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1、精选优质文档-倾情为你奉上基于物联网的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1 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平台，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，是楼宇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，但科技日新月异的同时，人们对于家居照明控制系统的功能需求也是与日俱增，包括现场环境采集（光照度、温度等
2、）、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、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，势在必行。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间和应用前景。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
3、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220亿度，减排二氧化碳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是一种光效高，耗能少，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时间给最需要
4、的地方以最舒适和最高效的照明度，在提升照明质量同时，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、智能建筑、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联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
5、明系统与传统照明系统都具备照明、开关、调光等基本功能，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，传感网络数据透传，遥控器准确控制，
6、上位机集中管理”的设计目标，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。2 智能照明技术研究现状随着计算机通信技术、自动控制技术、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，作为其重要子系统之一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
7、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之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日益复杂，仅靠传统照明的开关控制己经无法满足用户的品质需求。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
8、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，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宇自控（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
9、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果。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制系统的主流协议。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大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I-bus、美国路创LUTRON、日本ECHONET和HomeBus家庭总线等。典型照明协议
10、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，遵守标准CSMAICD。C-Bus系统的所有通信模块都挂载在两根总线(UTPS双绞线)上并连通C-Bus控制网络，总线不仅提供36V直流电源，还加载了C-Bus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，占据欧洲智能楼宇建筑、家庭自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
11、，任何单元模块损坏均不影响照明系统的整体运行，藕合性极低，安全可靠。EIB系统还提供Windows软件平台，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和探索中，如雨后春笋般迅猛发展，进一步加快了国内智能照明行业的普及与推广，如天津瑞朗、广州百分百照明、上海索博、青岛Haier等。目前，智能照明系统从控制方式分类主要有总线型、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自动组网、近
12、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、LJWB、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究的新热点。楼宇建筑、家庭自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，改善照明舒适性，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平台化管理水平，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。3 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
13、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，自动平滑地调节电路的电压和电流幅度，改善照明电路中不平衡负荷所带来的额外功耗，提高功率因素，降低灯具和线路的工作温度，达到优化供电目的照明控制系统。因此智能照明系统有如下特点：1系统可控制任意回路连续调光或开关。2场景控制：可预先设置多个不同场景，在场景切换时淡入、淡出。3可接入各种传感器对灯光进行自动控制。4移动传感器：对人体红外线检测达到对灯光的控制；如人来灯亮，人走灯灭（暗）。5光亮照度传感器：对某些场合可根据室外光线的强弱调整室内光线，如学校教室的恒照度控制。6时间控制：某些场合可以随上下班时间调整亮度。7红外遥控：可用手
14、持红外遥控器对灯光进行控制。8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宇智能控制系统联网。9. 可由声、光、热、人及动物的移动检测达到对灯光的控制。3.2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，可减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%。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，同时还将有效地延长灯具寿命和减少维护成本。1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
15、多路照明回路，对每一回路亮度调整后达到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。时钟控制，利用时钟控制器，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。2美化环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。3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系列智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510倍的
16、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24倍，可节省大量灯泡，减少更换灯泡的工作量。4节约能源采用亮度传感器，自动调节灯光强弱，达到节能效果。 采用移动传感器，当人进入传感器感应区域后渐升光，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。5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
17、教室，要求靠窗与靠墙光强度其本相同，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。6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、修改场景；当有紧急情况时控制整个系统及发出故障报告。 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
18、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、场景控制面板、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。4 zigbee无线传感网络研究现状(刘阳)无线传感网络WSN (Wireless Sensor Network)是由大规模、自组织、多跳、动态性的传感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环境目标参数（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，
19、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。4.1关于无线传感网WSN起源于上世纪70-80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 and Control System）等。军事领域的诸多项目推动了无线传感网络在操作系统、采集感知、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、
20、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、环境监钡、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。4.2短距离无线通信技术性能比较无线通信(Wireless Communication)是利用空间中的电磁波信号实现数据信息、的交互方式，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
21、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。表1 短距离无线通信技术比较性能参数802.11b（WiFi）BluetoothUWBZigbee网络节点3071065535通信距离（m）10-100101075-3000传输速率11Mbps100Mbps20/40/250Kbps工作频段2.4GHz2.4GHz1GHz2.4GHz抗干扰性较强弱较强强系统开销高较高低极低功率1W1-100W1W1uW-1mW4.3 zigbee的应用前景2003年，无线传感网络相继被美国杂志技术评论、商业周刊等评选为未来十大新兴技术之首，被公认是继互联网
22、之后的第二大网络，给信息感知和采集带来了一场空前革命与潮流趋势。ZigBee凭借自身具备近距离、自组织、低速率、低成本、低功耗等独特优势，必将成为无线传感器网络的最佳选择之一。ZigBee无线传感网络技术优势：1. 低速率、自由频段：三个ISM可选工作频段，欧洲采用868MHz频段，速率20kbps,美国选用915MHz频段，速率40kbps,而我国选用2.4GHz频段，速率250kbps，全球通用、免付费、无需申请。2. 网络节点无限扩展:网络层分配地址采用分布式寻址方案，一种64位MAC长地址，由IEEE分配，全球唯一，最多可以容纳65535个节点；另一种是16位网络短地址，由父节点分配，
23、当前网络中唯一，最多可容纳255个节点。3. 短距离、覆盖面广：RF收发天线可采用单端非平衡倒F型PCB天线，室内有障碍空间端到端的通信距离约为30m，若附加PA模块可增加至1-3km，且满足多节点自组网实现数据多跳传输，满足收发距离要求。4. 低功耗：收发模式均为mW级别，非工作时间为超低功耗休眠模式，普通5号电池的连续续航能力约1年半到两年，其他无线通信技术望尘莫及。5. 安全可靠:采用冲突避免载波多路侦听技术（CSMA-CA）避开数据传输的竞争与冲突；模块采用自组网、动态路由的通信方式，保证了数据传输的可靠性；采用全球唯一的64位身份识别，并支持AES-128加密，具有高保密性。6. 时
24、延短:休眠激活时延仅为15ms，设备搜索时延仅为30ms，信道接入时延仅为15ms，保证了数据传输的正确性，进一步降低了设备模块的功耗。ZigBee无线传感网络的显著优势使它在工业自动化、远程控制等拥有大量终端节点的设备网络中得到广泛应用，在其他相关领域也得到辐射与普及，例如智能建筑、家庭自动化、社区安防、环境检测、煤气水电抄表等现代化领域。4.4 zigbee节点类型及网络拓扑方案1.节点类型在ZigBee无线传感网络中存在两种物理设备类型:全功能设备(Full Function Device，FFD)和精简功能设备(Reduced Function Device，RFD)，两者相辅相成，紧
25、密配合，共同完成无线传感网络的通信。全功能设备FFD具备的功能特性完整、齐全，支持ZigBee协议标准规范的所有性能特征。FFD可作为协调器节点或路由器节点模块使用，具备控制器的存储、计算能力，实现数据发送、数据接收和路由选择等功能，与任何其他设备节点进行双向无线通信，所以FFD将消耗更多的能量和内存资源。精简功能设备RFD功能精简，只具备局部特性。RFD只能作为终端设备节点模块使用，只负责终端的数据采集并将其转发至上级FFD节点，只能与FFD节点完成通信，禁止与RFD节点通信，内存资源要求不高。图1 Zigbee网络节点类型ZigBee节点模块按组网功能可分为Coordinator, Rou
26、ter和End-Device。ZigBee网络由一个Coordinator以及若千Router和End-Device组成，如图1所示。协调器节点(ZigBee Coordinator, ZC)包含ZigBee网络的所有数据信息，存储容量大，数据处理能力最强;整个网络中具有中唯一性，且必须为全功能设备FFD，负责节点上电、网络启动与配置，选择网络标示符(PANID)和通信信道(Channel)，建立ZigBee网络，等待新节点入网，并分配16位短地址。路由器节点(ZigBee Router, ZR)必须是全功能设备FFD，成功入网后，获取16位网络短地址:负责路由发现与选择、路由建立与维护，并允
27、许其他设备节点的入网或离网，可作为远距离通信的数据中转站，实现数据的多跳透传。终端设备节点(ZigBee End-Device, ZE)为精简功能设备RFD或全功能设备FFD，无路由功能，只能加入或离开ZigB ee网络，只能与上级父节点实现双向通信，获取或转发相关信息，常处于有睡眠或激活工作模式，超低功耗。2.网络拓扑ZigBee无线传感网络支持多种网络拓扑结构如图2所示，包括星形(Star)、树状(Cluster Tree)、网状(Mesh)，有且仅有一个全功能设备FFD作为协调器节点，路由节点和终端设备节点的数量若干，由用户自我配置。图2 Zigbee网络拓扑结构星形拓扑结构由中心向四周
28、辐射，只包含唯一的Coordinator和若干End-Device。 Coordinator作为控制核心负责ZigBee网络的启动、配置与维护；End-Device负责数据采集。星型拓扑网络结构简单，无需执行大量上层协议与路由操作，便于管理，但要求所有End-Device必须在Coordinator通信半径之内，极大限制了网络覆盖面积，且路由路线单一，极易导致网络拥堵与数据包丢失。树状拓扑结构包含唯一的Coordinator和若干星形拓扑，是对星形拓扑的扩展与延伸，数据转发均通过树状路由完成;继承了星形拓扑的简单性、路由操作少、存储器要求不高等优势，同时又增强了数据多跳传输，避免了星形拓扑覆盖
29、面积不足的劣势。但树状拓扑仅依靠树状路由作为唯一骨干网络，也极易造成拥堵或瘫痪。为此，树状拓扑定期进入休眠模式，降低功耗，延缓拥堵。网状拓扑结构包含唯一的Coordinator以及若干Router和End-Device，是对树状拓扑的升级与完善，允许通信半径内的FFD设备两两任意通信，Router均具备“路由重选”功能，动态维护路由表，提高了网络的环境适应能力，缩短了平均时延，数据转发更加安全可靠，但必然将花费设备节点更多的内存资源。5 本课题研究的主要目的与内容(刘阳)5.1 本课题的主要目的在智能建筑、家庭自动化行业中，基于Zigbee无线传感网络的LED智能照明系统涉及计算机、移动通信、
30、半导体等多学科交叉融合，存在许多技术瓶颈，本课题主要针对其关键技术进行研究，包括Zigbee/Internet网关的研发、客户端人机界面的开发与优化以及对智能照明解决方案的优化与完善。5.2 本课题的主要内容针对ZigBee无线传感网络的LED智能照明控制系统的关键技术进行研究，包括硬件与软件两大部分，主要研究内容如下:1. 分析LED智能照明系统的设计要求，制定硬件和软件的总体方案。硬件以S3C2440芯片为核心完成ZigBee/Internet网关的设计；软件需完成ZigBee网络拓扑方案、路由算法方案与多任务调度方案的设计；2. 完成LED智能照明系统功能模块的原理图和PCB设计。Coo
31、rdinator完成数据处理、智能控制、上位机通信等任务；Router完成中转站数据透传并实时采集光照度、移动目标、温度等环境参数；3. 完成ZigBee网络分布式寻址的组网算法，调用API接口函数实现对Z-Stack协议栈的总体开发；4. 完成客户端APP的开发，对整个系统进行调试与实验测试。5.3智能照明系统总体方案5.3.1 智能照明系统设计要求1.硬件设计要求标准化、易扩展:参照ZigBee联盟规范设计智能照明系统中的开关模块、调光模块、传感器模块、RF射频模块和PCB天线，保证不同厂商之间的功能模块可以整体替换，系统完全兼容，扩展性好，降低LED智能照明系统整合难度。高效节能:一方面
32、要求LED照明灯具智能调光节能省电，减少电能消耗;另一方面要求ZigBee模块降低功耗，延长电池供电时间，延长无线传感网络寿命。可靠稳定：照明环境现场，难免不会受到外界信号干扰（WiFi、蓝牙、红外等），要求ZigBee模块的信噪比抗干扰能力突出，也要求无线发射和接收模块的通信距离满足室内无线传感网络组网条件，保证通信稳定。2.软件设计要求遵循协议规范：ZigBee模块的软件完全遵循ZigBee协议规范和模块化设计，具备良好系统兼容性;数据格式一致，提高传输质量和稳定性，减少时延。全自动组网:ZigBee无线传感网络实现全自动组网，组网灵活方便，具备自我修复能力；用户可以任意添加、删除ZigB
33、ee模块，所有模块均可设置为协调器、路由器或终端设备;模块合理布局，保证网络覆盖面积广，无通讯盲区。5.3.2智能照明系统总体方案ZigBee无线传感网络节点存在三种逻辑设备类型:Coordinator(协调器少，Router(路由器)和End-Device(终端设备)，选用2.4GHz的ISM频段，传输速率为250kb/s。LED智能照明系统总方案设计如图3所示，该系统采用ZigBee2007/PRO协议栈，增强了网络“自愈”能力。协调器上电后实现自动组网、地址分配、节点管理和上位机通信等，路由器或终端设备自由申请入网或离网。借助路由节点的数据中转站，ZigBee无线传感网络中的数据信息可以
34、实现动态路由的多跳传输。为了实现用户与LED智能照明系统进行人和界面交互式的集中管理，PC上位机作为服务器通过Zigbee/Wifi网关利用Internet连接至协调器，将传感网络实时采集的环境参数(光照度、移动目标、温度等)、LED工作状况、故障报警等数据信自、实时显示，方便用户一站式的集中管理。同时，用户可以使用移动终端APP通过Internet对Zigbee/Wifi网关进行连接控制LED的运行。图3 智能照明系统总体方案6 智能照明系统的详细设计(刘阳)6.1 智能照明Zigbee/Internet网关的硬件设计如上一节所述，智能家居网关需要内接智能家居内部网络，外接互联网网络，并提供
35、足够的存储空间，具备输入输出控制等功能，要实现这些功能所必需具备的硬件结构体系如图4所示。图4网关系统硬件结构网关硬件平台主要由卞处理器模块，Zigbee模块，以太网模块，FLASH，SDRAM, JTAG，电源模块和串口通信模块组成。其中，Zigbee模块用来创建智能家居内部网络；Wifi模块使网关接入因特网；FLASH模块掉电保存固件程序并为系统提供FLASH存储空间；串口模块用作系统辅助调试；JTAG模块用来下载程序以及在线调试。6.2 智能照明系统网关的软件设计在这里，我们选择宿主机软件开发使用的是Ubuntu v12. 04操作系统。它是一个启动速度超快、界而友好、安全性好的操作系统
36、，适用于电脑、服务器等，并目是可以永久免费使用的。由于宿主机和目标板都采用的是Linux操作系统，只是处理器的架构不同，因此这里采用交叉编译的方式。该网关的软件体系结构如图5所示，在该软件体系结构中为用户提供了嵌入式数据库和嵌入式服务器，实现了通过远程终端访问该网关从而控制LED照明的目的。图5 网关系统软件架构从图5可以看出整个软件系统的最底层是嵌入式Linux系统和硬件驱动，系统主要用到了串口驱动和网卡硬件驱动，通过这些驱动程序分别对相应的硬件进行操作。在Linux操作系统上层是对应的应用程序。而且在该系统中还移植了嵌入式数据库和嵌入式服务器，通过软件设计实现用户终端、服务器以及其他应用程
37、序之间的通信。6.3 研发过程中的主要工作1、电路板的设计和焊接2、电路板控制程序的编写3、嵌入式Linux操作系统内核源代码的修改和裁剪4、驱动程序的移植5、TCP/IP协议和zigbee协议的修改、裁剪和移植6、建立嵌入式服务器7、linux系统中应用软件的编写8、客户端软件程序的编写7市场分析(陈海龙)7.1 智能照明的意义1. 实现人性化、智能化的管理智能照明系统能实现人性化智能化的管理，可以使优质的用户体验与软硬件一体化的系统集成到一起。在硬件上，采用ZigBee无线技术，并结合GPRS(或3G/4G)技术，实现近距离ZigBee操作，远距离GPRS操控，远近结合的通信方法，可以身在
38、千里之外，犹若尽在咫尺之间。在软件上，高度集成于可扩展的功能，基本需求（灯具开关）、扩展需求(电流、电压、功率因素检测)、创新需求（单灯控制、多灯联动、调光）灵活组成。既满足照明需求，同时又能扩展更多的功能，带来更好的用户体验。2. 满足节能环保的需求智能照明控制系统，必须顺应时下的节能环保概念，因为照明一直是城市电力消耗的大户，如果再保证照明需求的前提下实现节能环保，是一个必须解决的问题。智能照明控制系统的出现则解决了这一难题。更多的城市采用更换节能灯具，希望能够解决这一难题，可是随着城市的大规模扩展，灯具也是越来越多，不能从根本上解决，但是采用智能控制系统则可以解决这一难题，在LED灯具上
39、实现二次节能，LED是支持可调光功能的，智能照明控制系统能够对灯具按照时段或者按照需求进行调光与控制，并且可以实现灯具的单灯控制与多灯控制，进一步节约能源。并且由于LED属于环保型产品，可以保证不污染环境。经过数据对比，使用智能照明控制系统可以大规模节约电力。3. 市场需求2013-2017年中国智能照明行业市场需求预测与投资战略规划分析报告数据指出，智能照明行业自上世纪90年代进入中国市场，受市场的消费意识、市场环境、产品价格、推广力度等各方面的影响，一直处于缓慢发展的态势。近些年，随着国民经济的快速发展，特别是地产行业的高歌猛进，国内智能照明行业迅速发展，各类智能照明产品纷纷面市，中国智能
40、照明市场规模从2005年的49亿元成长到2009年的137亿元人民币。前瞻网预测，中国高端智能照明市场5年内容量有望达到2000亿美元。过去三十年，全球形成了上万亿产值和150亿只左右的灯座存量市场；我国的照明行业总产值在2013年也达到了4800亿元左右。未来随着在整个照明行业中渗透率的提高，LED照明对传统照明的替换和智能控制周期来临，我国LED照明行业在未来几年仍将维持高速增长的状态。前瞻产业研究院发布的显示，我国LED照明高速发展期仍可持续三到五年。2013年我国照明行业总产值为4800亿元，其中包括350亿美元的出口规模和2000多亿元的国内市场。相对于2013年的2000亿元国内市
41、场，过去三十年形成的照明存量市场更大。2012年LED照明在照明行业中的渗透率为10%，2013年这个比例就上升至了17%；2014年更有望提升至40%左右。未来三到五年均是照明市场大规模替换周期，这主要是国家出台相应的节能政策引导所致。7.2智能照明行业政策环境分析中国智能照明行业的主要相关政策规划如下：中国智能照明行业主要相关政策规划列表政策规划名称内容概要中国照明行业“十二五”规划主要内容：为了实现照明行业的产业升级，加快我国由照明大国向照明强国迈进的步伐，经充分研究讨论，中国照明电器协会确定了“十二五”规划目标。同时，照明行业将进行相应的整合调整。政策影响：中国照明业“十二五”规划目标
42、的确定，对照明行业未来几年甚至更长一个时期的发展，尤其对照明企业的稳步发展具有重要的、不可或缺的把关定向的作用。半导体照明节能产业发展意见主要内容：为了解决产业发展中存在的问题，发挥我国的比较优势，该政策提出了七方面的政策措施。半导体照明科技发展“十二五”专项规划主要内容：对我国半导体照明行业“十二五”时期的发展目标做出了规定，并提出了基础研究、前沿技术研究以及应用技术等方面的重点任务。政策影响：该规划是政府针对半导体照明产业第一次提出如此具体全面的布局。这标志着中国半导体照明产业通过多年的多方面准备和积蓄，有望通过国家意志推动达成规划之目标，成为未来国民经济主导性产业之一，从而带动相关产业发
43、展，服务于国民经济总体发展方针。7.3智能照明行业技术环境分析1、行业专利申请数2000-2013年，我国智能照明行业共申请专利414件。其中2009-2013年行业专利申请量均在30件以上，2012年达到最多，为119件，说明我国智能照明行业技术水平发展日益加快。2000-2013年中国智能照明行业相关专利申请数量变化图（单位：件）2、行业专利公开数2000-2013年8月中国智能照明行业相关专利公开数量累计共414件。其中，2011年公开81件，2012年公开89件，2013年公开130件。2000-2013年中国智能照明行业相关专利公开数量变化图（单位：件）3、技术领先企业分析从我国智能
44、照明行业专利技术申请人构成来看，杭州鸿雁电器有限公司、普天智能照明研究院有限公司、合肥爱默尔电子科技有限公司申请的专利较多。中国智能照明行业主要专利申请人构成分析（单位：件、%）申请人专利件数活动年期发明人数平均专利年龄杭州鸿雁电器有限公司212181普天智能照明研究院有限公司202251合肥爱默尔电子科技有限公司20323杭州鸿雁东贝光电科技有限公司172151珠海格林赛威科技有限公司8112仰邦（江苏）光电实业有限公司8191广州市河东电子有限公司8113浙江大学73117宁波永和电子有限公司7030上海市电力公司722137.4智能照明行业发展状况分析中国智能照明发展驱动因素主要如下：中
45、国智能照明发展驱动因素简析驱动因素具体内容国家相关产业政策支持长期以来，智能照明领域一直是国家产业政策和能源政策鼓励发展的领域：2011年3月，国家发改委发布的产业结构调整指导目录（2011年本），将绿色照明产品及系统技术开发和应用、应急照明器材及灯具列入鼓励类目录；2012年2月，在十二五绿色照明节改示范工程宣布会上，中国环资工委宣布将在十二五期间部署80亿元中心财政估算外资金洽购400万盏LED高效途径照明产品；中国电子进出口总公司发布感应LED灯，对2012年财政补助推广LED照明产品进行海内公然招标。加上此前一系列的政策利好措施，LED照明行业迎来投资机遇，进而有望促进整个智能照明行业
46、的发展。扩大内需带来的发展机遇十二五期间，国家将坚持扩大内需的发展战略，保持经济平稳较快增长，将加大机场、铁路、公路、港口等基础设施建设力度，加强生态环境建设。同时，农村基础设施建设的将进一步推进，大功率高效照明和特种照明配套工程将是这些基础设施建设项目的重要配套工程。这些政策都为特殊环境照明行业提供了历史性发展机遇。7.5中国智能照明行业投资特性分析1.智能照明行业进入壁垒分析1.1、技术壁垒智能照明技术是融合了光学、电子、化工、材料、环境、职业健康、智能控制等多门学科的综合性技术。高端的智能照明企业主要生产高技术、高附加值、高光效的照明设备，技术、研发与测试设备前期投入大，对研发人员的技术
47、水平要求高，技术壁垒相对较高。1.2、营销网络壁垒智能照明设备的客户要求产品提供商能够针对具体的环境设计照明系统，快速响应客户需求，缩短客户因照明故障而停工的时间，减少客户生产经营损失。智能照明产品提供商只有凭借完善的营销网络，与客户建立长期合作关系，才能掌握客户的差异化需求，及时提供客户满意的产品和服务，巩固和扩大市场份额。完善的营销网络不能一蹴而就，需要产品提供商在长期经营过程中逐步积累和完善。因此，完善的营销网络成为进入智能照明行业的重要壁垒之一。1.3、产品质量壁垒智能照明设备的质量对客户的生产效率影响较大。产品质量不稳定或返修率高将对客户的安全生产造成较大不利影响。因此，完善的质量管理体系和供应链管理水平成为决定智能照明设备生产企业在行业内竞争地位的重要因素。只有具备完善、高效的全面质量管理体系和较高的供应链管理水平的企业才能适应激烈的市场竞争，占据较高的市场份额。1.4、产品差异化壁垒智能照明设备应用于易燃易爆、强振动、强冲击、强腐蚀、高低温、高压力、电磁干扰、宽电压输入、智能家居等环境，需要满足特种配光、信号、应急等特殊照明需求，同时也需要