智能家居灯光控制系统的设计与实现(毕业设计)

湘潭大学
毕业设计说明书题目：智能家居灯光控制系统的设计与实现
学院：信息工程学院
专业：电子信息工程
学号：**********
*名：**
指导教师：***
完成日期：2010年5月
湘潭大学
毕业设计任务书
设计题目：智能家居灯光控制系统的设计与实现
学号：2006550806姓名：李焕专业：电子信息工程
指导教师：系主任：
一、主要内容及基本要求
主要内容：
利用MATLAB设计一个可视化的用户控制界面和客户端UDP数据报的发送和接收，利用DSP的仿真环境CCS实现服务器端的socket编程，并利用ICETEK-DM642-AVM评估板模拟灯光控制系统的运行模式。

基本要求：
（1）模拟智能灯光控制系统的运行模式作为被控对象，利用DSP对灯具进行控制；
（2）根据评估板上提供的资源，设计智能家居灯光控制系统的用户界面；
（3）在MATLAB环境下设计基于UDP协议的客户端程序；
（4）了解TMS320C6000系列DSP的开发软件CCS，在其上运行服务器端的工程；
（5）进行客户端与服务器端的通信，在评估板上实现对灯具的控制。

二、重点研究的问题
（1）MATLAB GUI设计；
（2）MATLAB工具箱中的UDP工具的使用；
（3）基于Internet的远程控制过程。

三、进度安排
序号各阶段完成的内容完成时间
1查阅资料、工作条件准备2月15日～3月10日2理解消化DSP实验指导书及其相关知识3月11日～3月15日3设计、编程和调试3月15日～5月15日4系统改进5月15日～5月20日5撰写毕业设计说明书5月20日～5月28日6答辩5月31日
四、应收集的资料及主要参考文献
[1]汪安民，程昱，徐保根编著.DSP嵌入式系统开发典型案例[M].北京:人民邮电出版社,2007.
[2]张雄伟著.DSP芯片的原理与开发应用[M].北京:电子工业出版社,2000.
[3]陈垚光.精通MATLAB GUI设计[M].北京:电子工业出版社,2008.
[4]董振海.精通MATLAB7编程与数据库应用[M].北京:电子工业出版社,2007.
[5]李宗.智能家居中灯光控制系统的研究[D].硕士论文.上海:上海交通大学,2008.
[6]李真芳，苏涛，黄小宇.DSP程序开发——MATLAB调试及直接目标代码生成[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003.
[7]王巧花.基于MATLAB的图形用户界面(GUI)设计[J].煤矿机械,2005,(03):60~62.
[8]瑞泰创新.ICETEK-DM642-AVM实验指导书[M].北京:北京瑞泰创新科技有限责任公司.
[9]李方慧.TMS320C6000系列DSP原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2003.6.
[10]王玮,张卫宁等.基于TMS320DM642的网络功能开发的研究与实现[J].计算机应用,2006,26(12):299~302.
[11]TMS320C6000TCP/IP Network Developer’s Kit(NDK)User’s Guide(SPRU523A)[Z].TI,2001.
[12]TI C6000DSP上TCP/IP协议栈的实现[J].网络通讯与安全,2007,(03):688~689.
[13]王磊.基于以太网的嵌入式家电远程控制系统[M].广东:华南农业大学,2006.5.
[14]王军宇等著.数字信号处理技术原理与开发应用[M].北京:高等教育出版社,2003.6.
[15]汪安民,张松灿著.TMS320C6000DSP实用技术与开发案例[M].北京:人民邮电出版社,2008.
[16]江思敏,刘畅著.TMS320C6000DSP应用程序开发教程[M].北京:机械工业出版社,2005.
湘潭大学
毕业设计评阅表学号：2006550806姓名：李焕专业：电子信息工程毕业设计题目：智能家居灯光控制系统的设计与实现
评价项目评价内容
选题1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的；
2.难度、份量是否适当；
3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。

能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力；
2.是否有综合运用知识的能力；
3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力；
4.是否具备一定的外文与计算机应用能力；
5.工科是否有经济分析能力。

设计质量1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范；
2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何；
3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。

综合评价
李焕同学所做的“智能家居灯光控制系统的设计与实现”选题符合专业培养目标，体现了学科、专业特点和教学计划的基本要求，能达到综合训练的目的，且难度适中。

毕业设计说明书，文字叙述清楚，方案设计合理、计算正确，符号统一，图表完备、整洁、正确。

体现了该生具有较强的查阅文献、综合归纳资料的能力和较强的外文与计算机应用能力。

评阅人：
年月日
湘潭大学
毕业设计鉴定意见
学号：2006550806姓名：李焕专业：电子信息工程
毕业设计说明书29页图表17张
论文（设计）题目：智能家居灯光控制系统的设计与实现
内容提要：
随着信息技术的应用领域向着人类生活逐渐渗透，智能家居有着非常好的发展前景。

智能灯光控制系统作为智能家居的一部分，也是依托家庭网络的一个智能系统，对于灯光控制系统的研究，将有助于推动整个智能家居系统的发展。

本文所用到的软硬件环境有：MATLAB、DSP的软件仿真环境CCS、TMS320D-M642ICETECK-AVM评估板。

采用典型的客户/服务器模型构建网络通信结构，利用UDP(用户数据报协议)进行数据的发送与接收。

具体实现的内容有：(1)利用MATLAB GUI创建可视化的图形用户界面，制作了智能家居系统界面以及其子系统灯光控制系统的控制界面。

通过点击智能家居系统界面上的按钮可进入灯光控制系统的界面。

(2)使用MATLAB工具箱中的UDP工具创建客户端的应用程序，并把它写在灯光控制系统界面上的连接按钮的回调函数中，当连接按钮按下时，就会创建一个UDP对象。

在退出按钮的回调函数中删除创建的UDP对象。

(3)利用DSP的软件仿真环境CCS实现服务器端的socket编程,将主程序以及相关的配置文件生成一个工程文件，对此工程文件进行编译，连接。

将生成的.out文件下载到TMS320DM642ICETECK-AVM评估板上，利用评估板上的四个LED指示灯来模拟家庭中灯具的运行模式，即显示最近一次服务器从客户端接收到的数据。

指导教师评语
李焕同学查阅了智能家居灯光控制系统的相关资料，对其的运行模式和控制方法有了深入的了解。

利用MATLAB GUI设计了可视化的图形用户界面。

构建了客户/服务器模型，实现了基于UDP数据报的远程控制。

设计结果符合课题所要求的系统功能，达到了设计要求。

该生基础理论较扎实，动手能力较强，对于实验当中出现的各种现象能够及时分析和处理，综合运用能力较强。

在设计过程中虚心请教，态度端正，所写论文结构严谨，内容规范，达到了毕业设计的要求。

同意其参加答辩，建议成绩评定为中等。

指导教师：
年月日
答辩简要情况及评语
李焕同学在毕业答辩过程中，表述简明、条理清楚，基本回答了老师提出的问题。

综合所做毕业设计和答辩情况，经答辩小组研究决定，给予该同学毕业设计成绩为中等。

答辩小组组长：
年月日
答辩委员会意见
答辩委员会主任：
年月日
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
引言 (1)
第1章开发系统简介 (4)
1.1MATLAB环境简介 (4)
1.2TMS320C6000软件开发环境 (5)
1.3ICETEK-DM642-AVM评估板简介 (6)
第2章灯光控制系统客户端功能设计及调试 (8)
2.1智能灯光系统 (8)
2.1.1智能灯光系统的功能 (8)
2.1.2灯光控制系统设计 (9)
2.2客户端GUI程序设计 (10)
2.2.1图形用户界面概述 (10)
2.2.2客户端GUIDE界面设计 (12)
2.3MATLAB GUI程序转换成可执行文件 (15)
第3章远程通信的设计与调试 (17)
3.1网络通信模块设计 (17)
3.2服务器端的socket程序设计 (19)
3.2.1TI通信开发套件NDK的结构 (19)
3.2.2NDK的配置和使用 (19)
3.2.3TCP/IP堆栈的初始化和配置 (20)
3.2.4网络应用程序的开发 (20)
3.3客户端的UDP程序设计 (22)
3.4网络通信调试 (23)
第4章总结和展望 (26)
4.1课题总结 (26)
4.2课题展望 (26)
致谢 (28)
参考文献 (29)
智能家居灯光控制系统的设计与实现
摘要：随着信息技术的应用领域向着人类生活逐渐渗透，智能家居有着非常好的发展前景。

智能灯光控制系统作为智能家居系统的一部分，也是依托家庭网络的一个智能系统。

对于灯光控制系统的研究，将有助于推动整个智能家居系统的发展。

本文利用MATLAB GUI设计了可视化的用户控制界面。

采用典型的客户/服务器模型实现了网络通信。

客户端利用MATLAB工具箱中的UDP工具创建了客户端，实现了数据的接收和发送。

在DSP的软件仿真环境CCS下实现了服务器端的socket编程，并将其编译后的.out文件下载到ICETEK-DM642-AVM评估板上，利用其上的四个用户指示灯显示从服务器端接收到得数据，达到了模拟家庭中灯具的运行模式的效果。

关键词：智能家居灯光控制；图形用户界面；用户数据报协议；DSP的软件仿真环境；网络通信
Smart Home Lighting Control System Design and
Implementation
Abstract:With the application of information technology gradually penetrate towards human life,Smart Home has a very good development prospects.Intelligent lighting control systems as part of the smart home,is relying on an intelligent home network system.The lighting control system,will help promote the development of the smart home system.
In this paper,MATLAB GUI design a visual user control interface.A typical client/server model to achieve a network communication.The client-side is using MATLAB toolbox tool to create a UDP client to receive and transmit the data.DSP software simulation environment CCS is used to achieve a server-side socket programming.After it is complied,the.out file is available.Download the.out file to the ICETEK-DM642-AVM evaluation board,the four user’s light will show the received data to simulation the operating mode of the family lighting effects.
Keywords:Smart Home Lighting Control System;GUI;UDP;CCS;network communication
引言
一、选题的目的和现实意义
近年来，随着国民经济和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、网络技术、通信技术、控制技术的迅速发展，促使了社会信息化的加速，使人们的工作生活和通讯的关系日益紧密。

信息化的社会在改变人们工作习惯与生活方式的同时，对传统住宅的自动化，信息化，环境舒适化、安全化提出了挑战。

信息化影响了人们生活的各个方面，改变了人们的生活习惯，提高了人们的生活质量，家居智能化也正是在这种形势下应运而生。

智能家居系统是利用先进的计算机、嵌入式系统和网络通讯技术，将家庭中的各种设备（如照明系统、安防系统、网络家电）通过家庭网络连接到一起。

一方面，智能家居让用户有更方便的手段来管理家庭设备；另一方面，智能家居内的各种设备相互间可以通讯，不需要用户控制也能根据不同的状态互动运行，它对改善现代人类的生活质量，创造舒适、安全、便利的生活空间有着非常重要的意义。

智能家居的开发与建设是21世纪科技发展的必然趋势。

在照明领域，人们已经不满足于单纯地提供亮度这一功能，而是面向系统控制方式的灵活和视觉上的艺术美感发展，智能照明系统就是在这样的背景下产生的。

传统的控制方式能量流和信息流合一，控制简单、有效、直观，但其一旦布线完成后系统就不能再改动。

相比之下，智能家居系统拥有安全、方便、高效、快捷、智能化和个性化的独特魅力，因此具有非常广阔的市场前景，相信具有在不久的将来就会在普通家庭中普及。

照明灯光是生活中不可缺少的部分。

那么智能照明控制系统也就是智能家居系统中不可缺少的一部分，对其的研究有很大的社会价值。

以下是智能照明系统的特点：
(1)创造有效率的照明环境、实现节约能源的功能。

借助各种不同的预设置控制方式，对不同时间不同环境进行精确设置和合理管理，充分利用自然光，自动调节照度，只有在必要时才把灯点亮或者点到要求的照度，利用最少的能源保证所要求的照度水平，节能效果十分明显。

(2)延长光源寿命。

系统具有软启动和软关断技术，避免了开启灯具时电流对灯丝的热冲击，使得灯具寿命延长。

(3)提高照明质量。

系统会按照预先设置的标准亮度使照明区域保持恒定的照度，而不受灯具效率降低和墙面反射衰减的影响。

(4)以人为本的科学化照明。

以人的行为、视觉功效、视觉生理心理研究为基础，开发更具有科学含量的、以人为本的高效、舒适、健康的智能化照明。

进一步地满足不同个体、不同层次群体的照明要求，是使照明从满足一般人的需求到满足个体、个性需
求的必不可少的技术手段。

二、选题的国内外研究现状
智能照明系统一般由传感器（如光线感应器、面板开关等）、执行器（如调光电子镇流器）、网络通讯单元（路由器、中继站等）以及辅助单元（如电源，导轨）等组成，遵循统一的网络协议，借助各种不同的“预设置”控制方式和控制元件，对不同时间不同环境的光亮度进行精确设置和合理管理。

此外智能照明系统中还可对荧光灯进行调光控制，由于荧光灯采用了有源滤波技术的可调光电子镇流器，降低了谐波的含量，提高了功率因数，降低了低压无功损耗。

现代意义上的智能照明网络是从舞台灯光控制系统发展起来的：1986年美国影视剧场技术协会（USITT）的工程委员会开始制定控制灯光设备和附件的数字式传输协议—DMX512协议，1990年发布正式文本。

现在调光网络领域中影响较大的CAN协议和ART-net协议都是在此基础上发展而来的。

随着楼宇自动化和办公自动化的兴起，智能照明控制系统的应用从剧场的舞台灯光逐渐转向各种建筑物的照明。

照明控制技术方式已由集中控制方式转变到集散控制和分布式控制。

特别是分布式控制的出现，使照明控制方式达到了比较完善的应用。

与此同时，面向建筑物照明的网络协议也纷纷涌现，并各有特色。

根据协议的开发背景和功能特点大致这些协议可分为以下几类：一类是著名的灯光设备制造厂商单独开发的，如澳大利亚Clipsal的C-Bus协议和Dynalite公司的Dynet协议，美国路创的LUTRON灯光控制技术等；另一类是某一领域的厂商联合起来，针对专门调光系统制定的协议，如DALI协议；还有一类是智能家居协议中的灯光控制部分，如EIB和X-10系统的灯光控制子系统等。

三、选题的研究方法
本文将要论述的灯光远程控制是指在网络上由一部终端（主控端Remote/客户端）远距离去控制另一台DSP为核心的服务器（被控端Host/服务器端）的技术，这样便于利用DSP的高速运算能力实现对数据的实时采集和处理，从而实现智能家居系统的功能设计。

远程控制必须通过网络才能进行。

目前TCP/IP协议应用范围最广，所以在本设计将TCP/IP协议移植到DSP上，以其作为服务器端。

这样可以通过互联网访问DSP,充分利用DSP强大的数据处理能力和极高的运行速度来实时处理数据，从而实现对智能家居系统的控制。

UDP（用户数据报协议）是一种面向无连接的不可靠的协议，UDP 报头中包含校验和，能够用来检测和丢弃包含无码的包。

它适合进行实时通信，因此本文采用UDP来传输数据。

设计采用经典的客户/服务器(C/S)模式来达到数据交互的目
的。

在具体实现时客户端利用MATLAB做出GUI作为控制界面并创建UDP对象，而在服务器端（以DSP为核心）采用TI NDK下的Socket编程来实现。

最终的实验可以通过MATLAB开发出的GUI在局域网内以远程访问的方式来控制DSP，模拟控制家居中灯具的运行模式，设计达到了预期的效果。

四、论文结构
引言对选题的目的、现实意义、国内外研究状况、研究方法和论文结构进行了阐述。

第一章简要介绍开发系统所使用的软硬件环境。

第二章介绍了灯光控制系统客户端的设计及调试。

介绍了客户端的GUI程序设计以及将其转换为可执行文件的步骤。

第三章介绍了系统的网络通信。

分别介绍了远程通信控制系统的客户端和服务器端的设计。

第四章总结本文的研究工作，并提出了下一步的研究方向。

第1章开发系统简介
1.1MATLAB环境简介
在科学研究和工程应用中，往往要进行大量的数学计算，其中包括矩阵运算。

这些运算一般来说难以用手工精确和快捷地进行，而要借助计算机编制相应的程序做近似计算。

目前流行用Basic、Fortran和C语言编制计算程序,既需要对有关算法有深刻的了解，还需要熟练地掌握所用语言的语法及编程技巧。

对多数科学工作者而言，同时具备这两方面技能有一定困难。

通常，编制程序也是繁杂的，不仅消耗人力与物力,而且影响工作进程和效率。

为克服上述困难，美国Mathwork公司于1967年推出了“Matrix Laboratory”（缩写为Matlab）软件包，并不断更新和扩充。

目前的版本（windows环境）是一种功能强、效率高便于进行科学和工程计算的交互式软件包。

其中包括：一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建模、系统控制和优化等应用程序，并集应用程序和图形在一个便于使用的集成环境中。

在此环境下所解决问题的Matlab语言表述形式和其数学表达形式相同，不需要按传统的方法编程。

Matlab大大降低了对使用者的数学基础和计算机语言知识的要求，而且编程效率和计算效率极高，还可在计算机上直接输出结果和精美的图形拷贝。

综上所述，Matlab语言有如下特点：
(1)编程效率高
它是一种面向科学与工程计算的高级语言，允许用数学形式的语言编写程序且比Basic、Fortran和C等语言更加接近我们书写计算公式的思维方式，用Matlab编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题。

因此，Matlab语言也可通俗地称为演算纸式科学算法语言。

由于它编写简单，所以编程效率高，易学且易懂。

(2)用户使用方便
Matlab语言是一种解释执行的语言（在没被专门的工具编译之前），它灵活、方便，其调试程序的手段丰富，调试速度快，需要学习的时间短。

人们用任何一种语言编写程序和调试程序一般都要经过四个步骤：编辑、编译、连接以及执行和调试。

各个步骤之间是顺序关系，编程的过程就是在它们之间作瀑布型的循环。

Matlab语言与其它语言相比，较好地解决了上述问题，把编辑、编译、链接和执行融为一体。

它能在同一画面上进行灵活操作，快速排除输入程序中的书写错误、语法错误甚至语意错误，从而加快了用户编写、修改和调试程序的速度。

具体地说，Matlab运行时，如直接在命令行输入Matlab语句（命令），包括调用M文件的语句，每输入一条语句，就立即对其进行处理，完成编译、链接和运行的全过程。

(3)扩充能力强
高版本的Matlab语言有丰富的库函数，在进行复杂的数学运算时可以直接调用，而且Matlab的库函数同用户文件在形成上一样，所以用户文件也可作为Matlab的库函数来调用。

因而，用户可以根据自己的需要方便地建立和扩充新的库函数，以便提高Matlab使用效率和扩充它的功能。

(4)语句简单，内涵丰富
Mat1ab语言中最基本最重要的成分是函数，其一般形式为[a，b，c…]=fun(d，e，f，…)，即一个函数由函数名，输入变量d，e，f,…和输出变量a，b，c…组成。

同一函数名F，不同数目的输入变量（包括无输入变量）及不同数目的输出变量，代表着不同的含义。

这不仅使Matlab的库函数功能更丰富，而且大大减少了需要的磁盘空间，使得Matlab编写的M文件简单、短小而高效。

(5)高效方便的矩阵和数组运算
Matlab语言象Basic、Fortran和C语言一样规定了矩阵的算术运算符、关系运算符、逻辑运算符、条件运算符及赋值运算符，而且这些运算符大部分可以毫无改变地照搬到数组间的运算，有些如算术运算符只要增加“·”就可用于数组间的运算。

另外，它不需定义数组的维数，还给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的问题时，显得大为简捷、高效、方便。

在此基础上，高版本的Matlab已逐步扩展到科学及工程计算的其它领域。

因此，不久的将来它一定能名符其实地成为“万能演算纸式的”科学算法语言。

(6)方便的绘图功能
Matlab的绘图是十分方便的，它有一系列绘图函数（命令），例如线性坐标、对数坐标，半对数坐标及极坐标，均只需调用不同的绘图函数（命令）。

在图上标出图题、XY轴标注，格（栅）绘制也只需调用相应的命令，简单易行。

另外,在调用绘图函数时调整自变量可绘出不变颜色的点、线、复线或多重线。

1.2TMS320C6000软件开发环境
Code Composer Studio(CCS)是德州仪器(TI)eXpressDSP™软件与开发工具的核心。

它提供了配置、建立、调试、跟踪和分析程序的工具。

CCS有两种工作模式，即软件仿真器模式：可以脱离DSP芯片，在PC机上模拟DSP的指令集和工作机制，主要用于前期算法实现和调试。

硬件在线编程模式：可以实时运行在DSP芯片上,与硬件开发板相结合在线编程和调试应用程序。

CCS的开发系统主要由以下组件构成：
(1)TMS320C64x集成代码产生工具；
(2)CCS集成开发环境；
(3)DSP/BIOS实时内核插件及其应用程序接口API；
(4)实时数据交换的RTDX插件以及相应的程序接口API；
(5)由TI公司以外的第三方提供的各种应用模块插件。

CCS的功能十分强大，它集成了代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能，而且支持C/C++和汇编的混合编程，其主要功能如下：
(1)具有集成可视化代码编辑界面，用户可通过其界面直接编写C、汇编、.cmd文件等；
(2)含有集成代码生成工具，包括汇编器、优化C编译器、链接器等，将代码的编辑、编译、链接和调试等诸多功能集成到一个软件环境中；
(3)高性能编辑器支持汇编文件的动态语法加亮显示，使用户很容易阅读代码，发现语法错误；
(4)工程项目管理工具可对用户程序实行项目管理。

在生成目标程序和程序库的过程中，建立不同程序的跟踪信息，通过跟踪信息对不同的程序进行分类管理；
(5)基本调试工具具有装入执行代码、查看寄存器、存储器、反汇编、变量窗口等功能，并支持C源代码级调试；
(6)断点工具，能在调试程序的过程中，完成硬件断点、软件断点和条件断点的设置；
(7)探测点工具，可用于算法的仿真，数据的实时监视等；
(8)分析工具，包括模拟器和仿真器分析，可用于模拟和监视硬件的功能、评价代码执行的时钟；
(9)数据的图形显示工具，可以将运算结果用图形显示,包括显示时域/频域波形、眼图、星座图、图像等，并能进行自动刷新；
(10)提供GEL工具。

利用GEL扩展语言，用户可以编写自己的控制面板/菜单，设置GEL菜单选项，方便直观地修改变量，配置参数等；
1.3ICETEK-DM642-AVM评估板简介
ICETEK-DM642-AVM评估板是一个低功耗独立的开发平台，使用户可以对TI的C64xDSP系列芯片进行评测和开发应用。

ICETEK-DM642-AVM评估板还可以作为为TMS320DM642DSP芯片设计的硬件参考板。

它包括完备的板上设备，适合各种应用环境，特别适合于视频处理与自动化控制结合的应用场合。

ICETEK-DM642-AVM评估板上的DSP芯片通过64bit的EMIF接口或8/16bit的3路视频接口连接板上的外围设备。

SDRAM、Flash和UART每一个设备占用其中一个接口。

EMIF接口也连接扩展背板接口，扩展背板接口用来连接背板。

评估板上的AIC23B多媒体编解码器允许DSP进行模拟音频信号的输出和接收。

I2总线用来控制编解码器端口，McASP接口被用来控制数据。

模拟信号通过3个C
3.5mm的音频插座进行输入输出，其相应的分别是（从上到下）直接输出（line output）、。