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基于光通信的智能家居控制系統(tǒng)
摘要
目前，伴隨著社會的進(jìn)步與生產(chǎn)力的發(fā)展，尤其是科技水平的飛速提高，人們生活的品質(zhì)發(fā)生了翻天覆地的變化，大家越來越重視生活的舒適度。隨著嵌入式技術(shù)與自動控制技術(shù)的發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)世界的到來，智能家居產(chǎn)業(yè)迎來了發(fā)展的機(jī)會同時也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，家居模式已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化，各大電子廠商與科技公司都加入到智能家居的研究中來，智能家居市場競爭已經(jīng)形成，促使智能家居產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。
本次畢業(yè)設(shè)計分析了國內(nèi)外智能家居控制系統(tǒng)的發(fā)展過程，從開始的過于依賴PC機(jī)以及大多以有線通信為主，移動不方便到之后過度依賴WIFI通信，以WIFI技術(shù)為核心搭建的無線智能家居系統(tǒng)雖然是目前最優(yōu)秀的智能家居解決方案，但是這種方案存在著功耗較大，有安全隱患等問題。
基于以上提出的智能家居控制系統(tǒng)方面的問題，本次畢業(yè)設(shè)計旨在設(shè)計一款基于可見光通信技術(shù)（Visible Light Communication，VLC）的智能家居控制系統(tǒng)。依靠白光LED作為發(fā)射端，以雪崩光電二極管作為接收端。其中，主機(jī)的核心控制器為STM32F407為平臺，從機(jī)的核心控制器為STC15為平臺，分別設(shè)計配套的PCB板，通過LED驅(qū)動電路，光接收電路等電路組成一個智能家居控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)一些家居設(shè)備的控制。
本次畢業(yè)設(shè)計說明書首先對基于光通信的智能家居系統(tǒng)的總體方案設(shè)計，然后詳細(xì)介紹各個模塊的功能與使用情況，相關(guān)電路的設(shè)計與功能的仿真，主機(jī)與從機(jī)代碼的編寫思路。最后，對本次畢業(yè)設(shè)計系統(tǒng)中的節(jié)點與模塊進(jìn)行綜合性的測試
關(guān)鍵詞：智能家居，可見光通信，白光LED，雪崩光電二極管
Intelligenthome control system
based onoptical communication
Abstract
At present, with theprogress of society and the development of productivity, especially the rapidincrease in the level of science and technology, the quality of people's liveshas undergone earth-shaking changes. Everyone is paying more and more attentionto the comfort of life. With the development of embedded technology andautomatic control technology and the arrival of the world of the Internet ofThings, the smart home industry ushered in the opportunity of development andalso faced great challenges. The home model has undergone earth-shakingchanges, major electronics manufacturers and technology Companies have joinedthe study of smart homes, smart home market competition has formed, and promotethe further development of the smart home industry.
This graduationproject analyzes the development process of smart home control systems at homeand abroad. From the beginning, it relied too much on PCs and mostly wiredcommunication. After the inconvenience of mobility, it relied excessively onWIFI communication, and wireless intelligence was built with WIFI technology asthe core. Although the home system is currently the best smart home solution,there are many problems such as the power consumption and security risks.
Based on theabove-mentioned problems in the smart home control system, this graduationproject aims to design a smart home control system based on Visible LightCommunication (VLC). Rely on the white LED as the transmitter of information,and the Avalanche Diode as the receiver of information.Among them, the host's core controller is the STM32F407 as a platform, theslave's core controller is the STC15 as the platform, and the supporting PCBboards are designed respectively. The LED drive circuit and the light receivingcircuit form a smart home control system, which can realize some Home equipmentcontrol.
This graduationdesign specification firstly designs the overall scheme of the smart homesystem based on optical communication, and then introduces in detail thefunction and use of each module, the design of the relevant circuit and thesimulation of the function, and the preparation of the host and slave code.Finally, a comprehensive test of the nodes and modules in this graduationdesign system.
Key Words: Smart Home,Visible Light Communication, White LED, Avalanche Diode
目 錄
1 引言... 1
1.1 研究背景與研究意義... 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀... 2
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀... 2
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀... 4
1.3 主要工作... 4
2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計... 7
2.1 敏感元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計與理論分析... 7
2.2 壓阻式加速度計的數(shù)學(xué)模型... 8
2.2.1 應(yīng)力... 9
2.2.2 撓度... 11
2.2.3 振動頻率... 11
2.2.4 靈敏度... 12
2.3 結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計... 13
3 高g值加速度計的結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真... 16
3.1 有限元分析簡介... 16
3.1.1 有限元法分析法簡介... 16
3.1.2 ANSYS軟件簡介... 16
3.2 靜力分析... 17
3.3 模態(tài)分析... 19
3.4 路徑分析... 21
3.5 本章小結(jié)... 22
4 高g值加速度計的工藝仿真... 23
4.1 常見加工工藝... 23
4.2 設(shè)計原則... 25
4.3 加工步驟... 26
5 總結(jié)與展望... 30
附錄... 31
參考文獻(xiàn)... 34
致謝... 37
1 引言
1.1 研究背景與研究意義
智能家居(Smart Home)起源于上世紀(jì)七十年代的美國，之后迅速在一些經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的國家興起，以房屋，通信、家電、自動化為基礎(chǔ)，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境，并形成一個新興的產(chǎn)業(yè)。
隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，人們越來越注意提高生活的質(zhì)量與舒適度，在我國的一些發(fā)達(dá)城市，智能家居也逐漸得到推廣。近幾年智能家居產(chǎn)品開始大規(guī)模進(jìn)入人們的居家生活。多家互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊、PC硬件廠商各自推出了智能家居產(chǎn)品，如智能攝像機(jī)、智能插座、萬能紅外、溫控器等產(chǎn)品種類多、功能很豐富。但這些設(shè)備使用起來，都達(dá)不到很好的用戶體驗。因而，采用新技術(shù)來補(bǔ)充現(xiàn)有產(chǎn)品的不足，是具有廣闊市場前景的。
通信網(wǎng)絡(luò)作為智能家居的重要組成部分，目前主要有采用雙絞線作傳輸介質(zhì)的有線通信和采用電磁波的無線通信兩種方式。其中有線通信不可避免的需要進(jìn)行復(fù)雜的線路鋪設(shè)，這不僅增加了施工難度，也不利于后期的設(shè)備維護(hù)：而目前常用的無線射頻通信中的射頻信號對其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，不適宜在電磁敏感區(qū)使用。因此，以頻率更高、波長更短的光波作為傳輸媒介的通信方式，具有可用頻帶寬、通信容量大、傳輸速率高及抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，成為通信領(lǐng)域的研究熱點。其中，室內(nèi)可見光通信技術(shù)就是在普通照明光源的基礎(chǔ)上增加了數(shù)據(jù)傳輸功能，通過照明光源的高速明暗閃爍來傳遞信息，接收端則使用光敏器件來捕捉獲取光信號中攜帶的數(shù)據(jù)信息。鑒于該情況，本畢業(yè)設(shè)計提出了可用于智能家居中的新的通信方式——可見光通信(VLC)。
可見光通信技術(shù)是一種新興的無線光通信技術(shù)，是目前公認(rèn)的一種新興的短距離高速無線通信方式。近年來，隨著半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展，LED以其高亮度、無污染、低功耗及壽命長等優(yōu)點，逐漸受到市場的青睞。LED技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)引起了國內(nèi)外的普遍關(guān)注，成為一種極具影響力和良好發(fā)展前景的新產(chǎn)品。隨著“綠色、節(jié)能、環(huán)�！钡挠^念不斷地深入人心，人們對綠色照明光源的需求急劇增加。因此，半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)得到了大力發(fā)展，并且已經(jīng)被越來越多地用于室內(nèi)外照明中。與普通照明光源相比，白光LED的響應(yīng)時間短，并且擁有發(fā)射功率高、耗能低、工作溫度低、壽命長、體積小、無輻射、壽命長等優(yōu)點，是取代普遍使用的熒光燈的下一代照明光源。因此將該技術(shù)應(yīng)用于智能家居，能很好地體現(xiàn)環(huán)保設(shè)計理念，營造一個更優(yōu)越的居住環(huán)境。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
根據(jù)上述中的介紹，可見光通信具有很多優(yōu)點，自問世以來，該技術(shù)引起了世界各國各個領(lǐng)域的專家團(tuán)隊的興趣，得到了廣泛關(guān)注與仔細(xì)研究。經(jīng)過短短不到二十年的發(fā)展，全球范圍內(nèi)的可見光通信技術(shù)的研究成功突破了許多障礙，取得了長足的進(jìn)步，還有著非常打的發(fā)展?jié)摿Α?br />
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀
早期對可見光通信進(jìn)行研究的是日本人，二十一世紀(jì)初，索尼計算機(jī)所的Haruyama與KEIO大學(xué)的Tanaka利用了LED燈進(jìn)行室內(nèi)光通信。之后，可見光通信技術(shù)的發(fā)展?jié)摿Ρ辉S多研究者們發(fā)現(xiàn)，他們開始在可見光通信領(lǐng)域開展深入研究。
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