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发布时间:2020-07-02 09:42


  基于物联网的LED智能照明系统设计文档及市场分析 基于物联网的LED 智能照明系统 刘阳陈海龙 2014/5/20 目录 3.1智能照明的特点 3.2应用场景 zigbee无线传感网络研究现状(刘阳) 4.1关于无线zigbee 的应用前景 4.4zigbee 节点类型及网络拓扑方案 105.1 本课题的主要目的 105.2 本课题的主要内容 105.3 智能照明系统总体方案 105.3.1 智能照明系统设计要求 115.3.2 智能照明系统总体方案 126.1 智能照明Zigbee/lnternet 网关的硕件设计................................... 12 6.2 智能照明系统网关的软件设计 136.3 研发过程中的主要工作 147.1 智能照明的意义 147.2 智能照明行业政策环境分析 157.3 智能照明行业技术环境分析 行业专利屮请数16 行业专利公开数16 技术领先企业分析17 7.4 智能照明行业发展状况分析 177.5 中国智能照明行业投资特性分析........................................... 18 智能照明行业盈利因素分析...........................................19 7.6 市场分析总结 课题背景伴随着移动互联网、半导体技术的快速发展以及现代人生活品质的提高,人们对家居 生活 的无线化、网络化、智能化、节能化的需求越来越强烈,将家用电器、照明灯具、安防 报警、家 庭影院等模块通过网络技术集成到控制帄台,实现智能控制和智能管理。智能照明 控制系统是家 庭自动化必不可少的子系统,是楼孙建筑控制系统的重要组成环节。在人们传 统意识中,照明系 统仅以照明为目的,但科技日新月界的同吋,人们对于家居照明控制系统 的功能需求也是与 tl 俱增,包括现场环境采集(光照度、温度等)、人体感应、智能调光调 色温、场景设置、无线遥 控、PC 人机界面等等。针对布线繁琐、abb智能照明模块盐城市扩展性差、人工管理、功 能单一、“长明灯”耗能严重 等诸多缺陷,传统照明控制系统已经无法满足现代人的家庭生 活与品质需求,在此背景下智能照 明控制系统应运而生,第在必行。LED 半导体节能光源与 无线传感网络的迅猛发展,给照明控制 系统的“网络化、智能化、节能化”家园构想带来了 广阔的发展空I可和应用前景。 舒适、便捷、高效、节能作为智能建筑、智能家居控制系统追求的终极目标,在智能 照明 子系统中尤为明显。近年来,由于我国能源效率低下,能源紧张问题日益突出,能源危 机逐渐上 升到国家的战略高度。目前,照明耗能约占总能耗的20%,若能以高效率的LED 智能照明系统取代 全国30%低效率、高耗电的传统照明系统,照明终端将节电220 排二氧化碳2420万吨。 因此,LED 智能照明技术对缓解当前紧迫的能源问题具有举足轻重 的作用,更突显出巨大经济社 会效益。 目前,国内外研发机构主要针对绿色环保、低碳节能的第四代新型光源LED 照明产品 进行 研究开发。相比白炽灯、荧光灯、节能灯等传统照明灯具,LED 对环境无污染,工作寿命长达10 万小时的新型照明技术。借助“低碳世博”的理念风潮, LED 智能照 明技术在上海世博会展区得到了大规模应用,世博会闭幕后仍有相当一部分得到 了进一步的普及 与推广。LED 智能照明技术实现了在最合适的吋间给最需要的地方以最舒适 和最高效的照明度, 在提升照明质量同吋,使智能家居照明进一步走向绿色环保和低碳节能 的发展方向。 LED 照明系统要实现智能化,必须首先实现其网络化。ZigBee 无线传感网络技术基于 IEEE802.15.4 协议标准,具有全自动组网、低功耗等诸多优势,在工业自动化控制、智能建 近距离、低速率、低成本、消费电子和自动抄表等领域都有着广泛的应用前景。同时,ZigBee 盟对于无线传感网络的智能照明控制领域定义了一套非常详尽的协议标准,促成世界范围内所有 生产商的照明系统设备可以实现自由扩展、互联互通,使基于ZigBee 无线传 感网络的LED 智能 照明系统便于扩展与推广,降低系统集成的成本。 智能照明系统与传统照明系统都具备照明、开关、调光等基木功能,传统照明常选用 现场 总线、电力载波等控制方式,均需要敲墙砸洞、综合布线,严重影响建筑美观,工作繁 琐且改装 费用昂贵;而智能照明以无线传感网络的智能控制为主,手动控制为辅,通常无需 人工参与即可 实现照明现场环境参数的采集与LED 的自适应动态调节。LED 智能照明控制系 统的核心即改善建 筑照明质量,满足人们多元化的用户体验。PC 上位机实时监控与显示环 境参数、异常报警,集 中控制管理克服了传统照明单一控制、管理落后和“长明灯”现象等 诸多缺陷。 本课题研究的基于ZigBee 无线传感网络的LED 智能照明系统实现了“传感器实时采集, 感网络数据透传,遥控器准确控制,上位机集中管理”的设计冃标,随着住户对照明品质的要求 越来越高,在智能建筑、智能家居行业极具市场竞争力,应用前景广阔。总而言之, LED 智能照 明控制系统是我们生活中最为常用,最为基础的系统之一。它的无线化、网络化、 智能化与绿色 节能无疑会给我们的社会与生活带来深远的影响。 智能照明技术研究现状随着计算机通信技术、白动控制技术、物联网技术、现场总线技术以及微电子技术的 相互 渗透,交叉融合,智能建筑、家庭自动化开始兴起,作为其重要子系统Z—的智能照明 也稳步向 前发展,步入了无线传感网络的智能化控制时代。智能照明系统最早可追溯到上世 纪70 年代, 主要分布在欧美、日本等极少数国家。当前盛行的智能照明控制系统的前身是 由舞台灯光控制系 统衍生改进而来:1986 年美国影视剧场技术协会(USITT)工程委员会着 手制定了控制舞台灯光 设备和附件的数字式传输标准一DMX512 协议,1990 年发布正式版本。 为了解决国际照明厂商的 网络化灯光设备Z 间能够互相嵌套与兼容,美国和欧洲分别提出了 两类区域范围内的灯光照明网 络协议标准,即CAN (Advanced Control Network)和Art-2Net 协议,两者也都从DMXS 12 协议 基础上借鉴和发展而来。 照明系统的应用环境与功能需求tl 益复杂,仅靠传统照明的开关控制己经无法满足用 品质需求。因此,市场化需求促使智能照明控制系统逐渐从舞台灯光控制向智能建筑、家庭自动 化和工业控制等领域衍生,开始涉足民用与工业照明,控制范围也从单一区域扩展 到多区域,tly智能照明模块价格甚 至是若干幢别墅大厦。当前,由于改造费用昂贵仍有大量老式建筑沿用传统照 明控制方式,少数 智能大厦虽采用楼孙白控(BA)系统来监控照明,但仅仅实现简单区域 照明和定时开关功能, 无法实现照明现场的环境采集、智能调光调色温、灯光情景模式、分 组群控等复杂功能。智能照 明系统可实现传感器实时采集现场环境参数(光照度、移动目标、 温度等);用户预先设置控制 模式(手控模式、自控模式)与情景模式(全开模式、全关模 式、分组群控模式、小夜灯模式、 智能调光、智能调色温等);MCU 根据照明场合不同、环 境变化、用户预定制等条件对数据信 息进行逻辑判断与智能分析,对指定分组LED 实现PWM 线性无极调光与调色温等动作;PC 上位 机进行实时监控、状态反馈与集中控制,达到预期 的智能控制效杲。 近二十多年,众多国际品牌的照明厂商陆续研发出功能齐全、种类繁多的智能照明控 统的主流协议。为了更进一步推广和普及智能照明控制系统,制定并遵循统一协议标准已成为各 人国际厂商们不谋而合的共识。目前,国际上占据主流地位与市场的智能照明总线 协议如下:欧 洲电气安装总线EIB,澳大利亚邦奇公司Dynality 和Clipsal 公司C-Bus, Philips 公司DALI、瑞士 ABB 公司lbus、美国路创LUTRON、日本ECHONET 和HomeBus 家庭总线等。 典型照明协议代表如澳大利亚奇胜公司C-Bus 是一个分布式、二线制、弱电控制的总 线型 控制系统,遵孚标准CSMAICDo C-Bus 系统的所有通信模块都挂载在两根总线(UTPS 上并连通C-Bus控制网络,总线V 直流电源,还加载了 CBus 照明控制信号, 可通过 专用软件对所有照明单元进行编程,实现相应的控制功能。欧洲电气安装总线EIB- European Installation Bus Association 是由110 多个欧洲电气制造商联合制订的总线协议规范, 占据欧洲智 能楼孙建筑、家庭白动化照明设备销售总额的80%。EIB 总线以单一多芯电缆替 代了传统分离的 控制和电源电缆,元器件均为模块化独立运行,任何单元模块损坏均不影响 照明系统的整体运行,应急照明模块的应用 藕合性极低,安全可靠。EIB 系统还提供Windows 软件帄台,将PC 上位机连接至EIB 接口即可实 现智能控制和集中管理。 21 世纪初期,国内照明厂商也开始将更多资金和精力集中在智能照明系统的深入研发 州百分百照明、上海索博、青岛Haier等。目前,智能照明系统从控制方式分类主 耍有总线型、 电力线载波型、无线传感网络等。总线型方案均采用综合布线的控制策略,布 线繁琐、施工困难; 单一部模块损坏可能影响系统的整体运转,扩展移动性差。而近十年, 无线传感网络技术凭借其 全口动组网、近距离、低速率、低成本、低功耗等独特优势发展极 为迅猛,ZigBee. WLAN、蓝牙、 UWB、RFID 等都取得了令人瞩目的市场推广与应用。从智 能照明发展趋势预测,无线传感网络 技术无疑将成为智能照明行业研允的新热点。 楼孙建筑、家庭口动化的照明控制系统实现智能化的主要目如下:一是实现智能控制, 善照明舒适性,提高照明质量,满足多功能照明效果与人们多元化的用户体验;二是提高照明系 统的集中控制和帄台化管理水帄,实现PC 上位机实时监控与信息反馈,降低照明系 统维护成本; 三是延长照明灯具寿命,节约电能,绿色环保、节能减排,减少照明系统的运 营成本。 智能照明技术的应用场景(陈海龙)3.1智能照明的特点 智能照明系统是利用先进电磁调压及电子感应技术,对供电进行实时监控与跟踪,自动 滑地调节电路的电压和电流幅度,改善照明电路中不帄衡负荷所带來的额外功耗,提高功率因素, 降低灯具和线路的工作温度,达到优化供电冃的照明控制系统。因此智能照明系统 有如下特点: 红外遥控:可用手持红外遥控器对灯光进行控制。&系统联网:可系统联网,利用上述控制手段进行综合控制或与楼孙智能控制系统联网。 9.可由 声、光、应急照明模块 电路图热、人及动物的移动检测达到对灯光的控制。 2应用场景智能照明控制系统在确保灯具能够正常工作条件下,给灯具输出一个最佳照明功率,可 少由于过压所造成的照明眩光,使灯光发出的光线更加柔和,照明分布更加均匀,又可大幅度节 省电能,智能照明控制系统节电率可达20%-40%o 智能照明控制系统它可在照明及混 合电路中使 用,适应性强,能在各种恶劣的电网环境和复杂的负载情况下连续稳定地工作, 同吋还将有效地 延长灯具寿命和减少维护成本。 照明的自动化控制系统最大的特点是场景控制,在同一室内可有多路照明回路,对每一回路亮度调整后达 某种灯光气氛称为场景;可预先设置不同的场景,切换场景时的淡入淡出时间,使灯光柔和变化。 吋钟控制,利用吋钟控制器,使灯光呈现按每天的日出日落或有时间规律的变化。 利用各种传感 器及遥控器达到对灯光的自动控制。 美化坏境室内照明利用场景变化增加环境艺术效果,产生立体感、层次感,营造出舒适的环境, 有利 人们的身心健康,提高工作效率。 延长灯具寿命影响灯具寿命的主要因素主要有过电压使用和冷态冲击,它们使灯具寿命大大降低。LT 系列 押能调光器具有输出限压保护功能:即当电网电压超过额定电压220V 后调光器自动调 节输出在 220V 以内。当灯泡冷态接电瞬间会产生额定电流5-10 倍的冲击电流,大大影 响灯具寿命。智能 调光控制系统采用缓开启及淡入淡出调光控制,可避免对灯具的冷态冲击, 延长灯具寿命。系统 可延长灯泡寿命2 节约能源采用亮度传感器,白动调节灯光强弱,达到节能效果。采用移动传感器,当人进入传 感应区域后渐升光,当人走出感应区域后灯光渐渐减低或熄灭,使一些走廊、楼道的”长明灯” 得到控制,达到节能的目的。例如:某饭店为了节电,将全部走廊灯换为5W节能 灯,以减少能 耗,但带来的问题是节能灯光照舒适度很差,照度降低,使饭店档次降低。建 议采用移动传感器 控制。 照度及照度的一致性采用照度传感器,可以达到室内的光线保持恒定。例如:在学校的教室,要求靠窗与靠 光强度其本相同,可在靠窗与靠墙处分别加装传感器,当室外光线强时系统会自动将靠窗的灯光 减弱或关闭及根据靠墙传感器调整靠墙的灯光亮度;当室外光线变弱时,传感器会根 据感应信号 调整灯的亮度到预先设置的光照度值。新灯具会随着使用时间发光效率逐渐降 低,新办公楼随着 使用时间墙面的反射率将衰减,这样新旧会产生照度的不一致性,通过智 能调光器系统的控制可 调节照度达到相对的稳定,且可节约能源。 综合控制可通过计算机网络对整个系统进行监控,例如了解当前各个照明回路的工作状态;设置、 改场景;当有紧急情况时控制整个系统及发岀故障报告。可通过网关接口及串行接口与大楼的 BA 系统或消防系统、保安系统等控制系统相连接LT-net 智能照明控制系统通常由调 光模块、开 关功率模块、场景控制血板、传感器及编程器、编程插口、PC 监控机等部件组 成,将上述各种 具备独立控制功能的模块连接在一根计算机数据线上,即可组成一个独立的 照明控制系统,实现 对灯光系统的各种智能化管理及自动控制。 zigbee无线传感网络研究现状(刘阳) 无线传感网络WSN (Wireless Sensor Network)是rfl 大规模、口组织、多跳、动态性的传 器节点所构成的无线网络。传感器节点实时监测、感知和采集当前区域内的坏境冃标参数(光照 度、移动人体、温度、湿度、烟雾、噪声以及毒气浓度等),并交由核心处理器进行 逻辑判断与 推智能分析,最终将分析结果进行存储、显示或传输,并转发终端设备控制指令。 1关于无线传感网WSN 起源于上世纪7080 年代,美国国防部高级研究计划局(DARPA)大力发展军事 领域中 低功耗、低成本、分布式的现代化无线传感网络技术,如早期著名的声音监测系统 (SOSUS, Sound Surveillance System )

  空中预警与控制系统(AWACS, Air-borne Warning ControlSystem)等。军 事领域的诸多项目推动了无线传感网络在操作系统、釆集感知、逻 辑判断、无线通信、容错性能 等技术瓶颈方面的突破,逐渐从军事向工业民用领域转型。21 世纪,电系统MEMS、片上系统SOC、 低功耗微电子和无线通信等技术决定了 WSN 的自组 织、低成本、低功耗等独特优势,在自然灾 害、环境监钗、现代农业、石油勘探、医疗护理、 智能交通等领域都有着广阔的应用前景,也推 动了家庭自动化的发展。 2短距离无线通信技术性能比较无线通信(Wireless Communication)是利用空间屮的电磁波信号实现数据信息、的交互方 按传输媒介分为光通信、微波通信、声波通信等;按频段分为卫星频段、ISM频带、陆地频段、 航空频带等;按协议标准分为ZigBee^ Wi-Fi. WLAN、Bluetooth. WiMAX、LTWB、 WUSB、GPRS 等。无线传感网络具体如何选择协议标准,需从应用场合、应用目的等多角 度考虑,综合比较 它们的性能、成本、功耗等各方面的优劣势。短距离无线通信技术性能比 较如表1 所示。 短距离无线通信技术比较性能参数 802.11b (WiFi) Bluetooth UWB Zigbee 网络节点 30 1065535 通信距离(m) 10-100 10

  100Mbps 20/40/250Kbps 工作频段 2.4GHz 2.4GHz 1GHz 2.4GHz 抗干扰性 较强 极低功率

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