基于WiFi的室内LED智能控制器的设计与实现开题报告

毕业设计（论文）开题报告题目： 基于WiFi的室内LED智能控制器的设计与实现专 业 班 级 学 号 姓 名 指 导 教 师 20xx年12月22日1 课题背景1.1 课题研究的意义现代科技的发展驱使人们寻求更加简便更加快捷的生活方式，即使住在最偏远的城市，也会感受到这种速度。所以我们要基于我们所学的知识以及能力，畅想出一种用于控制我们生活的方式，而WiFi和智能手机已经走进千家万户，我们要充分整合利用资源，将家中的可控灯具集中在我们的手中，WiFi是一种高可靠性的无线通信技术，可以无限扩展，具有低功耗，低成本，抗干扰，易组网的优点。1.2 国内外研究现状与水平LED智能控制因为在一些欧美国家和日本等国发展较早，所以在这些国家已经有一定的发展。如美国的X-10系统，德国的EBI系统，日本松下电器公司的“家庭信息基础”实验。由于我国LED技术发展较晚，于二十一世纪之初才开始在我国流行，经过十多年的发展，虽然有一些产品出现，但是与欧美同类公司和产品相比还有一定的距离。 制约我国LED智能控制发展的原因可以归纳为以下几方面： 1）尚无统一的标准和规范； 2）产品市场定位不准； 3）资金不足，研发能力有限； 4）专业研究的人员太少。基于上述原因，我国正式将LED节能技术列为“十三五”的重点发展项目之一。1.3 发展趋势进入21世纪，国内智能照明厂家和商家也如雨后春笋般迅速发展，涌现出了如瑞郎、百分百照明、清华同方、索博等大小不一的几十家企业，国内智能照明行业进入一个崭新的发展阶段。但由于国外品牌智能照明系统起步早，跨国企业研发实力较强，其产品在创意、质量等方面均走在智能照明行业前端，国内智能照明市场是国外品牌的天下。国外品牌占据了国内90%以上的大型公用建筑(如体育场馆、写字楼、酒店等)和70%以上家居智能照明系统的市场份额，国内的业内企业还无法与之争锋。与传统照明相比，智能照明可达到安全、节能、舒适、高效的目的，因此智能照明在家居领域、办公领域、商务领域及公共设施领域均有较好发展前景。中国智能照明市场并未成熟，智能照明的应用领域还主要集中在商务领域和公共设施领域，酒店、会展场馆、市政工程、道路交通领域内对智能照明的采纳使用较多;此外，办公建筑和高端别墅项目也有采用智能照明。随着国内智能照明研发生产技术的发展和产品推广力度的加大，家居领域的智能照明应用有望得以普及。中国领先的技术行业研究机构中国电子信息产业发展研究院(CCID)在最近的研究报告浅析智能照明无线传输协议中，已将JenNet-IP确定为下一代新兴智能应用的理想无线通信协议，表示该技术将有助于进一步实现物联网(IoT)理念。由恩智浦半导体(NXP Semiconductors N.V.) 开发的JenNet-IP是一种增强型6LoWPAN网络层，具有使用方便、安全性高和成本低的特点。该协议专门针对基于IEEE 802.15.4的超低功耗网络，可同时用于住宅和工业应用。据CCID的子公司赛迪咨询报导，传统照明市场上LED的替代效应大大提高了对半导体照明的需求，并且截至2014年，中国半导体照明市场的规模预计将达到565亿元人民币，比今年上涨 38.8%。1 CCID的研究报告显示，超低功耗智能照明系统预计将成为照明行业内的主要发展趋势之一。研究还发现，相比其他无线通信协议，基于IP的JenNet-IP改善了无缝联结物联网通信所需的性能和功能。2 文献查阅及调研情况2.1 文献综述LED是LightEmittingDiode的缩写，即发光二极管。是一种半导体固体发光器件，它是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合，引起光子发射而产生光。LED灯具就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。（1）LED工作原理LED光源的LED是由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-V特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。 假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数m以内产生。（2）LED特点 节约能源LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可达8090%。笔者还将LED灯与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯做了一番比较，结果显示：普通白炽灯的光效为12lm/w，寿命小于2000小时，螺旋节能灯的光效为60lm/w，寿命小于8000小时，T5荧光灯则为96Alm/w，寿命大约为10000小时，而直径为5毫米的白光LED为2028lm/w，寿命可大于100000小时。有人还预测，未来的LED寿命上限将无穷大。一般人都认为，节能灯可节能4/5是伟大的创举，但LED比节能灯还要节能1/4，这是固体光源更伟大的改革。除此之外，LED还具有其他优势，光线质量高，基本上无辐射，属于典型的绿色照明光源；可靠耐用，维护费用极为低廉等等。正因为LED具有以上其他固体光源还无法匹敌的特点，10年后LED将是照明行业的主流光源。 安全环保LED的工作电压低，多为1.43V;普通LED工作电流仅为10mA，超高亮度的也不过1A。LED在生产过程中不要添加“汞”，也不需要充气，不需要玻璃外壳，抗冲击性好，抗震性好，不易破碎，便于运输，非常环保，被称为”绿色能源”。 使用寿命长LED体积小、重量轻，外壳为环氧树脂封装，不仅可以保护内部芯片，还具有透光聚光的能力。LED使用寿命普遍在5万10万小时之间，因为LED是半导体器件,即使是频繁的开关，也不会影响到使用寿命。当今家用照明主要使用的是白炽灯、荧光灯及节能荧光灯。 响应速度快LED的响应频率f与注入少数载流子的寿命mc有关，如GaAs材料制成的LED，其mc一般在110ns 范围内，则响应频率约为16160MHz，这样高的响应频率对于显示6.5MHz的视频信号来说已经足够了，这也是实现视频 LED大屏幕的关键因素之一。LED响应时间最低的已达1微秒，一般的多为几个毫秒，约为普通光源响应时间的1/100。因此可用于很多高频环境，如汽车刹车灯或状态灯，可以缩短车后车辆的刹车时间，从而提高安全性。 发光效率高白炽灯、卤钨灯的光效为12-24lm/w(流明/瓦)，荧光灯的光效为5070lm/w，钠灯的光效为90140lm/w，大部分的耗电变成热量损耗。而LED的光效经改善后可达到50200lm/w，且光的单色性好、光谱窄，无需过滤就可直接发出有色可见光。 LED元件的体积小更加便于各种设备的布置和设计，而且能够更好地实现夜景照明中“只见灯光不见光源”的效果。 LED光线能量集中度高集中在较小的波长窗口内，纯度高。 LED发光指向性强、显色性高亮度衰减比传统光源低很多，不会对人的眼睛造成伤害。 LED低压直流电即可驱动。具有负载小、干扰弱的优点,对使用环境要求较低。 可较好控制发光光谱组成能够很好地用于博物馆以及展览馆中的局部或重点照明，可控制半导体发光层、半导体材料禁止带幅的大小，从而发出各种颜色的光线，且彩度更高。（2）WiFi网络设计Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备（如pad、手机）等终端以无线方式互相连接的技术，事实上它是一个高频无线电信号。无线保真是一个无线网络通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟所持有，目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。有人把使用IEEE 802.11系列协议的局域网就称为无线保真。甚至把无线保真等同于无线网际网路（Wi-Fi是WLAN的重要组成部分）。2.2 调研情况主要调查了智能无线LED的控制与应用技术以及方案，采用分布式智能照明控制系统，可以使照明系统工作在全自动状态。系统将按预先设定的若干基本状态进行工作，这些状态会按设定的时间进行相互自动切换。采用分布式智能照明控制系统，可以使照明系统工作在全自动状态。系统将按预先设定的若干基本状态进行工作，这些状态会按设定的时间进行相互自动切换。因为本课题是基于实际项目而设计进行的，所以必将用于以后的项目中去，而上海九高节能技术有限公司即采用分布式智能照明技术。通过对实际项目以及公司内部使用情况的调研，更深层次的掌握与了解了课题的各类情况。3 课题研究的主要内容3.1 课题的基本内容本课题要实现一定的目标，尽可能的使生活更加便利，主要依靠智能手机或pad作为控制端，在组建网络时将智能设备加入网络，智能设备会自动识别每一节点的ID地址，通过对节点发送命令实现控制。可以对单个灯进行亮度调节，即向单个节点发送控制命令，也可以将部分节点组建一个局域网络存储到遥控器中，对这个局域网络发送命令或者设置自动感应就可以实现局域网内所有节点的灯光控制。图1 系统效果图图-2系统正常运行流程图 图-3-1路由器工作流程图 图-3-2协调器工作流程图LED灯光协调器CC3000模块LED灯驱动LED电源驱动稳压电源220V交流电源 图-4 LED硬件电路逻辑框图图-5 cc3000 WiFi 模块3.2 课题研究的重点（1）LED照明技术的特点、分布式智能照明技术的特点及优势；（2）WiFi网络设计的特点，技术指标，通信协议，组网技术的实现方法；（3）掌握并运用WiFi室内LED智能控制器及其接口的设计原理及应用；（4）熟练使用Altium Desinger；（5）对MCU与WiFi芯片（cc3000）通信的研究；（6）实现动态人体感应和光照度等传感器的集成；（7）开展本地综合调光策略算法的研究，实现多路PWM控制信号输出，无线路由由AP的接入，并实现由上位机（app）的数据互传。3.3 课题的难点（1）wifi信号的干扰，以及稳定性问题，其中包括降低物理数据传输率，减少受干扰AP的传输功率和调整AP的信道分配；（2）不同模块之间的通信、各模块在工作时的干扰问题；（3）算法的研究与编程；（4）传感器数据的实时反馈。4 解决问题的方法及手段4.1 拟采取的方法和技术（1）线性驱动线性驱动应用是一种最为简单和最为直接的驱动应用方式。在照明级白光LED应用中，虽然存在着效率低、调节性差等问题，但是由于其电路简单、体积小巧，能满足一些特定的场合应用较多。（2）开关型驱动开关型驱动可以获得良好的电流控制精度和较高的总体效率,应用方式主要分为降压式和升压式两大类。降压式开关驱动是针对电源电压高于LED的端电压或者是多个LED采用并联驱动情况下的应用。升压式开关驱动是针对电源电压低于LED的端电压或者是多个LED采用串联驱动情况下的应用。一般认为,隔离型驱动安全但效率较低,非隔离型驱动效率较高,应按实际使用的要求来选。设计一般的基本LED驱动器照明应用相对较简单，但是如果还需要其它功能如相位控制调光和功率因子校正(PFC)，设计就变得复杂。无功率因子校正功能的非调光LED驱动器通常包含一个离线式开关电源，用于恒定电流下调节输出。LED驱动器的后端架构包含一个具有短路保护功能的电流调节电路。可以利用线性调节电路达到这一目的,然而这种方法本身效率低下，因此适用低输出电流，通常不会应用到多级架构中去。替代方法是使用简单的、具有电流回馈功能的降压稳压器电路，以便限制了输出电流超过期望的LED驱动电流。其抵消了总LED正向电压随温度和器件容差的变化，还限制了出现短路或其它故障条件时的电流,从而能够保护驱动器免遭损坏。4.2 选择的工具（1）软件基于Windows平台的Code Composer Studio V6软件、TCP&UDP调试工具，JAVA环境、eclipse环境配置。（2）硬件CC3000无线模块（性能如下表所示）、220V转3.3V开关电源、TP-LINK WR740N路由器、Windows平台电脑及MCU驱动电路板。图-6 cc3000WiFi模块规格4.3 工作进度安排11.2612.30 ：查阅文献，完成开题报告，英文文献的翻译。12.31-20151.31： （1）进行算法设计和硬件准备，设备的选型，准备设计书的编写 （2）仔细了解cc3000的的基本结构，细节参数，硬件配置 （3）学习了解底层代码的调用与修改 （4）编写cc3000与路由器之间的数据收发代码 （5）学习了解PWM输入波形的调控方法2.1-4.15 ：编写完整的程序代码以及硬件优化，对必要的部分进行修改。4.16-5.10 ：最后的调试与改进，准备论文答辩。 5 论文提纲1 前言2 cc3000的介绍，软件配置，硬件配置，技术指标3 软硬件平台的整合4 设计过程，遇到的难题以及解决方案5 总结与展望6 主要参考文献1曾磊;张海峰;侯维岩;基于WiFi的无线测控系统设计与实现J;电测与仪表;2011年07期2沈红雷;陈够喜;伍玉良;基于Android系统终端实现3G WIFI无线漫游J;电脑开发与应用;2011年03期3王为学;谷刚;基于Android和Wifi的智能点菜终端设计与实现J;电脑开发与应用;2011年12期4路秋生;LED调光的实现与有关问题J;电子质量;2011年03期5程安宁;王晋;尚相荣;白光LED的PWM驱动方式分析J;电子设计工程;2010年02期6姜薇艳;盛卫锋;基于LM3402的LED调光电路设计J;电子设计工程;20