基于光通信的智能家居控制系統
摘要
目前，伴隨著社會的進步與生產力的發展，尤其是科技水平的飛速提高，人們生活的品質發生了翻天覆地的變化，大家越來越重視生活的舒適度。隨著嵌入式技術與自動控制技術的發展以及物聯網世界的到來，智能家居產業迎來了發展的機會同時也面臨著巨大的挑戰，家居模式已經發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形成，促使智能家居產業的進一步發展。
本次畢業設計分析了國內外智能家居控制系統的發展過程，從開始的過于依賴PC機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技術為核心搭建的無線智能家居系統雖然是目前最優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方面的問題，本次畢業設計旨在設計一款基于可見光通信技術（Visible Light Communication，VLC）的智能家居控制系統。依靠白光LED作為發射端，以雪崩光電二極管作為接收端。其中，主機的核心控制器為STM32F407為平臺，從機的核心控制器為STC15為平臺，分別設計配套的PCB板，通過LED驅動電路，光接收電路等電路組成一個智能家居控制系統，可實現一些家居設備的控制。
本次畢業設計說明書首先對基于光通信的智能家居系統的總體方案設計，然后詳細介紹各個模塊的功能與使用情況，相關電路的設計與功能的仿真，主機與從機代碼的編寫思路。最后，對本次畢業設計系統中的節點與模塊進行綜合性的測試
關鍵詞：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 國內外研究現狀... 2
1.2.1 國外研究現狀... 2
1.2.2 國內研究現狀... 4
1.3 主要工作... 4
2 系統總體方案設計... 7
2.1 敏感元件的結構設計與理論分析... 7
2.2 壓阻式加速度計的數學模型... 8
2.2.1 應力... 9
2.2.2 撓度... 11
2.2.3 振動頻率... 11
2.2.4 靈敏度... 12
2.3 結構的優化設計... 13
3 高g值加速度計的結構設計與仿真... 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 模態分析... 19
3.4 路徑分析... 21
3.5 本章小結... 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 設計原則... 25
4.3 加工步驟... 26
5 總結與展望... 30
附錄... 31
參考文獻... 34
致謝... 37
1 引言
1.1 研究背景與研究意義
智能家居(Smart Home)起源于上世紀七十年代的美國，之后迅速在一些經濟比較發達的國家興起，以房屋，通信、家電、自動化為基礎，集系統、結構、服務、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環保的居住環境，并形成一個新興的產業。
隨著我國經濟社會的快速發展，人們越來越注意提高生活的質量與舒適度，在我國的一些發達城市，智能家居也逐漸得到推廣。近幾年智能家居產品開始大規模進入人們的居家生活。多家互聯網企業、創業團隊、PC硬件廠商各自推出了智能家居產品，如智能攝像機、智能插座、萬能紅外、溫控器等產品種類多、功能很豐富。但這些設備使用起來，都達不到很好的用戶體驗。因而，采用新技術來補充現有產品的不足，是具有廣闊市場前景的。
通信網絡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行復雜的線路鋪設，這不僅增加了施工難度，也不利于后期的設備維護：而目前常用的無線射頻通信中的射頻信號對其他設備產生電磁干擾，不適宜在電磁敏感區使用。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等優點，成為通信領域的研究熱點。其中，室內可見光通信技術就是在普通照明光源的基礎上增加了數據傳輸功能，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據信息。鑒于該情況，本畢業設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)。
可見光通信技術是一種新興的無線光通信技術，是目前公認的一種新興的短距離高速無線通信方式。近年來，隨著半導體照明技術的發展，LED以其高亮度、無污染、低功耗及壽命長等優點，逐漸受到市場的青睞。LED技術的發展已經引起了國內外的普遍關注，成為一種極具影響力和良好發展前景的新產品。隨著“綠色、節能、環保”的觀念不斷地深入人心，人們對綠色照明光源的需求急劇增加。因此，半導體照明產業得到了大力發展，并且已經被越來越多地用于室內外照明中。與普通照明光源相比，白光LED的響應時間短，并且擁有發射功率高、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。因此將該技術應用于智能家居，能很好地體現環保設計理念，營造一個更優越的居住環境。
1.2 國內外研究現狀
根據上述中的介紹，可見光通信具有很多優點，自問世以來，該技術引起了世界各國各個領域的專家團隊的興趣，得到了廣泛關注與仔細研究。經過短短不到二十年的發展，全球范圍內的可見光通信技術的研究成功突破了許多障礙，取得了長足的進步，還有著非常打的發展潛力。
1.2.1 國外研究現狀
早期對可見光通信進行研究的是日本人，二十一世紀初，索尼計算機所的Haruyama與KEIO大學的Tanaka利用了LED燈進行室內光通信。之后，可見光通信技術的發展潛力被許多研究者們發現，他們開始在可見光通信領域開展深入研究。
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