基于光通信的智能家居控制系统
摘要
目前，伴随着社会的进步与生产力的发展，尤其是科技水平的飞速提高，人们生活的品质发生了翻天覆地的变化，大家越来越重视生活的舒适度。随着嵌入式技术与自动控制技术的发展以及物联网世界的到来，智能家居产业迎来了发展的机会同时也面临着巨大的挑战，家居模式已经发生了翻天覆地的变化，各大电子厂商与科技公司都加入到智能家居的研究中来，智能家居市场竞争已经形成，促使智能家居产业的进一步发展。
本次毕业设计分析了国内外智能家居控制系统的发展过程，从开始的过于依赖PC机以及大多以有线通信为主，移动不方便到之后过度依赖WIFI通信，以WIFI技术为核心搭建的无线智能家居系统虽然是目前最优秀的智能家居解决方案，但是这种方案存在着功耗较大，有安全隐患等问题。
基于以上提出的智能家居控制系统方面的问题，本次毕业设计旨在设计一款基于可见光通信技术（Visible Light Communication，VLC）的智能家居控制系统。依靠白光LED作为发射端，以雪崩光电二极管作为接收端。其中，主机的核心控制器为STM32F407为平台，从机的核心控制器为STC15为平台，分别设计配套的PCB板，通过LED驱动电路，光接收电路等电路组成一个智能家居控制系统，可实现一些家居设备的控制。
本次毕业设计说明书首先对基于光通信的智能家居系统的总体方案设计，然后详细介绍各个模块的功能与使用情况，相关电路的设计与功能的仿真，主机与从机代码的编写思路。最后，对本次毕业设计系统中的节点与模块进行综合性的测试
关键词：智能家居，可见光通信，白光LED，雪崩光电二极管
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 录
1 引言... 1
1.1 研究背景与研究意义... 1
1.2 国内外研究现状... 2
1.2.1 国外研究现状... 2
1.2.2 国内研究现状... 4
1.3 主要工作... 4
2 系统总体方案设计... 7
2.1 敏感元件的结构设计与理论分析... 7
2.2 压阻式加速度计的数学模型... 8
2.2.1 应力... 9
2.2.2 挠度... 11
2.2.3 振动频率... 11
2.2.4 灵敏度... 12
2.3 结构的优化设计... 13
3 高g值加速度计的结构设计与仿真... 16
3.1 有限元分析简介... 16
3.1.1 有限元法分析法简介... 16
3.1.2 ANSYS软件简介... 16
3.2 静力分析... 17
3.3 模态分析... 19
3.4 路径分析... 21
3.5 本章小结... 22
4 高g值加速度计的工艺仿真... 23
4.1 常见加工工艺... 23
4.2 设计原则... 25
4.3 加工步骤... 26
5 总结与展望... 30
附录... 31
参考文献... 34
致谢... 37
1 引言
1.1 研究背景与研究意义
智能家居(Smart Home)起源于上世纪七十年代的美国，之后迅速在一些经济比较发达的国家兴起，以房屋，通信、家电、自动化为基础，集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境，并形成一个新兴的产业。
随着我国经济社会的快速发展，人们越来越注意提高生活的质量与舒适度，在我国的一些发达城市，智能家居也逐渐得到推广。近几年智能家居产品开始大规模进入人们的居家生活。多家互联网企业、创业团队、PC硬件厂商各自推出了智能家居产品，如智能摄像机、智能插座、万能红外、温控器等产品种类多、功能很丰富。但这些设备使用起来，都达不到很好的用户体验。因而，采用新技术来补充现有产品的不足，是具有广阔市场前景的。
通信网络作为智能家居的重要组成部分，目前主要有采用双绞线作传输介质的有线通信和采用电磁波的无线通信两种方式。其中有线通信不可避免的需要进行复杂的线路铺设，这不仅增加了施工难度，也不利于后期的设备维护：而目前常用的无线射频通信中的射频信号对其他设备产生电磁干扰，不适宜在电磁敏感区使用。因此，以频率更高、波长更短的光波作为传输媒介的通信方式，具有可用频带宽、通信容量大、传输速率高及抗电磁干扰能力强等优点，成为通信领域的研究热点。其中，室内可见光通信技术就是在普通照明光源的基础上增加了数据传输功能，通过照明光源的高速明暗闪烁来传递信息，接收端则使用光敏器件来捕捉获取光信号中携带的数据信息。鉴于该情况，本毕业设计提出了可用于智能家居中的新的通信方式——可见光通信(VLC)。
可见光通信技术是一种新兴的无线光通信技术，是目前公认的一种新兴的短距离高速无线通信方式。近年来，随着半导体照明技术的发展，LED以其高亮度、无污染、低功耗及寿命长等优点，逐渐受到市场的青睐。LED技术的发展已经引起了国内外的普遍关注，成为一种极具影响力和良好发展前景的新产品。随着“绿色、节能、环保”的观念不断地深入人心，人们对绿色照明光源的需求急剧增加。因此，半导体照明产业得到了大力发展，并且已经被越来越多地用于室内外照明中。与普通照明光源相比，白光LED的响应时间短，并且拥有发射功率高、耗能低、工作温度低、寿命长、体积小、无辐射、寿命长等优点，是取代普遍使用的荧光灯的下一代照明光源。因此将该技术应用于智能家居，能很好地体现环保设计理念，营造一个更优越的居住环境。
1.2 国内外研究现状
根据上述中的介绍，可见光通信具有很多优点，自问世以来，该技术引起了世界各国各个领域的专家团队的兴趣，得到了广泛关注与仔细研究。经过短短不到二十年的发展，全球范围内的可见光通信技术的研究成功突破了许多障碍，取得了长足的进步，还有着非常打的发展潜力。
1.2.1 国外研究现状
早期对可见光通信进行研究的是日本人，二十一世纪初，索尼计算机所的Haruyama与KEIO大学的Tanaka利用了LED灯进行室内光通信。之后，可见光通信技术的发展潜力被许多研究者们发现，他们开始在可见光通信领域开展深入研究。
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