1、毕业论文智能家居灯光控制系统的设计与实现定稿湘潭大学毕业设计说明书题 目：智能家居灯光控制系统的设计与实现学 院： 信息工程学院 专 业： 电子信息工程 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 智能家居灯光控制系统的设计与实现 摘要：随着信息技术的应用领域向着人类生活逐渐渗透，智能家居有着非常好的发展前景。智能灯光控制系统作为智能家居系统的一部分，也是依托家庭网络的一个智能系统。对于灯光控制系统的研究，将有助于推动整个智能家居系统的发展。本文利用MATLAB GUI设计了可视化的用户控制界面。采用典型的客户/服务器模型实现了网络通信。客户端利用MATLAB工具箱中的UDP工具创建了客户端，
2、实现了数据的接收和发送。在DSP的软件仿真环境CCS下实现了服务器端的socket编程，并将其编译后的.out文件下载到ICETEK-DM642-AVM评估板上，利用其上的四个用户指示灯显示从服务器端接收到得数据，达到了模拟家庭中灯具的运行模式的效果。 关键词：智能家居灯光控制；图形用户界面；用户数据报协议；DSP的软件仿真环境；网络通信Smart Home Lighting Control System Design and ImplementationAbstract: With the application of information technology gradually pen
3、etrate towards human life, Smart Home has a very good development prospects.Intelligent lighting control systems as part of the smart home, is relying on an intelligent home network system.The lighting control system, will help promote the development of the smart home system. In this paper,MATLAB G
4、UI design a visual user control interface. A typical client/server model to achieve a network communication. The client-side is using MATLAB toolbox tool to create a UDP client to receive and transmit the data.DSP software simulation environment CCS is used to achieve a server-side socket programmin
5、g.After it is complied,the .out file is available. Download the .out file to the ICETEK-DM642-AVM evaluation board,the four users light will show the received data to simulation the operating mode of the family lighting effects.Keywords: Smart Home Lighting Control System; GUI; UDP;CCS; network comm
6、unication引言一、选题的目的和现实意义近年来，随着国民经济和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、网络技术、通信技术、控制技术的迅速发展，促使了社会信息化的加速，使人们的工作生活和通讯的关系日益紧密。信息化的社会在改变人们工作习惯与生活方式的同时，对传统住宅的自动化，信息化，环境舒适化、安全化提出了挑战。信息化影响了人们生活的各个方面，改变了人们的生活习惯，提高了人们的生活质量，家居智能化也正是在这种形势下应运而生。智能家居系统是利用先进的计算机、嵌入式系统和网络通讯技术，将家庭中的各种设备（如照明系统、安防系统、网络家电）通过家庭网络连接到一起。一方面，智能家居让用户有更方便的手段来
7、管理家庭设备；另一方面，智能家居内的各种设备相互间可以通讯，不需要用户控制也能根据不同的状态互动运行，它对改善现代人类的生活质量，创造舒适、安全、便利的生活空间有着非常重要的意义。智能家居的开发与建设是21世纪科技发展的必然趋势。在照明领域，人们已经不满足于单纯地提供亮度这一功能，而是面向系统控制方式的灵活和视觉上的艺术美感发展，智能照明系统就是在这样的背景下产生的。传统的控制方式能量流和信息流合一，控制简单、有效、直观，但其一旦布线完成后系统就不能再改动。相比之下，智能家居系统拥有安全、方便、高效、快捷、智能化和个性化的独特魅力，因此具有非常广阔的市场前景，相信具有在不久的将来就会在普通家庭
8、中普及。照明灯光是生活中不可缺少的部分。那么智能照明控制系统也就是智能家居系统中不可缺少的一部分，对其的研究有很大的社会价值。以下是智能照明系统的特点：(1) 创造有效率的照明环境、实现节约能源的功能。借助各种不同的预设置控制方式，对不同时间不同环境进行精确设置和合理管理，充分利用自然光，自动调节照度，只有在必要时才把灯点亮或者点到要求的照度，利用最少的能源保证所要求的照度水平，节能效果十分明显。(2) 延长光源寿命。系统具有软启动和软关断技术，避免了开启灯具时电流对灯丝的热冲击，使得灯具寿命延长。(3) 提高照明质量。系统会按照预先设置的标准亮度使照明区域保持恒定的照度，而不受灯具效率降低和
9、墙面反射衰减的影响。(4) 以人为本的科学化照明。以人的行为、视觉功效、视觉生理心理研究为基础，开发更具有科学含量的、以人为本的高效、舒适、健康的智能化照明。进一步地满足不同个体、不同层次群体的照明要求，是使照明从满足一般人的需求到满足个体、个性需求的必不可少的技术手段。二、选题的国内外研究现状智能照明系统一般由传感器（如光线感应器、面板开关等）、执行器（如调光电子镇流器）、网络通讯单元（路由器、中继站等）以及辅助单元（如电源，导轨）等组成，遵循统一的网络协议，借助各种不同的“预设置”控制方式和控制元件，对不同时间不同环境的光亮度进行精确设置和合理管理。此外智能照明系统中还可对荧光灯进行调光控
10、制，由于荧光灯采用了有源滤波技术的可调光电子镇流器，降低了谐波的含量，提高了功率因数，降低了低压无功损耗。现代意义上的智能照明网络是从舞台灯光控制系统发展起来的：1986年美国影视剧场技术协会（USITT）的工程委员会开始制定控制灯光设备和附件的数字式传输协议DMX512协议，1990年发布正式文本。现在调光网络领域中影响较大的CAN协议和ART-net协议都是在此基础上发展而来的。随着楼宇自动化和办公自动化的兴起，智能照明控制系统的应用从剧场的舞台灯光逐渐转向各种建筑物的照明。照明控制技术方式已由集中控制方式转变到集散控制和分布式控制。特别是分布式控制的出现，使照明控制方式达到了比较完善的应
11、用。与此同时，面向建筑物照明的网络协议也纷纷涌现，并各有特色。根据协议的开发背景和功能特点大致这些协议可分为以下几类：一类是著名的灯光设备制造厂商单独开发的，如澳大利亚Clipsal的C-Bus协议和Dynalite公司的Dynet协议，美国路创的LUTRON灯光控制技术等；另一类是某一领域的厂商联合起来，针对专门调光系统制定的协议，如DALI协议；还有一类是智能家居协议中的灯光控制部分，如EIB和X-10系统的灯光控制子系统等。三、选题的研究方法本文将要论述的灯光远程控制是指在网络上由一部终端（主控端Remote/客户端）远距离去控制另一台DSP为核心的服务器（被控端Host/服务器端）的技
12、术，这样便于利用DSP的高速运算能力实现对数据的实时采集和处理，从而实现智能家居系统的功能设计。远程控制必须通过网络才能进行。目前TCP/IP协议应用范围最广，所以在本设计将TCP/IP协议移植到DSP上，以其作为服务器端。这样可以通过互联网访问DSP,充分利用DSP强大的数据处理能力和极高的运行速度来实时处理数据，从而实现对智能家居系统的控制。UDP（用户数据报协议）是一种面向无连接的不可靠的协议，UDP报头中包含校验和，能够用来检测和丢弃包含无码的包。它适合进行实时通信，因此本文采用UDP来传输数据。设计采用经典的客户/服务器(C/S)模式来达到数据交互的目的。在具体实现时客户端利用MAT
13、LAB做出GUI作为控制界面并创建UDP对象，而在服务器端（以DSP为核心）采用TI NDK下的Socket编程来实现。最终的实验可以通过MATLAB开发出的GUI在局域网内以远程访问的方式来控制DSP，模拟控制家居中灯具的运行模式，设计达到了预期的效果。四、论文结构引言对选题的目的、现实意义、国内外研究状况、研究方法和论文结构进行了阐述。第一章简要介绍开发系统所使用的软硬件环境。第二章介绍了灯光控制系统客户端的设计及调试。介绍了客户端的GUI程序设计以及将其转换为可执行文件的步骤。第三章介绍了系统的网络通信。分别介绍了远程通信控制系统的客户端和服务器端的设计。第四章总结本文的研究工作，并提出
14、了下一步的研究方向。第1章 开发系统简介1.1 MATLAB环境简介在科学研究和工程应用中，往往要进行大量的数学计算，其中包括矩阵运算。这些运算一般来说难以用手工精确和快捷地进行，而要借助计算机编制相应的程序做近似计算。目前流行用Basic、Fortran和C语言编制计算程序, 既需要对有关算法有深刻的了解，还需要熟练地掌握所用语言的语法及编程技巧。对多数科学工作者而言，同时具备这两方面技能有一定困难。通常，编制程序也是繁杂的，不仅消耗人力与物力,而且影响工作进程和效率。为克服上述困难，美国Mathwork公司于1967年推出了“Matrix Laboratory”（缩写为Matlab）软件包
15、，并不断更新和扩充。目前的版本（windows环境）是一种功能强、效率高便于进行科学和工程计算的交互式软件包。其中包括：一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建模、系统控制和优化等应用程序，并集应用程序和图形在一个便于使用的集成环境中。在此环境下所解决问题的Matlab语言表述形式和其数学表达形式相同，不需要按传统的方法编程。Matlab大大降低了对使用者的数学基础和计算机语言知识的要求，而且编程效率和计算效率极高，还可在计算机上直接输出结果和精美的图形拷贝。综上所述，Matlab语言有如下特点：(1)编程效率高它是一种面向科学与工程计算的高级语言，允许用数学形式的语言编写程序且比Basic、
16、Fortran和C等语言更加接近我们书写计算公式的思维方式，用Matlab编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题。因此，Matlab语言也可通俗地称为演算纸式科学算法语言。由于它编写简单，所以编程效率高，易学且易懂。(2) 用户使用方便Matlab语言是一种解释执行的语言（在没被专门的工具编译之前），它灵活、方便，其调试程序的手段丰富，调试速度快，需要学习的时间短。人们用任何一种语言编写程序和调试程序一般都要经过四个步骤：编辑、编译、连接以及执行和调试。各个步骤之间是顺序关系，编程的过程就是在它们之间作瀑布型的循环。Matlab语言与其它语言相比，较好地解决了上述问题，把编辑、编译、链接和
17、执行融为一体。它能在同一画面上进行灵活操作，快速排除输入程序中的书写错误、语法错误甚至语意错误，从而加快了用户编写、修改和调试程序的速度。具体地说，Matlab运行时，如直接在命令行输入Matlab语句（命令），包括调用M文件的语句，每输入一条语句，就立即对其进行处理，完成编译、链接和运行的全过程。(3) 扩充能力强 高版本的Matlab语言有丰富的库函数，在进行复杂的数学运算时可以直接调用，而且Matlab的库函数同用户文件在形成上一样，所以用户文件也可作为Matlab的库函数来调用。因而，用户可以根据自己的需要方便地建立和扩充新的库函数，以便提高Matlab使用效率和扩充它的功能。(4)
18、语句简单，内涵丰富Mat1ab语言中最基本最重要的成分是函数，其一般形式为a，b，c = fun(d，e，f，)，即一个函数由函数名，输入变量d，e，f,和输出变量a，b，c组成。同一函数名F，不同数目的输入变量（包括无输入变量）及不同数目的输出变量，代表着不同的含义。这不仅使Matlab的库函数功能更丰富，而且大大减少了需要的磁盘空间，使得Matlab编写的M文件简单、短小而高效。(5) 高效方便的矩阵和数组运算Matlab语言象Basic、Fortran和C语言一样规定了矩阵的算术运算符、关系运算符、逻辑运算符、条件运算符及赋值运算符，而且这些运算符大部分可以毫无改变地照搬到数组间的运算，
19、有些如算术运算符只要增加“”就可用于数组间的运算。另外，它不需定义数组的维数，还给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的问题时，显得大为简捷、高效、方便。在此基础上，高版本的Matlab已逐步扩展到科学及工程计算的其它领域。因此，不久的将来它一定能名符其实地成为“万能演算纸式的”科学算法语言。(6) 方便的绘图功能Matlab的绘图是十分方便的，它有一系列绘图函数（命令），例如线性坐标、对数坐标，半对数坐标及极坐标，均只需调用不同的绘图函数（命令）。在图上标出图题、XY轴标注，格（栅）绘制也只需调用相应的命令，简单易行。另外,在调用绘图函数
20、时调整自变量可绘出不变颜色的点、线、复线或多重线。1.2 TMS320C6000软件开发环境Code Composer Studio (CCS)是德州仪器(TI)eXpressDSP软件与开发工具的核心。它提供了配置、建立、调试、跟踪和分析程序的工具。CCS有两种工作模式，即软件仿真器模式：可以脱离DSP芯片，在PC机上模拟DSP的指令集和工作机制，主要用于前期算法实现和调试。硬件在线编程模式：可以实时运行在DSP芯片上,与硬件开发板相结合在线编程和调试应用程序。CCS的开发系统主要由以下组件构成： (1) TMS320C64x集成代码产生工具； (2) CCS集成开发环境； (3) DSP/
21、BIOS实时内核插件及其应用程序接口API； (4) 实时数据交换的RTDX插件以及相应的程序接口API； (5) 由TI公司以外的第三方提供的各种应用模块插件。 CCS的功能十分强大，它集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能，而且支持C/C+和汇编的混合编程，其主要功能如下： (1) 具有集成可视化代码编辑界面，用户可通过其界面直接编写C、汇编、.cmd文件等； (2) 含有集成代码生成工具，包括汇编器、优化C编译器、链接器等，将代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能集成到一个软件环境中； (3) 高性能编辑器支持汇编文件的动态语法加亮显示，使用户很容易阅读代码，发现语法错误； (4)
22、 工程项目管理工具可对用户程序实行项目管理。在生成目标程序和程序库的过程中，建立不同程序的跟踪信息，通过跟踪信息对不同的程序进行分类管理； (5) 基本调试工具具有装入执行代码、查看寄存器、存储器、反汇编、变量窗口等功能，并支持C源代码级调试； (6) 断点工具，能在调试程序的过程中，完成硬件断点、软件断点和条件断点的设置； (7) 探测点工具，可用于算法的仿真，数据的实时监视等； (8) 分析工具，包括模拟器和仿真器分析，可用于模拟和监视硬件的功能、评价代码执行的时钟； (9) 数据的图形显示工具，可以将运算结果用图形显示,包括显示时域/频域波形、眼图、星座图、图像等，并能进行自动刷新； (
23、10) 提供GEL工具。利用GEL扩展语言，用户可以编写自己的控制面板/菜单，设置GEL菜单选项，方便直观地修改变量，配置参数等；1.3 ICETEK-DM642-AVM评估板简介ICETEK-DM642-AVM评估板是一个低功耗独立的开发平台，使用户可以对TI的C64xDSP系列芯片进行评测和开发应用。ICETEK-DM642-AVM评估板还可以作为为TMS320DM642DSP芯片设计的硬件参考板。它包括完备的板上设备，适合各种应用环境，特别适合于视频处理与自动化控制结合的应用场合。ICETEK-DM642-AVM评估板上的DSP芯片通过64bit的EMIF接口或8/16bit的3路视频接
24、口连接板上的外围设备。SDRAM、Flash和UART每一个设备占用其中一个接口。EMIF接口也连接扩展背板接口，扩展背板接口用来连接背板。评估板上的AIC23B多媒体编解码器允许DSP进行模拟音频信号的输出和接收。总线用来控制编解码器端口，McASP接口被用来控制数据。模拟信号通过3个3.5mm的音频插座进行输入输出，其相应的分别是（从上到下）直接输出（line output）、直接输入（line input）和麦克风输入（microphone input）。编解码器可以选择麦克风输入或直接输入作为主动输入，模拟输出被指定为直接输出接口。McASP接口可以通过软件重新设定成为一个扩展接口。评
25、估板上包括四个用户指示灯，用户可以利用这些指示灯进行交互式的反馈实验。这些指示灯是通过读写CPLD寄存器(0x90080010)来进行控制的。本设计就是利用这四个用户指示灯模拟家用灯具的运行模式。第2章 灯光控制系统客户端功能设计及调试2.1 智能灯光系统2.1.1 智能灯光系统的功能这里简单地介绍一些智能灯光系统常用的功能，因为这种照明系统是可以自由设置的，所以人们可以根据个人的需要，赋予它更多的功能。(1) 集中控制和多点操作功能：在任何一个地方的终端均可控制不同地方的灯，或者是在不同地方的终端可以控制同一盏灯。通过使用各种方式管理灯光控制系统，如触摸屏、网络、PDA、电话，让用户在任意时
26、候，任意地点都可以控制自己的房间中的设备。 (2) 软启功能：开灯时，灯光由暗渐渐变亮。关灯时，灯光由亮渐渐变暗，避免亮度的突然变化刺激人眼，给人眼一个缓冲，保护眼睛。而且避免大电流和高温的突变对灯丝的冲击，保护灯泡，延长使用寿命。 (3) 灯光明暗调节功能：无论您是在会客、看电视、听音乐、或与家人在一起、或独自思考、甚至在品尝威士忌时，调节不同灯光的亮度，更能为您创造舒适、宁静、和谐、温馨的气氛。更深的体会生活，柔和的光线能给您一个好心情，少而暗的光帮助您思考，多而亮的光使气氛更加热烈。而这些操作是非常方便的，可以按住本地开关来进行光的调亮和调暗，也可以利用集中控制器或者是遥控器，只需要按键
27、，就可以调节光的明暗亮度。 (4) 全开全关和记忆功能：整个照明系统的灯可以实现一键全开和一键全关的功能。当主人在入睡或者是离家之前，可以按一下全关按钮，全部的照明设备将全部关闭。免除了跑遍全部房间的烦恼。 (5) 定时控制功能：通过日程管理模块，可以对灯光的定时开闭进行定义。例如，在每天早晨7:00，将卧室的灯光缓缓开启到一个合适亮度；在深夜，自动关闭全部的灯光照明。 (6) 场景设置：对于固定模式的场景，无需逐一地开关灯和调光，只进行一次编程，就可以按一个键控制一组灯，这就是场景设置功能。只需一次轻触操作即可实现多路灯光场景的转换；还可以得到想要的灯光和电器的组合场景，如回家模式、离家模式
28、、会客模式、就餐模式、影院模式、夜起模式等。 (7) 照明系统还有停电自锁的功能：即当家里停电了，来电以后所有的灯将保持熄灭状态。智能照明系统还能够和安防系统连动，当有警情发生的时候，家里阳台上的灯会不停的闪烁报警。2.1.2 灯光控制系统设计科学地设计家庭照明系统，家庭一般分为客厅，卧室，餐厅，厨房，书房，卫生间等。由于它们在家庭当中不同的作用，可以有区别的来设计各个部分的灯光照明。 (1) 客厅是会客的区域，也是一个家庭集中活动的场所。一般配有吊灯、射灯、壁灯、筒灯等，可以用不同的灯光相互搭配产生不同的照明效果。如休闲、娱乐、电视、会客等场景模式供随时选用。例如：设定会客场景为吊灯亮80%
29、、壁灯亮60%、筒灯亮80%；看电视场景为吊灯亮20%、壁灯亮40%、筒灯亮10%。因为采用了调光控制，灯光的照度可以有一个渐变的过程，通过遥控器或通过面板的现场控制，可以随心所欲地变换场景，给主人营造一种温馨、浪谩、幽雅的灯光环境。 (2)餐厅采用场景控制设定各种照明模式，可设为中餐、西餐等多种灯光场景，给家人营造种温馨、浪漫、高雅的就餐灯光环境。照明要综合考虑，一般只要中等的亮度就够了，但桌面上的亮度应适当提高。 (3)卧室是主人体息的地方，需要控制中央的吊灯，床头的射灯、壁灯以及四周的筒灯，营造一个宁静、温和、安样的休息场所。同时也要满足主人整理、阅读、看电视、休息等不同亮度要求。要根据
30、不同要求，调节出适合身心、能减少疲劳的灯光亮度。 (4) 厨房要有足够的亮度，而且宜设置局部照明。 (5) 卫生间要求一般，而如果有特殊要求，如化妆等就要有足够的亮度了，并且应配置局部照明。 (6) 书房则以功能性为主要考虑，为了减轻长时间阅读所造成的眼睛疲劳，应考虑色温较接近早晨太阳光和不闪的照明。智能照明系统利用遥控器或可视控制界面，可以随心所欲地调节每组灯的亮度和开关。实用性和舒适度是家庭灯光照明的两大设计原则。另外个人风格也相当重要，只有这样才能设计出既实用又舒适的家庭生活环境。总而言之，照明系统是生活中最为常用，最为基础的系统。它的智能化无疑会给人们的生活带来深刻的影响。它不仅大大方
31、便了人们的生活，也许它还会从一定程度上改变人们的生活方式，从而提高生活质量。 根据ICETEK-DM642-AVM评估板提供的资源，模拟实际用户家庭的使用情况，设计了如表2-1、表2-2所示的一组灯光控制系统。用ICETEK-DM642-AVM评估板上的四个LED灯模拟灯具的各种状态。设计了客厅和卧室两个房间。客厅和卧室中分别有三盏灯：吊灯、筒灯、台灯。表2-1客厅灯光模式设置（自动模式下可任意控制三种灯的开关）状态1234567891011模式开吊灯开筒灯开台灯关吊灯关筒灯关台灯全开全关回家模式影院模式阅读模式表2-2卧室灯光模式设置（自动模式下可任意控制三种灯的开关）12131415开吊灯关吊灯全开全关2.2 客户端GUI程序设计2.2.1 图形用户界面概述图形用户界面GUI（Graphics User Interface）是由各种图形对象（如图形窗口、图轴、菜单、按钮、文本框等）构建的用户界面，是人机交流信息的工具和方法，在该界面内，用户可以根据界面提示完成整个工程，而不必去了解工程内部是如何工作的。MATLAB可视化界面的设计一般有两种方法：一是直接通过编写M脚本文件产生GUI，二是通过MATLAB图形用户界面开发环境GUIDE(Graphical User Interface Development Environment)来形成相应文件。GUIDE将用户保存设计好的
