1、基于物联网的 LED 智能照明系统设计文档及市场分析基于物联网的 LED 智能照明系统刘阳 陈海龙2014/5/201目录1 课题背景 .22 智能照明技术研究现状 .33 智能照明技术的应用场景(陈海龙) .53.1 智能照明的特点 .53.2 应用场景 .54 zigbee 无线传感网络研究现状(刘阳) .64.1 关于无线传感网 .64.2 短距离无线通信技术性能比较 .74.3 zigbee 的应用前景 .74.4 zigbee 节点类型及网络拓扑方案 .81.节点类型 .82.网络拓扑 .95 本课题研究的主要目的与内容( 刘阳) .105.1 本课题的主要目的 .105.2 本课题
2、的主要内容 .105.3 智能照明系统总体方案 .105.3.1 智能照明系统设计要求 .115.3.2 智能照明系统总体方案 .116 智能照明系统的详细设计(刘阳) .126.1 智能照明 Zigbee/Internet 网关的硬件设计 .126.2 智能照明系统网关的软件设计 .136.3 研发过程中的主要工作 .137 市场分析( 陈海龙) .147.1 智能照明的意义 .141. 实现人性化、智能化的管理 .142. 满足节能环保的需求 .143. 市场需求 .147.2 智能照明行业政策环境分析 .157.3 智能照明行业技术环境分析 .161、行业专利申请数 .162、行业专利公
3、开数 .163、技术领先企业分析 .177.4 智能照明行业发展状况分析 .177.5 中国智能照明行业投资特性分析 .181.智能照明行业进入壁垒分析 .182.智能照明行业盈利因素分析 .197.6 市场分析总结 .2021 课题背景伴随着移动互联网、半导体技术的快速发展以及现代人生活品质的提高，人们对家居生活的无线化、网络化、智能化、节能化的需求越来越强烈，将家用电器、照明灯具、安防报警、家庭影院等模块通过网络技术集成到控制平台，实现智能控制和智能管理。智能照明控制系统是家庭自动化必不可少的子系统，是楼宇建筑控制系统的重要组成环节。在人们传统意识中，照明系统仅以照明为目的，但科技日新月异
4、的同时，人们对于家居照明控制系统的功能需求也是与日俱增，包括现场环境采集（光照度、温度等） 、人体感应、智能调光调色温、场景设置、无线遥控、PC 人机界面等等。针对布线繁琐、扩展性差、人工管理、功能单一、 “长明灯”耗能严重等诸多缺陷，传统照明控制系统已经无法满足现代人的家庭生活与品质需求，在此背景下智能照明控制系统应运而生，势在必行。LED 半导体节能光源与无线传感网络的迅猛发展，给照明控制系统的“网络化、智能化、节能化”家园构想带来了广阔的发展空间和应用前景。舒适、便捷、高效、节能作为智能建筑、智能家居控制系统追求的终极目标，在智能照明子系统中尤为明显。近年来，由于我国能源效率低下，能源紧
5、张问题日益突出，能源危机逐渐上升到国家的战略高度。目前，照明耗能约占总能耗的 20%，若能以高效率的LED 智能照明系统取代全国 30%低效率、高耗电的传统照明系统，照明终端将节电 220 亿度，减排二氧化碳 2420 万吨。因此，LED 智能照明技术对缓解当前紧迫的能源问题具有举足轻重的作用，更突显出巨大经济社会效益。目前，国内外研发机构主要针对绿色环保、低碳节能的第四代新型光源 LED 照明产品进行研究开发。相比白炽灯、荧光灯、节能灯等传统照明灯具，LED 是一种光效高，耗能少，对环境无污染，工作寿命长达 10 万小时的新型照明技术。借助 “低碳世博”的理念风潮，LED 智能照明技术在上海
6、世博会展区得到了大规模应用，世博会闭幕后仍有相当一部分得到了进一步的普及与推广。LED 智能照明技术实现了在最合适的时间给最需要的地方以最舒适和最高效的照明度，在提升照明质量同时，使智能家居照明进一步走向绿色环保和低碳节能的发展方向。LED 照明系统要实现智能化， 必须首先实现其网络化。ZigBee 无线传感网络技术基于IEEE802.15.4 协议标准，具有全自动组网、低功耗等诸多优势，在工业自动化控制、智能建筑、近距离、低速率、低成本、消费电子和自动抄表等领域都有着广泛的应用前景。同时，ZigBee 联盟对于无线传感网络的智能照明控制领域定义了一套非常详尽的协议标准，促成3世界范围内所有生
7、产商的照明系统设备可以实现自由扩展、互联互通，使基于 ZigBee 无线传感网络的 LED 智能照明系统便于扩展与推广，降低系统集成的成本。智能照明系统与传统照明系统都具备照明、开关、调光等基本功能，传统照明常选用现场总线、电力载波等控制方式，均需要敲墙砸洞、综合布线，严重影响建筑美观，工作繁琐且改装费用昂贵;而智能照明以无线传感网络的智能控制为主，手动控制为辅，通常无需人工参与即可实现照明现场环境参数的采集与 LED 的自适应动态调节。LED 智能照明控制系统的核心即改善建筑照明质量，满足人们多元化的用户体验。PC 上位机实时监控与显示环境参数、异常报警，集中控制管理克服了传统照明单一控制、
8、管理落后和“长明灯”现象等诸多缺陷。本课题研究的基于 ZigBee 无线传感网络的 LED 智能照明系统实现了“传感器实时采集，传感网络数据透传，遥控器准确控制，上位机集中管理”的设计目标，随着住户对照明品质的要求越来越高，在智能建筑、智能家居行业极具市场竞争力，应用前景广阔。总而言之，LED 智能照明控制系统是我们生活中最为常用，最为基础的系统之一。它的无线化、网络化、智能化与绿色节能无疑会给我们的社会与生活带来深远的影响。2 智能照明技术研究现状随着计算机通信技术、自动控制技术、物联网技术、现场总线技术以及微电子技术的相互渗透，交叉融合，智能建筑、家庭自动化开始兴起，作为其重要子系统之一的
9、智能照明也稳步向前发展，步入了无线传感网络的智能化控制时代。智能照明系统最早可追溯到上世纪 70 年代，主要分布在欧美、日本等极少数国家。当前盛行的智能照明控制系统的前身是由舞台灯光控制系统衍生改进而来：1986 年美国影视剧场技术协会（USITT）工程委员会着手制定了控制舞台灯光设备和附件的数字式传输标准DMX512 协议，1990 年发布正式版本。为了解决国际照明厂商的网络化灯光设备之间能够互相嵌套与兼容，美国和欧洲分别提出了两类区域范围内的灯光照明网络协议标准，即 CAN（Advanced Control Network）和 Art-2Net 协议，两者也都从 DMXS 12 协议基础上
10、借鉴和发展而来。照明系统的应用环境与功能需求日益复杂，仅靠传统照明的开关控制己经无法满足用户的品质需求。因此，市场化需求促使智能照明控制系统逐渐从舞台灯光控制向智能建筑、家庭自动化和工业控制等领域衍生，开始涉足民用与工业照明，控制范围也从单一区域扩展到多区域，甚至是若干幢别墅大厦。当前，由于改造费用昂贵仍有大量老式建筑沿用传统照明控制方式，少数智能大厦虽采用楼宇自控（BA）系统来监控照明，但仅仅实现简单区域照明和定时开关功能，无法实现照明现场的环境采集、智能调光调色温、灯光情景模4式、分组群控等复杂功能。智能照明系统可实现传感器实时采集现场环境参数（光照度、移动目标、温度等） ；用户预先设置控
11、制模式（手控模式、自控模式）与情景模式（全开模式、全关模式、分组群控模式、小夜灯模式、智能调光、智能调色温等） ；MCU 根据照明场合不同、环境变化、用户预定制等条件对数据信息进行逻辑判断与智能分析，对指定分组 LED 实现 PWM 线性无极调光与调色温等动作；PC 上位机进行实时监控、状态反馈与集中控制，达到预期的智能控制效果。近二十多年，众多国际品牌的照明厂商陆续研发出功能齐全、种类繁多的智能照明控制系统的主流协议。为了更进一步推广和普及智能照明控制系统，制定并遵循统一协议标准已成为各大国际厂商们不谋而合的共识。目前，国际上占据主流地位与市场的智能照明总线协议如下：欧洲电气安装总线 EIB
12、 ,澳大利亚邦奇公司 Dynality 和 Clipsal 公司 C-Bus， Philips 公司 DALI、瑞士 ABB 公司 I-bus、美国路创 LUTRON、日本 ECHONET 和 HomeBus 家庭总线等。典型照明协议代表如澳大利亚奇胜公司 C-Bus 是一个分布式、二线制、弱电控制的总线型控制系统，遵守标准 CSMAICD。C-Bus 系统的所有通信模块都挂载在两根总线(UTPS 双绞线)上并连通 C-Bus 控制网络，总线不仅提供 36V 直流电源，还加载了 C-Bus 照明控制信号，可通过专用软件对所有照明单元进行编程，实现相应的控制功能。欧洲电气安装总线EIB Euro
13、pean Installation Bus Association 是由 110 多个欧洲电气制造商联合制订的总线协议规范，占据欧洲智能楼宇建筑、家庭自动化照明设备销售总额的 80%。EIB 总线以单一多芯电缆替代了传统分离的控制和电源电缆，元器件均为模块化独立运行，任何单元模块损坏均不影响照明系统的整体运行，藕合性极低，安全可靠。EIB 系统还提供 Windows软件平台，将 PC 上位机连接至 EIB 接口即可实现智能控制和集中管理。21 世纪初期，国内照明厂商也开始将更多资金和精力集中在智能照明系统的深入研发和探索中，如雨后春笋般迅猛发展，进一步加快了国内智能照明行业的普及与推广，如天津
14、瑞朗、广州百分百照明、上海索博、青岛 Haier 等。目前，智能照明系统从控制方式分类主要有总线型、电力线载波型、无线传感网络等。总线型方案均采用综合布线的控制策略，布线繁琐、施工困难；单一部模块损坏可能影响系统的整体运转，扩展移动性差。而近十年，无线传感网络技术凭借其全自动组网、近距离、低速率、低成本、低功耗等独特优势发展极为迅猛，ZigBee、WLAN、蓝牙、LJWB、RFID 等都取得了令人瞩目的市场推广与应用。从智能照明发展趋势预测，无线传感网络技术无疑将成为智能照明行业研究的新热点。楼宇建筑、家庭自动化的照明控制系统实现智能化的主要目如下：一是实现智能控制，改善照明舒适性，提高照明质
15、量，满足多功能照明效果与人们多元化的用户体验；二是提高照明系统的集中控制和平台化管理水平，实现 PC 上位机实时监控与信息反馈，降低照明5系统维护成本；三是延长照明灯具寿命，节约电能，绿色环保、节能减排，减少照明系统的运营成本。3 智能照明技术的应用场景(陈海龙)3.1 智能照明的特点智能照明系统是利用先进电磁调压及电子感应技术，对供电进行实时监控与跟踪，自动平滑地调节电路的电压和电流幅度，改善照明电路中不平衡负荷所带来的额外功耗，提高功率因素，降低灯具和线路的工作温度，达到优化供电目的照明控制系统。因此智能照明系统有如下特点：1系统可控制任意回路连续调光或开关。2场景控制：可预先设置多个不同
16、场景，在场景切换时淡入、淡出。3可接入各种传感器对灯光进行自动控制。4移动传感器：对人体红外线检测达到对灯光的控制；如人来灯亮，人走灯灭（暗） 。5光亮照度传感器：对某些场合可根据室外光线的强弱调整室内光线，如学校教室的恒照度控制。6时间控制：某些场合可以随上下班时间调整亮度。7红外遥控：可用手持红外遥控器对灯光进行控制。8系统联网：可系统联网，利用上述控制手段进行综合控制或与楼宇智能控制系统联网。9. 可由声、光、热、人及动物的移动检测达到对灯光的控制。3.2 应用场景智能照明控制系统在确保灯具能够正常工作条件下，给灯具输出一个最佳照明功率，可减少由于过压所造成的照明眩光，使灯光发出的光线更
17、加柔和，照明分布更加均匀，又可大幅度节省电能，智能照明控制系统节电率可达 20%-40%。智能照明控制系统它可在照明及混合电路中使用，适应性强，能在各种恶劣的电网环境和复杂的负载情况下连续稳定地工作，同时还将有效地延长灯具寿命和减少维护成本。1照明的自动化控制系统最大的特点是场景控制，在同一室内可有多路照明回路，对每一回路亮度调整后达到某种灯光气氛称为场景；可预先设置不同的场景，切换场景时的淡入淡出时间，使灯光柔和变化。时钟控制，利用时钟控制器，使灯光呈现按每天的日出日落或有时间规律的变化。利用各种传感器及遥控器达到对灯光的自动控制。2美化环境室内照明利用场景变化增加环境艺术效果，产生立体感、
18、层次感，营造出舒适的环境，有利人们的身心健康，提高工作效率。3延长灯具寿命影响灯具寿命的主要因素主要有过电压使用和冷态冲击，它们使灯具寿命大大降低。LT 系列智能调光器具有输出限压保护功能：即当电网电压超过额定电压 220V 后调光器自6动调节输出在 220V 以内。 当灯泡冷态接电瞬间会产生额定电流 510 倍的冲击电流，大大影响灯具寿命。智能调光控制系统采用缓开启及淡入淡出调光控制，可避免对灯具的冷态冲击，延长灯具寿命。系统可延长灯泡寿命 24 倍，可节省大量灯泡，减少更换灯泡的工作量。4节约能源采用亮度传感器，自动调节灯光强弱，达到节能效果。 采用移动传感器，当人进入传感器感应区域后渐升
19、光，当人走出感应区域后灯光渐渐减低或熄灭，使一些走廊、楼道的“长明灯“得到控制，达到节能的目的。 例如：某饭店为了节电，将全部走廊灯换为 5W 节能灯，以减少能耗，但带来的问题是节能灯光照舒适度很差，照度降低，使饭店档次降低。建议采用移动传感器控制。5照度及照度的一致性采用照度传感器，可以达到室内的光线保持恒定。例如：在学校的教室，要求靠窗与靠墙光强度其本相同，可在靠窗与靠墙处分别加装传感器，当室外光线强时系统会自动将靠窗的灯光减弱或关闭及根据靠墙传感器调整靠墙的灯光亮度；当室外光线变弱时，传感器会根据感应信号调整灯的亮度到预先设置的光照度值。 新灯具会随着使用时间发光效率逐渐降低，新办公楼随
20、着使用时间墙面的反射率将衰减，这样新旧会产生照度的不一致性，通过智能调光器系统的控制可调节照度达到相对的稳定，且可节约能源。6综合控制可通过计算机网络对整个系统进行监控，例如了解当前各个照明回路的工作状态；设置、修改场景；当有紧急情况时控制整个系统及发出故障报告。 可通过网关接口及串行接口与大楼的 BA 系统或消防系统、保安系统等控制系统相连接 LT-net 智能照明控制系统通常由调光模块、开关功率模块、场景控制面板、传感器及编程器、编程插口、PC 监控机等部件组成，将上述各种具备独立控制功能的模块连接在一根计算机数据线上，即可组成一个独立的照明控制系统，实现对灯光系统的各种智能化管理及自动控
21、制。4 zigbee 无线传感网络研究现状(刘阳)无线传感网络 WSN (Wireless Sensor Network)是由大规模、自组织、多跳、动态性的传感器节点所构成的无线网络。传感器节点实时监测、感知和采集当前区域内的环境目标参数（光照度、移动人体、温度、湿度、烟雾、噪声以及毒气浓度等） ，并交由核心处理器进行逻辑判断与推智能分析，最终将分析结果进行存储、显示或传输，并转发终端设备控制指令。4.1 关于无线传感网WSN 起源于上世纪 70-80 年代，美国国防部高级研究计划局（ DARPA）大力发展军事领域中低功耗、低成本、分布式的现代化无线传感网络技术，如早期著名的声音监测系统（SO
22、SUS ，Sound Surveillance System） 、空中预警与控制系统（AWACS，Air-borne Warning and Control System）等。军事领域的诸多项目推动了无线传感网络在操作系统、采集感知、7逻辑判断、无线通信、容错性能等技术瓶颈方面的突破，逐渐从军事向工业民用领域转型。21 世纪，电系统 MEMS、片上系统 SOC、低功耗微电子和无线通信等技术决定了 WSN 的自组织、低成本、低功耗等独特优势，在自然灾害、环境监钡、现代农业、石油勘探、医疗护理、智能交通等领域都有着广阔的应用前景，也推动了家庭自动化的发展。4.2 短距离无线通信技术性能比较无线通信
23、(Wireless Communication)是利用空间中的电磁波信号实现数据信息、的交互方式，按传输媒介分为光通信、微波通信、声波通信等；按频段分为卫星频段、ISM 频带、陆地频段、航空频带等;按协议标准分为 ZigBee、 Wi-Fi、WLAN、 Bluetooth、WiMAX、 LTWB、WUSB 、 GPRS 等。无线传感网络具体如何选择协议标准，需从应用场合、应用目的等多角度考虑，综合比较它们的性能、成本、功耗等各方面的优劣势。短距离无线通信技术性能比较如表 1 所示。表 1 短距离无线通信技术比较性能参数 802.11b（WiFi）Bluetooth UWB Zigbee网络节点
24、 30 7 10 65535通信距离（m） 10-100 10 100Mbps 20/40/250Kbps工作频段 2.4GHz 2.4GHz 1GHz 2.4GHz抗干扰性 较强 弱 较强 强系统开销 高 较高 低 极低功率 1W 1-100W 1W 1uW-1mW4.3 zigbee 的应用前景2003 年，无线传感网络相继被美国杂志技术评论 、 商业周刊等评选为未来十大新兴技术之首，被公认是继互联网之后的第二大网络，给信息感知和采集带来了一场空前革命与潮流趋势。ZigBee 凭借自身具备近距离、自组织、低速率、低成本、低功耗等独特优势，必将成为无线传感器网络的最佳选择之一。ZigBee
25、无线传感网络技术优势：1. 低速率、自由频段：三个 ISM 可选工作频段，欧洲采用 868MHz 频段，速率 20kbps,美国选用 915MHz 频段，速率 40kbps,而我国选用 2.4GHz 频段，速率 250kbps，全球通用、免付费、无需申请。82. 网络节点无限扩展:网络层分配地址采用分布式寻址方案，一种 64 位 MAC 长地址，由IEEE 分配，全球唯一，最多可以容纳 65535 个节点；另一种是 16 位网络短地址，由父节点分配，当前网络中唯一，最多可容纳 255 个节点。3. 短距离、覆盖面广：RF 收发天线可采用单端非平衡倒 F 型 PCB 天线，室内有障碍空间端到端的
26、通信距离约为 30m，若附加 PA 模块可增加至 1-3km，且满足多节点自组网实现数据多跳传输，满足收发距离要求。4. 低功耗：收发模式均为 mW 级别，非工作时间为超低功耗休眠模式，普通 5 号电池的连续续航能力约 1 年半到两年，其他无线通信技术望尘莫及。5. 安全可靠: 采用冲突避免载波多路侦听技术（ CSMA-CA）避开数据传输的竞争与冲突；模块采用自组网、动态路由的通信方式，保证了数据传输的可靠性；采用全球唯一的64 位身份识别，并支持 AES-128 加密，具有高保密性。6. 时延短: 休眠激活时延仅为 15ms，设备搜索时延仅为 30ms，信道接入时延仅为 15ms，保证了数据
27、传输的正确性，进一步降低了设备模块的功耗。ZigBee 无线传感网络的显著优势使它在工业自动化、远程控制等拥有大量终端节点的设备网络中得到广泛应用，在其他相关领域也得到辐射与普及，例如智能建筑、家庭自动化、社区安防、环境检测、煤气水电抄表等现代化领域。4.4 zigbee 节点类型及网络拓扑方案1.节点类型在 ZigBee 无线传感网络中存在两种物理设备类型:全功能设备(Full Function Device，FFD)和精简功能设备 (Reduced Function Device，RFD) ，两者相辅相成，紧密配合，共同完成无线传感网络的通信。全功能设备 FFD 具备的功能特性完整、齐全，
28、支持 ZigBee 协议标准规范的所有性能特征。FFD 可作为协调器节点或路由器节点模块使用，具备控制器的存储、计算能力，实现数据发送、数据接收和路由选择等功能，与任何其他设备节点进行双向无线通信，所以FFD 将消耗更多的能量和内存资源。精简功能设备 RFD 功能精简，只具备局部特性。RFD 只能作为终端设备节点模块使用，只负责终端的数据采集并将其转发至上级 FFD 节点，只能与 FFD 节点完成通信，禁止与RFD 节点通信，内存资源要求不高。9图 1 Zigbee 网络节点类型ZigBee 节点模块按组网功能可分为 Coordinator, Router 和 End-Device。ZigBe
29、e 网络由一个 Coordinator 以及若千 Router 和 End-Device 组成，如图 1 所示。协调器节点(ZigBee Coordinator, ZC)包含 ZigBee 网络的所有数据信息，存储容量大，数据处理能力最强; 整个网络中具有中唯一性，且必须为全功能设备 FFD，负责节点上电、网络启动与配置，选择网络标示符(PANID)和通信信道(Channel)，建立 ZigBee 网络，等待新节点入网，并分配 16 位短地址。路由器节点(ZigBee Router, ZR)必须是全功能设备 FFD，成功入网后，获取 16 位网络短地址: 负责路由发现与选择、路由建立与维护，并
30、允许其他设备节点的入网或离网，可作为远距离通信的数据中转站，实现数据的多跳透传。终端设备节点(ZigBee End-Device, ZE)为精简功能设备 RFD 或全功能设备 FFD，无路由功能，只能加入或离开 ZigB ee 网络，只能与上级父节点实现双向通信，获取或转发相关信息，常处于有睡眠或激活工作模式，超低功耗。2.网络拓扑ZigBee 无线传感网络支持多种网络拓扑结构如图 2 所示，包括星形(Star)、树状(Cluster Tree)、网状(Mesh)，有且仅有一个全功能设备 FFD 作为协调器节点，路由节点和终端设备节点的数量若干，由用户自我配置。图 2 Zigbee 网络拓扑结构
