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基于智能家居的LED互联照明

放大字体  缩小字体 照明中国网   发布日期:2014-09-12  来源:《照明》  作者:王晓东 史文辉 章玺  
1 概述
 
1.1 国外现状
 
2014年是智能家居快速发展期,究其原因主要和互联网巨头纷纷看好并积极进军该领域有关,最直接的导火索就是苹果公司欲进军智能家居这一市场。2014年6月,苹果在全球开发者大会(WWDC)上发布了其智能家居管理应用平台Homekit,苹果公司通过开发软件平台,以用户体验设计来说服硬件制造商们整合操作平台。
 
2014年1月,谷歌以32亿美元收购生产智能恒温器和烟雾报警系统的初创企业Nest Labs,率先点燃了智能家居这一概念;6月,已被谷歌收购的Nest Labs又以5.55亿美金收购家居安全监控摄像头初创企业Dropcam,外加此前谷歌已相继收购的8家机器人公司和1家人工智能算法公司Deepmind,谷歌已经做好了成为智能家居服务和平台提供商的准备。
 
微软同样在智能家居领域“嗅”到了机会,甚至把它视为“微软的未来”。然而,与谷歌、苹果不同的是,微软专注于为第三方的开发者提供硬件系统的运行环境、数据存储和计算平台,以此来进入智能家居市场。
 
与此同时,三星也在打造其Smart Home智能家居应用平台,旨在使用户通过该平台控制各种三星的一系列家居设备。索尼和LG等传统家电厂商也开始相继推出智能家居新品。
 
不过,比较起谷歌、三星等提前进入智能家居市场的科技巨头,业界对苹果的“进场”似乎更为期待。美国科技网站TechCrunch最新评论指出,苹果进入智能家居市场将极大提升消费者采用智能家居设备的速度。
 
1.2 国内现状
 
国外科技巨头对智能家居的发力同样激发了国内智能家居市场,无论是初创企业还是互联网巨头纷纷涉足智能家居行业。从开始智能硬件初创企业开头,之后互联网巨头接入,再到传统消费电商的跟进。这个形式在智能家居的体现十分明显。
 
另一个大趋势,做手机App或网络服务的细分IT领域公司开始涉足智能硬件,比较有代表性的是墨迹天气的空气果、世纪佳缘的情侣手环,还有滴滴正在开发的打车神器和高德也在秘密推进的车联网硬件产品。
 
软硬结合的智能硬件产品,从之前从硬到软的阶段,进入了从软到硬的阶段。过去完成了从PC互联网到移动互联网的过渡,现在互联网的发展趋势已经在朝物联网的方向上走,智能硬件就是其中及其重要的一个环节。
 
阿里巴巴、京东、小米、腾讯等国内著名的互联网公司都开始进军智能家居行业。
 
1.3 设计目标
 
智能家居系统包括了照明系统、安防系统、智能家电、环境监控等,而目前应用到智能家居的智能硬件品类众多,有路由器、插座、遥控器、空气检测仪、开关、摄像头、灯泡等,功能相对单一,同时对于用户来说增加了额外的设备。如何将众多的智能家居功能集成到某一个产品上,同时该产品又是家里面必须安装的呢?
 
答案就是LED灯具。首先灯具是家中必备的家用设备,而且每个房间都需要安装,不需要增加额外的布线和设备,与此同时,LED本身良好的可控性和可塑性,可充分发挥灯具和光效设计的自由度,在灯具之上赋予更多智能家居的功能,实现LED照明与智能家居系统之家互联。
 
2 方案设计
 
2.1 系统框架
 
基于智能家居系统的LED互联照明系统主要包括三大部分:LED智能灯具、APP软件以及云服务平台(见图1)。LED智能灯具是作为智能家居系统的控制中心,集成了家电控制、环境监测、灯光控制、安防监控等功能,解决智能家居终端的问题。APP软件作为用户与设置之间的交互媒介,通过人性化的UI设计来体现智能家居系统的用户需求。云服务平台是支持整个LED互联照明的系统的后台,通过强大的云计算能力,为用户提供设备的远程操控、查询业务、异常报警、信息服务、数据分析、互动分享等,云服务将作为未来智能家居的数据分析中心,为用户提供更加人性化、智能化的服务和体验。
 
2.2 系统优势
 
(1)家居控制中心:以LED灯具为载体,融合了智能家居系统的功能,解决了传统智能家居庞大的系统、复杂的安装使用过程,同时避免了智能硬件功能单一、需求不足的问题。
 
(2)低成本:相比动辄几万、几十万甚至上百万的智能家居系统相比,本方案通过几乎灯具的成本解决了智能家居的功能,降低了用户的采购成本,从而有利于智能家居的推广应用。
 
(3)免布线:智能家居系统的功能人人都想要,但是即使价格能承受,复杂的项目施工、调试以及维护过程,还是将大部分用户拒之门外。本方案将智能家居功能集成到家中必备的灯具上,免去了智能家居系统的安装过程,进一步降低了用户的使用成本。
 
(4)第三方平台接入:本系统通过APP连接云服务中心来实现对LED照明的远程操控,同时云服务中心支持与第三方云平台的互联,如可以通过微信公众号对LED照明的控制,进而实现用户与LED照明之间的交流和互动,提升用户的体验效果。
 
3 硬件设计
 
3.1 硬件框架
 
LED智能灯具主要包括以下几个部分(如图2所示):LED灯具、传感器检测电路、红外发送电路、安防监控、无线通信模组以及电源模块。
 
无线通信模块包括微处理中心和无线射频单元,主要负责本地LED照明、红外发送、传感器数据采集、安防监控采集以及与服务平台的无线连接。LED灯具包括LED光源和恒流驱动,光源采用冷暖两种色调,可实现亮度和色温的控制,以及根据传感器的数据进行自动调整。红外发送是现阶段实现家电控制统一控制的唯一手段,通过学习不同家电的红外遥控器,从而统一管理和控制家电,以及与传感器检测数据、灯光等形成联动控制。传感器主要包括温湿度、空气质量、有害气体等,利用这些传感器实时或定时检测家庭空气中的有害成分,及时提醒家人采取相应措施或者通过联动的家电设备实现自动空气净化。安防监控主要是检测人体的移动,以及布撤防状态下通过后台服务推送报警信息给用户。
 
3.2 关键设计
 
3.2.1 无线通信模组(见图3)
 
EMW3162是上海庆科信息技术有限公司于2013年最新推出的面向嵌入式应用的超低功耗,低成本Wi-Fi无线网络模块。它融合了业界最新的Wi-Fi技术和微控制器技术,支持IEEE 802.11 b/g/n无线通讯和多种节能模式,广泛地运用于各种新型智能化电子产品。
 
EMW3162内置了主频高达120MHz的Cortex-M3微控制器STM32F205RG,拥有1M字节Flash,128k字节SRAM和丰富的外设功能。配合mxchipWNet嵌入式Wi-Fi固件,用户可以方便、快速地为嵌入式设备增加Wi-Fi网络通讯功能,也可以使用mxchipWNet软件库直接在模块上开发各种嵌入式Wi-Fi应用。
 
3.2.2 温湿度传感器(见图4)
 
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器,它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件,并与一个高性能8位单片机相连接。因此,该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
 
每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中,传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口,使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗,使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。产品为4针单排引脚封装,连接方便。
 
* 供电电压:3.3~5.5V DC;
* 输出:单总线数字信号;
* 测量范围:湿度20%~90%RH,温度0~50℃;
* 测量精度:湿度+-5%RH,温度+-2℃;
* 分辨率:湿度1%RH,温度1℃;
* 尺寸:23.5×12×5.5mm.
 
3.2.3 PM2.5传感器(见图6)
 
ZH01粉尘传感器的特点:PWM脉宽调制输出;采用粒子计数原理;可灵敏检测直径1微米以上的粒子;内置加热器可实现自动吸入空气;小尺寸重量轻;易安装使用(见图7)。可应用到空气清新机、空气调节器、空气质量监测仪、通风设备等。
 
4 软件设计
 
4.1 人机交互设计
 
本方案人机交互设计主要包括两大部分:APP和第三方平台。APP主要承载对LED互联照明的操控体验,通过后台复杂的云计算来支持客户端界面的简单和人性,减少用户的学习成本,提高使用的便捷性。APP的功能主要包括设备注册、设备添加、功能设置、用户操作等,提供LED互联照明系统最直观的用户界面。第三方平台主要是指如微信、阿里云、京东云、Homekit等大的应用型APP,对用户更具有粘性,使用频率较高的平台,同时提供相应的服务功能,如电商、安全、健康等。通过与第三方平台的互联,将打通LED照明、智能家居与服务平台之间的壁垒,正在实际意义上实现物联网的应用(见图8)。
 
4.2 云服务平台
 
LED互联照明作为终端产品,考虑到成本、可靠性、稳定性、可扩展性以及可维护性,采用了小型的控制系统,没有足够大的存储空间,只是对控制信号的处理以及各类传感器的信息采集,无法独立完成对这些信息的分析、处理和计算。因此,通过云服务平台将大量的信息资源采集并集中管理,用户可以随时随地申请部分资源,支持APP客户端的应用功能的正常运转。云服务省去了大量的维护工作,自然就可以降低成本,提高工作效率,获取更好的服务。
 
云服务平台是解决了不同系统和平台之间的互联互通最快捷的方式。在不改变智能终端的同时,实现与第三方云平台的互通甚至互懂。
 
云服务的应用是未来的一种趋势,在不久的将来,云服务将会深入到我们生活的每一个角落,引发各产业领域的变革。相信日后将会有更多的智能家居企业将智能家居与云服务有机结合起来,让广大用户享受到更加便利、全面的服务,从真正意义上打造智慧化的生活。
 
5 总结
 
智能家居实现方式主要由系统和单品两种方式。传统智能家居主要采用系统的方式来实现,优势是功能齐全,系统整体性较好,缺点是施工周期很长,投入代价较高,使用成本也较高。现代流行的智能单品降低了普通用户对智能家居的准入门槛,但是却将智能家居功能变得碎片化,因此最终还是要形体系统,统一标准。基于智能家居的LED互联照明系统结合了以上两种方式的优势,必将成为未来智能照明、智能家居以及物联网发展的趋势。

 
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