 0 n 参考文献6 1 发表论文和参加科研情况6 3 i q 录6 5 1 改谢6 7 i u 第一章引言 第一章引言 随着国民经济和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、通信技术、网络 技术、控制技术的迅猛发展与提高，促使家庭生活更现代化，居住环境更舒适化、 安全化。这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提 高了人们生活质量，而室内的照明情境变化也在这种形势下应运而生。 控制室内情景变化的方法有很多，国外在系统控制方面研究工作起步也比较 早，己开发出不少灯具和照明的智能控制与管理系统，如澳大利亚的邦奇( d y n a l i t e ) ，奇胜( c l i p s a l ) 和德国的a b b 照明的智能控制技术较为先进；国内在照 明的系统控制技术方面的研究也相当迅速，如住宅中心控制系统i h c c ，“真善美” 品牌的照明控制开关等。但这类控制系统主要用于基础娱乐行业，涉及工用和民 用的建筑物照明很少。 然而在现有的灯光控制器主要有机械式触点装置，其不足之处是，控制花样 单一，使用寿命短；数字存储芯片( 如2 7 系列) 电路，其不足之处是，线路复 杂，成本高；灯光控制专用集成电路，其不足之处是，变化花样固定，驱动能力 弱。所以我们提出了用无线网络的z i g b e e 协议控制半导体灯光，可以使控制更 力n ；b - 便快捷，而且有节能的效果，半导照明将是今后社会照明发展的主导方向。 而无线网络控制也将改变有限网络的局限性，使控制更加的灵活，更加的多样性。 1 1 半导体照明的发展趋势 照明离不开灯具，人类从火光照明到现代l e d 照明，经历了一个相当漫长 的过程。然而我国的灯文化在世界上一直享有盛誉。 、当人类高高举起第一根火把时，就开始了照明领域的第一次革命。1 8 7 9 年， 爱迪生发明了第一只白炽灯( 碳丝白炽灯) ，在开始第二次照明领域革命的同时， 也拉开了人类现代文明的帷幕。 在专家们眼里，固态照明带来的第三次照明领域的革命，其意义绝不亚于前 两次照明领域的革命。因为，固态照明将成为最有效的节能手段。并且固态照明 将改变着人类的生存环境、改变人们照明概念和提高人类的生活质量。 全球第一款商用化发光二极管( l e d ) 是在1 9 6 5 年用锗材料作成的，其单价 为4 5 美元。但是随后不久m o n s a n t o 和惠普公司也推出了用g a a s p 材料制作的 商用l e d 。这些早期的红色l e d 每瓦大约能提供o 1 流明( 1 u m e n s ) 的输出光通量， 比一般的6 0 至1 0 0 瓦白炽灯1 5 流明要低上1 0 0 倍【l j o 1 9 7 2 年开始有少量l e d 做的显示屏用于钟表和计算器。全球首款采用l e d 的手表最初还是在昂贵的珠宝商店出售的，其售价竟然高达2 1 0 0 美元。与此同 天津工业大学硕士学位论文 时，惠普与德州仪器也推出了带7 段红色l e d 显示屏的计算器。 到2 0 世纪7 0 年代，由于l e d 器件在家庭与办公设备中的大量应用，l e d 的价格将下跌。事实上，l e d 是那个时代主要的数字与文字显示技术。然而在 许多商用设备中，l e d 显示屏也逐渐受到了来自其它显示技术的激烈竞争。 这种竞争激励l e d 制造商进一步拓展他们的产品类型，并积极寻求l e d 具 有明显竞争优势的应用领域。此后l e d 开始应用于文字点阵显示器、背景图案 用的灯栅和条线图阵列。数字显示屏的尺寸和复杂度在不断增长，从2 位数字到 3 位甚至4 位，从7 段数字到能够显示复杂的文字与图案组合的1 4 或1 6 段阵列。 到1 9 8 0 年制造商开始提供智能化的点阵l e d 显示屏。 8 0 年代早期的重大技术突破是开发出了a 1 g a a s l e d ，它能以每瓦1 0 流明 的发光效率发出红光。这一技术进步使l e d 能够应用于室外运动信息发布以及 汽车中央高位制动灯( c h m s l ) 设备。1 9 9 0 年，业界又开发出了能够提供相当于 最好的红色芯片性能的a i i n g a p 技术，这比当时标准的g a a s p 器件性能要高出 1 0 倍【1 1 。 在1 9 9 1 年至2 0 0 1 年期间，材料技术、裸片尺寸和外形方面的进一步发展使 商用化l e d 的光通量提高了将近2 0 倍。这也是l e d 飞速发展的1 0 年。 在今天，随着第三代半导体材料氮化镓的突破和蓝、绿、白光发光二极管的 问世，被誉为“照亮未来的技术”的l e d ，渐渐走进了人们的日常生活，并将引导 人们走向更加光明的未来。并且l e d 的发光效率也越来越高，成本越来越低， 工艺技术也越来越成熟，综合这些优势，l e d 将在今后照明应用上起到领导的 地位。 1 2 无线网络的研究背景 j 为了实现各式各样的无线节点、路由器之间的互通，必须要有相应的统一的 无线网络通信标准。根据不同的应用需要，目前短距离无线数据通信网络的主要 国际标准有无线局域网、蓝牙技术和z i g b e e 无线网络等。 1 2 1 无线局域网( w l a n ) 无线局域网的组成包括无线网络接口卡( n i c ) 和无线接入点( a p , a c c e s s p o i n t ) 。无线网络接口卡是p c 或其他设备与无线网络连接的桥梁，接入点就像 是无线网络的一个无线基站，将多个无线网络的基站汇集到一起形成更大的无线 网路。 无线局域网的传输方式涉及到所采用的传输媒体和调制方式两个方面。目前 采用的传输媒体主要有无线电波与红外两种。采用无线电波为传输媒体的无线局 2 第一章引言 域网的调制方式，分为扩展频谱方式与窄带调* u ；b - 式。 i e e e 8 0 2 1 1 标准为“点到点 和“主从”两种无线网络配制类型规定了标 准，并分别制定了2 4 g h z 跳频、2 4 g h z 直序传输和红外线等无线技术规范。i e e e 公布的无线局域网协议，在物理层协议规定了3 个标准：频率跳变扩频( f h s s ) 、 直接序列扩频( d s s s ) 和红外线；3 个物理层协议可灵活选择【2 】。 1 22 蓝牙( b l u e t o o t h ) 所谓蓝牙，实际上是一种短距离无线通信技术，是一种无线数据与语音通信 的开放性全球规范。蓝牙由无线单元、链路控制( 固件) 单元、链路管理( 软件) 单元和协议栈4 个功能单元组成1 3 圳。蓝牙的传输距离为1 0 c m 1 0 m ，如果增加 功率或是加上某些外设，可达到1 0 0 m 的传输距离。它采用2 4 g h zi s m 频段和 调频技术，使用权向纠错编码、a r q 、t d d 和基带协议。 由于蓝牙采用无线接口来代替有线电缆连接，具有很强的移植性，适用于多 种场合，加上该技术功耗低、x , - t 人体危害小、而且应用简单，容易实现，所以面 世以来得到了广泛的应用，比如手机、电脑等。 利用蓝牙，能够有效地简化移动电话、手机和笔记本电脑等移动通信终端设 备之间的通信，也能够成功地简化以上这些设备与i n t e m e t 之间的通信，从而为 无线通信拓宽了道路。其实际应用范围还可以拓展到各种家电产品、消费电子产 品和汽车灯地方。蓝牙支持点对点和点对多点的链接，所以这些设备可以组成一 个巨大的蓝牙无线通信网络。 1 2 3z i g b e e 无线网络 z i g b e e 是一组基于i e e e 批准通过的8 0 2 1 5 4 无线标准研制开发的，有关组 网、安全和应用软件方面的技术标准。i e e e 无线个人区域网工作组的 i e e e 8 0 2 15 4 技术标准是z i g b e e 技术的基础。z i g b e e 并不仅仅只是8 0 2 15 4 的 名称，i e e e 只处理低级m a c 层和物理层协议，z i g b e e 联盟对其网络层协议和 a p i 进行了标准化。 z i g b e e 技术主要应用在短距离范围内以及数据传输速率不高的各种电子设 备之间，所以非常适用于家电和小型电子设备的无线控制指令传输。其典型的传 输数据类型有周期性数据( 如传感器) 、间歇性数据( 如照明控制) 和重复低反 应时间数据( 如鼠标) 。它的目标功能是自动化，它采用调频技术，使用的频段 分别为2 4 g h z ( i s m ) 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 1 5 m h z ( 美国) 。它们均为免执照 频段，有效覆盖范围是1 0 7 5 m 。当网络速率降低到2 8 k b s 时，传输范围甚至可 以扩大到1 3 4 m ，从而具有更高的可靠性。 天津工业大学硕士学位论文 1 3 课题来源及其意义 面对半导体照明的历史机遇，国家在2 0 0 3 年联合信息产业部、中科院、建设 部、轻工业联合会、教育部等单位正式启动“国家半导体照明工程”计划。并且在 2 0 0 9 ：年中国科技部首推“十城万盏”l e d 照明计划，每个城市主要应用l e d 功能照 明( 路灯、隧道灯、地铁、加油站、地下停车场等功能照明灯) ，此次计划将带 动中国的l e d 产业更上一个台阶。在这一背景下全国各地迅速掀起了建立l e d 标 准产业化的应用的高潮，天津的一些大学在半导体照明研究上也处于先进的行 列，其中天津工大海宇半导体照明有限公司致力于l e d 照明研究的前沿，主要针 对半导体照明控制等方面的研究，赋予半导体照明活动性和语言性。 本课题是依托天津工大海宇半导体照明公司以及“天津市科技型中小企业技 术创新资金项目”来研究的。 课题的意义体现在以下几个方面： ( 1 ) 绿色环保节约能源 中国的电力生产中约8 0 为火力发电，燃烧大量的原油，产生大量的粉尘和 有害气体，环境污染严重，然而l e d 情景照明的产品可以减少电力使用，节约电 能，同时也节约了能源。l e d 灯具有无频闪、耐震、耐冲击等优点。 ( 2 ) 发展自主知识产权 半导体照明是目前世界研发的重点领域，许多技术尚不成熟，有形成自主知 识产权的机会，尤其是在深紫外技术、s i c s i 及g a n n e t 底、g a n p l - 延层激光剥离、 z n o 单晶膜上生长g a n ：夕b 延层等方面有可能取得关键技术突破。在景观装饰照明 控制领域，还没有形成国际的产业标准，要积极发展自己的有知识产权的控制技 术，并致力于建立照明产业包括控制系统方面的工业标准的指定，努力使它成为 国际标准，使我国在这次新兴的产业中掌握技术的主导权。 ( 3 ) 改善人民生活质量 随着经济的高速发展，人民消费水平和消费观念的变化，发展半导体照明可 以改善生活环境，提高生活质量，有利于小康社会的建设。半导体照明色彩丰富 的特点，可以满足人们对服装、装饰、手机等时尚的需求。近几年内半导体照明 产品将应用在各种信号灯、景观照明、橱窗照明、建筑照明、广场和街道的美化、 家庭装饰照明、公共娱乐场所美化和舞台效果照明等领域。这些都是和人们生活 息息相关的领域，可以极大的提高人们夜间精神生活的高文明需要。 ( 4 ) 此系统在理论方面的意义 通过对a r m 9 的主控芯片和无线传输模块进行编程，从而实现室内灯光的 无线系统控制，通过主流的a r m 内核技术和z i g b e e 无线传输技术使这套系统场 景变化灵活，而且体积相当的微小，扩展更加便捷，保护更加可靠和更绿色环保。 4 第一章引言 同时由于嵌入式技术已经相当成熟，所以为今后的更智能的灯光控制系统的开发 奠定了良好的基础。 ( 5 ) 此系统在应用方面的意义 通过室内的情景控制系统，可以给人们提供更舒适的生活空间，使人们的生 活质量进一步提高。而且通过灯光模式的变换，具有可观的节能效果，同时也延 长了光源的寿命，提高了照明的管理水平。而且这样一套控制系统也在不断的减 少成本，所以有可观的发展前景。 因此，这样一套控制系统，既有很大的经济价值，又有相当高的使用价值， 将为半导体照明市场掀起一次技术革命。 1 4 课题的主要研究内容和研究方法 本课题来源于“天津市科技型中小企业技术创新资金”，室内情景照明控制 系统主要是将半导体照明的情景控制应用到各样的室内建筑中，而该控制系统既 能适应中小范围室内也能适应大规模的室内景观群控制，该系统具备集中控制分 散管理。 ( 1 ) 要解决集中控制模式 为了装饰不同房间的情景效果，需要不同的灯具，而且每个灯具的情景模式 都不相同，所以要解决集中控制的控制接口问题，以及通过无线网络集中控制的 防干扰问题。本系统确定一个基于a r m 9 的芯片作为主控芯片，无线z i g b e e 网 络进行通信时通过选择路由器的编号来区分干扰问题。由于现在所试验的空间不 是很大，即选择星形组网方式，有利于数据更快的传输，而且网络维护起来比较 方便。 ( 2 ) l e d 三基色配色问题 传统的情景装饰照明灯，只有7 种不到的色彩，通过模拟开关的通断来表示 色彩的变化，无法做到色彩渐变，而且色彩的变化的程序固化无法做第二次修改， 对情景变化构成了很大的局限性。本文所用的r g b 三基色l e d 在情景控制上可 以调出3 种肉眼可见的情景变化，并且所选用的情景存储芯片是可擦除的，可以 根据人们的喜好和要求重新设定情景模式。 ( 3 ) 解决无线通信开发 无线通信系统在市面上很多，选择一款合适的通信协议至关重要，我们所开 发的系统选择的是z i g b e e 无线通信协议，用的是内部固化好通信协议的应用简 单的c c 2 4 8 0 芯片，此无线通信协议具有省电( 2 节电池可使用半年至两年) 、可 靠( d s s s 、c s m a c a ) 、容量大( 1 6 b i t 地址、6 5 5 3 5 个节点) 、安全( 采用a e s 1 2 8 加密) 、可组网( 简单，支持自组网) 等优点。 士学位论文 6 第二章l e d 情景变换的原理 2 1l e d 照明概述 第二章l e d 情景变换的原理 l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) ，发光二极管，是一种固态的半导体发光器件， 它可以直接把电能转化为光能。l e d 的内部是一个半导体的单晶片，晶片的两 端附在一个支架上，一端接负极，另一端连接电源的正极，并且整个晶片被环氧 树脂封装起来。l e d 是当前发展最快，被认为最拥有广阔前景的新型光源【5 1 。 2 。1 1l e d 的工作原理 高纯半导体材料的电阻率很高，如在其中掺杂i i i 族或是v 族元素，就能改 变其导电性质。l e d 发光二极管的实质结构就是半导体p n 结，在半导体材料 的一侧掺入i i i 族元素形成p 型材料，在另一侧掺杂v 族元素形成n 型材料。当 半导体p n 结通以正向电流时，材料将注入少数载流子，少数载流子的发光复 合就是发光二极管的工作机理。半导体p n 结发光的实质为固体发光，而各种 固体发光都是在不同能量状态的电子跃迁的结果，同理发光二极管的发光原理可 以用p n 结的能带结构来做解释【6 】。 在日常中，制作半导体发光二极管的半导体材料都是重掺杂的。在热平衡状 态下的n 区有很多迁移率很高的电子，p 区则有较多的迁移率较低的空穴，由于 p n 结阻挡层的限制，在常态下，电子和空穴不能发生自然复合；当外加足够高 的直流电压v 时( p 型材料接正，n 型材料接负) ，电子和空穴将克服在p n 结 处的势垒，分别流向p 区和n 区，在p n 结处，电子与空穴发生复合产生光【7 1 。 2 1 2l e d 白勺辱寺点 l e d 光源除了节能、节材、对环境无电磁干扰、无有害射线四项优点之外， 在照明领域中，特别是在景观照明中，还存在很多优势。如：低压供电在 l e d 照明中无高压环节，所以为了绝缘的开销要小得多，并且可靠性高；附件 简单没有启动器、镇流器或超高压变压器等；结构简单具有固体光源的 最大优点，不充气，无玻璃外壳，耐冲击；可控性好响应时间快( 微妙数量 级) ，并且可反复频繁亮灭，无惰性，不会疲倦；色彩醇厚丰富由于半导体 p n 结自身能产生色彩，再加三基色和数码技术，可演变任意色彩；轻质结构 节材，节约费用，对灯具强度和刚度要求很低；体积小巧大的l e d 灯具可 以看成由单颗l e d 细胞组成，现在最小的l e d 仅为平方毫米数量级或更小；柔 性化好l e d 能适应各种几何尺寸和不同空间大小的装饰照明要求，诸如： 7 性，用响应时间来描述，响应时间包括上升时间和下降时间，上升时间是指从接 通电源使l e d 的发光亮度达到正常值的1 0 开始到l e d 的发光亮度达到正常值 的9 0 所需要的时间；下降时间是指l e d 断电后，发光亮度由正常值的9 0 下 降到正常值的1 0 所经历的时间，载流子的寿命将决定下降时间，与流过管子的 电流大小无关。不同种类的l e d 的响应时间是不同的，即使是同类的l e d ，其 响应时间也是有差别的，下表为几种发光二极管的响应时间。 第二章l e d 情景变换的原理 表2 1 几种常见发光二极管响应时间 材料 发光颜色 上升时间下降时间 g a a s 红夕卜 44 g a a s s i红外 2 5 01 5 0 g a p 红 1 0 01 0 0 l o6 0 g a p 绿 1 0l o g a a s p 红和橙 g a a i a s 55 红 温度对p n 结的复合发光是有影响的，结温升高到一定程度后，电流将变小， 发光亮度减弱，电流与温度的关系大致如图2 1 所示。 2 5 5 07 5 t c 图2 1 发光强度与温度关系曲线 在一定的工作电流下，随着环境温度的升高，发光复合的几率下降，亮度也 随之减弱；同样，在环境温度不变时，电流增大足以引起结温上升，发光二极管 的亮度不再继续随着电流的增大而成比例的增强，亦呈饱和状态。 2 2 配光的理论基础 由于l e d 材料的特殊性，其本身就可以发出不同颜色的光，在实际应用 r g b l e d 配光时将可以调节出更多种颜色。 9 o o o o 0 ) 5 4 3 2 1 ( 天津工业大学硕士学位论文 2 2 1 可视光谱研究 光是指在一定波长范围内的一种电磁辐射。电磁辐射的波长范围很广阔，最 短的宇宙射线，其波长只有千兆分之几米( 1 0 e 一1 4 1 0 e 一1 5 m ) ，最长的波长可达 数千公里。在电磁辐射范围内，只有波长为3 8 0 n m 到7 8 0 n m 的电磁辐射能够引 起人的视觉反映，这段波长叫做可见光谱【5 】。 电磁辐射内还包括紫外线、x 射线、y 射线以及红外线、无线电波等。可见 光、紫外线和红外线是原子与分子发光的辐射，这称为光学辐射。x 射线、7 射 线等是激发原子内部的电子所产生的辐射，亦称为核子辐射。电振动所产生的电 磁辐射称为无线电波。 总光通量和总辐射通量的关系为 弘l p 紫p d l 兄 ( 2 2 ) k 称为辐射体的光视效能，称为发光效率，其单位为l m w ，表示辐射体消 耗1 w 功率所发出的光通量。 2 2 2 配光相加原理 把两个颜色相混合调节到视觉上相同的方法叫做颜色匹配。颜色混合可以是 颜色光的混合，也可以是染料的颜色混合，这两种所得到的结果是不同的，前者 称为颜色相加混合，后者为颜色相减混合。将几种颜色光同时或快速先后刺激人 的视觉器官，便产生不同于原来颜色的新的颜色的感觉，这就是颜色相加混合方 法。我们的三基色l e d 情景控制系统采用的就是配光相加原理。 1 8 5 4 年，格拉斯曼将颜色混合现象总结成了混合定律：人的视觉只能分辨 颜色的三种变化：明度、色调和饱和度；在两个成份组成的混合色中，如果其中 一个成份连续的变化，混合色的整体也连续的变化；表观颜色相同的光，颜色相 加后将具有相同的效果；由几个颜色光组成的混合色的亮度，是各颜色光亮度的 总和【1 1 1 。 颜色光相加有三种方法【7 j ： ( 1 ) 直接混色法( 光谱功率混合法) ，直接把三基色l e d 灯光同时投射到 一个会反射的白色幕布上，通过三基色l e d 的不同比例直接合成彩色。 ( 2 ) 空间混色法，三基色室内照明的空间混色是把三基色的光以同一表面 上每三个l e d 以靠得很近的光点表现出来，人们在一定的距离上观看就会产生 混合色的感觉。 第二章l e d 情景变换的原理 ( 3 ) 时间混色发，将三基色按照一定的顺序，以最快的的轮换的速度足够 快，由于人眼的视觉惰性，看到的就是三基色的混合色。 2 2 3 配色方程应用 根据以上的配光相加原理，我们对三基色的l e d 通过配色方程得出混色的 种类。如以( c ) 代表被匹配的颜色的单位，( r ) ( g ) ( b ) 分别代表产生混合 色的红、绿、蓝三原色的单位，r 、g 、b 、c 分别代表红绿蓝和被匹配颜色的数 量，则颜色方程表示如下【1 2 】： c ( c ) 三r ( 尺) + g ( g ) + b ( b ) ( 2 3 ) 其中方程中r 、g 、b 代表数量，可以为负值；“三”代表混合或匹配。 在色度学中，将为匹配相等能量( 简称等能) 光谱色的三原色数量称为光谱 三刺激值，用厂，g ，b 表示。则匹配波长为兄的等能光谱色( e ) 的颜色方程为： ( c 。) 兰厂( r ) + g ( g ) + 6 ( b ) ( 2 4 ) 在色度学计算中，常用色品坐标，色品坐标是三刺激值各自在三刺激值的总 量中所占的比例，用r ，g ，b 表示【1 3 】： ，= 厂 ，+ g + b g2 南 r + 2 + b 6 = 垒 ： 由于r + g + b = l ，所以只用r ，g 即可表示一种颜色。颜色方程可改写为 ( c ) 三，( r ) + g ( g ) + b ( b ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 三刺激值单位( r ) 、( g ) 、( b ) 不是用物理量为单位，而是选用色度学单位， 亦即三t 单位。它的确定方法是：选一特定白光( w ) 作为标准，在颜色匹配实 验中选用的三原色( 红、绿、蓝) 相加混合与此白光( w ) 相匹配，如测得所需 天津工业大学硕士学位论文 三原色的光通量值分别为( r ) 为l r 流明，( g ) 为l g 流明，( b ) 为l b 流明。 则将比值l r ：l g ：l b 定为三刺激值的相对亮度单位，即色度学单位。因此，为 了匹配标准白光，三原色的数量r 、g 、b ( 三刺激值) 相等，即一- ：一g ：一b ：l ：l ：1 对于不同波长的光谱色，其三刺激值是波长的函数，用7 ( 力) 、；( 允) 、b 一( a ) 来表示，光谱三刺激值又称为颜色匹配函数，它的数值取决于人眼的视觉特性。 在上述可能具有负值方程的颜色匹配条件下，所以颜色，包括白黑系列的各 种灰色、各种色调和饱和度的颜色，都能有红绿蓝三原色的相加混合产生。综上 所述，任何一个颜色，包括可见光的全部颜色，都能用三原色相加混合出来。 2 3l e d 在照明领域的应用 在l e d 面世的初期，它的主要应用是作为指示灯和信号灯。人们在各种仪 器仪表、家用电器、音响器材、通信器材中都会看到单个红色和绿色的l e d 指 示灯或排列成行的l e d ，代替一般指针式仪表作为电平大小的显示。另外在大 城市，红绿交通灯也逐步采用l e d 作为光源。l e d 面世早期另一应用领域是由 红绿两种二极管配合计算机程序控制，显示文字和简单的图像，用于车站、码头、 银行等的公告栏、广告牌。 长期以来制约l e d 更广泛应用的两个瓶颈，一是光通量偏低，光效偏低； 二是制作技术复杂( 特别是蓝光和白光) ，成本高昂【1 4 j 。 l e d 技术的突破主要表现在以下两个方面：一是蓝光和白光l e d 的研制成 功，解决了三基色显示技术方面的难题，并扩大了l e d 在日常照明中的应用； 二是研制成功的大功率l e d ，使光通量和生产成本迅速下降。 这两个突破促成了由l e d 组成的大型三基色显示屏的发展，同时促成l e d 更广泛进入景观照明领域和日常生活照明领域。 2 3 1 生活照明应用 随着白光l e d 的研制成功，其光通量和光效率正迅速提高，而价格逐步下 降，给l e d 进入一般日常生活照明创造了条件。目前市面上已有使用普通干电 池作电源的l e d 手电筒( l e df l a s hl i g h t ) 和台灯出售。l e d 手电筒外壳用铝合 金或硬质塑料加工而成，配用超高亮度的白光l e d ，既是一件精美的工艺品， 又是一种节能环保的照明产品。 另外有部分高档轿车的车灯已采用l e d 作为光源。可以预见随着l e d 光通 量的进一步提高和价格的大幅下降，l e d 必将逐步取代白炽灯和荧光灯成为一 般生活照明和商业照明领域的标准光源。 1 2 第二二章l e d 情景变换的原理 2 3 2 装饰照明应用 与白光l e d 相比，蓝光、红光和绿光等色彩l e d 的技术更成熟，价格也相 对较低廉。因此采用彩色l e d 作光源的各种装饰性艺术照明灯具，已成为目前 l e d 照明应用的主要领域。 ( 1 ) l e d 灯泡 在l e d 上加一个透明外壳和灯头就组成了各种l e d 灯泡( 或称l e d 球泡) ， 可直接安装到各种灯具的灯座上。 ( 2 ) l e d 聚光灯 l e d 聚光灯由l e d 光源和反光杯组合而成，其结构如图2 2 所示。其结构 和外形与聚光卤钨丝灯( 石英杯灯) 相似，仅是用l e d 代替卤钨灯作为光源。 l e d 聚光灯已进入一般生活和商业照明领域，用于会议厅、商场、咖啡厅、酒 店、展览厅等公共场所甚至进入家庭和办公室作为辅助性、装饰性照明和广告照 明。 图2 2l e d 聚光灯外形 ( 3 ) l e d 数字管型灯 l e d 数字管型灯又名轮廓灯、护栏灯、l e d 变色数码管等，目前尚未有规 范统一的名称。其外形及应用照明效果如图2 3 所示。该图是天津工大海宇半导 体照明有限公司的管型等在实际测试中的效果图。 天津工业大学硕士学位论文 图2 3 应用照明效果 l e d 数字管型灯是l e d 照明光源中技术含量最高的品种，其管型外壳采用 p c 材料或亚克力制成，有透明和漫射两种结构。l e d 光源则有单色、双色、七 彩等多种颜色。内置有微处理器，可以通过专用的d m x 51 2 控制器实现各种程 序控制，是目前国内市场占有量和出口数量最大的l e d 照明光源。 1 4 第三章z i g b e e 网络的工作过程 第三章z i g b e e 网络的工作过程 z i g b e e 协议是为低功耗智能设备所设定的新的无线标准，它主要应用在家庭 控制、电脑外围设备和小型工业控制，它能让无线网络工作在低功耗上。 3 1z i g b e e 拓扑结构 z i g b e e 支持包含有主从设备的星形、树簇状形和网状拓扑结构【l 引。每个 z i g b e e 设备都有唯一的6 4 位i e e e 地址，可以用这个地址在p a n 中进行通信， 但在从设备和网络协调器建立连接后会为它分配一个1 6 位的短地址，利用这个 短地址可以进行通信【1 6 】。z i g b e e 网络中的设备分为3 种，第一种结构是功能最 简单，用电量最小，而且大部分时间处于休眠中，可以最大程度节约电能，这样 的设备叫做终端设备。每一个终端设备中最多可以有2 4 0 个端点，并且这些端