基本信息
- 项目名称：
- 智能家居照明供电和调光系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 设计了一种能够按照人的意愿调节室内光照强度的智能调光系统。采用单片机和CPLD来产生占空比可调的PWM波。本系统能够对室内外的光照和人们的需求进行综合计算分析，从而将光照调节到最适宜的强度。系统还允许用户通过上位机对其进行访问，参数修改和功能设置。此外，本系统采用了智能太阳跟踪式太阳能供电，而且太阳能电池板可以跟随阳光而转动，以达到更高的能源采集效率。
- 详细介绍：
- 本作品是一个完整的智能供电和调光照明系统，包含： ① 一个可以远程控制的智能调光控制器。以单片机C8051F020为核心，接收上位机的命令，分析处理后对CPLD发出信号，调整CPLD产生的PWM的占空比，改变受控LED灯的亮度，最终改变室内光照强度。 室内的光照控制系统可以提供自动照明模式，不需手动开关，就可以在不同情况下自动检测、调整以使得室内光照最适宜；有特殊需求时，用户还可以设定自定义模式。 ② 一套可以根据太阳光线情况，自动调整太阳能电池板角度及方向的太阳能蓄电系统。以AVR单片机为核心，具有传感器、太阳能电池板。单片机接收传感器信息，分析判断当前位置是否为光照最强位置，若不是，则对电机发出转向命令，直到电池板到达最佳光强位置。 ③ 一个布局LED光源的房屋的仿真模型。太阳能蓄电系统置于房屋外部，可以把太阳能转化为电能并提供给整个调光系统使用。 ④一个人机交互系统。由Visual Basic 编写，用于对系统工作方式、控制参量进行更改。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本作品的设计灵感来源于人们对未来理想家居环境中个性化的光照需求以及节能、环保的供电要求。 我们的设计以提高家居照明系统的自动化程度为出发点。采用了体积小巧且成本低廉的单片机C8051F020作为控制器； 加入CPLD模块，以此实现多路灯同时控制的效果；采用TSL2561芯片作为传感器，可以获得高精确度的实时光照强度数据，反馈给控制器。此外，为了使得整个系统对用户更加友好，我们设计加入了上位机模块，具有窗口化、易操作的界面。 相比于其它的同类作品，我们的创新点在于： 1、提供了完整的新型节能家居照明范例； 2、引入CPLD为单片机控制器提供逻辑控制服务，方案简单，成本低，可扩展性好； 3、实现了多路灯同时控制的目的。 主要技术关键: 1、选用低成本的单片机C8051F020作为控制器芯片； 2、自定义单片机和CPLD之间的四线通信协议，简单实用； 3、用伺服电机实现太阳能电池板的双自由度调节，使用了高精度的电机控制技术 4、采用VB编写上位机人机交互界面。 技术指标： 1、在标准模式下，经由系统调控，可以得到的光照强度范围为：30—650 lux，这个范围已经足够满足生活中的光照强度需求。 2、目前同时实现14路灯光的控制，同时涵盖多个房间。 3、目前每路最多可以带载4个工作电压为3V的高亮LED灯。若增加驱动能力，灯的路数和每路的带载个数还可以继续增加。 4、太阳能系统中的电池板可以在垂直角度为15°到165°，水平360° 。
科学性、先进性
- 现有的自动光照控制系统通常有以下两类控制方案： 1、以单片机作为控制器，利用传感器采集室内环境光照度，采用脉宽调制方法调节MOS管，进而调节LED的发光亮度，最终维持室内光照度在一个设定的水平。 2、基于ARM9芯片与ZigBeeCC2480芯片控制的、应用于家居中的智能无线照明系统。用户可以控制协调器通过路由器向该路由器节点上的任意一个终端设备发送信号，终端设备接收到命令并产生PWM信号，实现对LED的多级调光控制。 现有的研究通常都完成了采用单片机对LED灯做控制的目的，同时加入检测环节使得系统自动控制。加入的ZigBee模块使得无线控制成为可能。 但是由于实际生活中，使用者大多不是开发者，现有的研究缺乏友好的人机交互；此外，实际生活中每个LED灯自有一个控制器非常不现实，因此一个控制器同时控制多路灯非常重要。这也是我们采用CPLD的原因。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年3月获“北京市大学生科学研究与创业行动计划”作品 学校二等奖
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品；现场演示；图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 交互控制软件可以安装在任何一台商用计算机上。软硬件系统运行后，可以选择自动控制模式。若使用者有个人需求，可选择自定义模式，在弹出的窗口中对各个房间光照进行设置。完毕后保存并执行，系统就会按照设定执行。 相较于其他同类作品，本作品优势在于一个控制器可以同时控制多路LED灯，非常实用；上位机人机交互界面非常友好，易于使用。 本作品控制部分成本低、使用方便，安装简单，加之太阳能自动调节及供电系统设计理念先进，节能环保等优点，可以很方便地推广到简单多居室房屋或别墅中使用。不仅可以提高居室个性化照明质量，也为智能家居的环境控制提供一个很好的系统解决方案。随着经济发展和节能技术的应用，可以推广到更多人家。
同类课题研究水平概述
- 现有的自动光照控制系统通常有以下两种控制方案： 1、以AVR单片机作为控制器，利用光照传感器采集室内环境光照度，采用脉宽调制方法调节MOS管，进而调节LED的发光亮度，最终维持室内光照度在一个设定的水平。【1】 2、基于ARM9芯片与ZigBeeCC2480芯片控制的、应用于家居中的智能无线照明系统，该系统具有上电自组网的功能，用户可以控制协调器通过路由器向该路由器节点上的任意一个终端设备发送信号，终端设备接收到命令并产生PWM信号，实现对LED的多级调光控制。【2】 现有的研究基本都是以单片机为控制器，发送PWM波信号对LED的光照强度进行控制。外加光照强度检测装置形成闭环控制。当室外光强较强时,室内灯具亮度自动调暗,室外光强较弱时,室内灯具亮度自动调亮,从而达到自动控制光照强度目的。加入ZigBee模块，允许无线通讯，使得系统使用更方便。可以解决传统照明系统具有布线麻烦、可扩展性差、节能效率低等缺点。 上述成果的缺点有：操作不易，人机交互不友好；一个控制器难以同时控制多路灯，实用性差；采用的ZigBee虽然可以实现无线通讯，但是由于ZigBee技术本身的特点，不能实现远程控制，仅仅解决了接线复杂的问题，实际应用缺陷仍然存在；采用市电供给整个系统使用，没有真正上实现绿色家居。 本作品主要针对以上问题进行了设计， 给出了一套低成本、可扩展、理念先进的解决方案。
