浙江大学宁波理工学院labview智能家居仿真.docx
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浙江大学宁波理工学院labview智能家居仿真
检测技术与仪表实验
课程设计
需要程序联系QQ1522834810
题目基于LABVIEW的智能家居控制设计__
姓名__
学号_
专业班级_
任课教师李园/钟伟红__________
分院信息科学与工程学院_____
完成日期2012年12月20日____
摘要
随着嵌入式技术的发展和高速宽带网络的普及,利用网络实现远程监控已为人们广泛接受,嵌入式网络监控技术正是在此条件下逐步发展成熟起来的.用户使用Web浏览器,通过以太网远程访问内置Web服务器的监控摄像机,不但可以实现对现场的远程视频监控,而且可以向监控现场发送指令。
在整个系统的实现过程中,嵌入式Web服务器起着十分重要的作用,实现智能化离不开运算和控制单元。
本文中,我们探讨实现室内外温度,湿度,光照强度的智能控制。
采用虚拟仪器技术,数据采集并测得电气物理量,如电压、电流、温度等,基于数据采集以及LABVIEW仿真,通过软硬件与计算机的结合,实现了测量的自动化并提供可分析数据,对于温度程序的核心思想,其实就是利用这个系统能够根据温度的变化做出相应的处理,比如说外部温度比设定的温度低那么我就需要让取暖器发挥作用来升温度,设置相关反馈环节,基于LABVIEW的温度控制系统,主要讲述控制系统软件方面的设计,首先对温度传感器采集到的温度信号(转化并处理为电压信号)输入到采集卡模拟输入端口,采集卡将信号送入LABVIEW程序处理后,控制取暖器的工作功率。
实现了测量的自动化并提供可分析数据,实现使室内的温度、湿度、光照度等保持一个基本平衡的状态的智能化系统。
Internet向普通家庭生活不断扩展,消费电子、计算机、通讯一体化趋势日趋明显,现代智能家居由于其安全、方便、高效、快捷、智能化等特点在21世纪将成为现代社会和家庭的新时尚。
当家庭智能网关将家庭中各种各样的家电通过家庭总线技术连接在一起时,就构成了功能强大、高度智能化的现代智能家居系统。
而基于嵌入式系统的家庭智能系统在国内才刚刚出现,随着嵌入式技术更加广泛的应用,随着成本的逐步降低,中国的智能家居最终将走向嵌入式。
关键词:
温度反馈嵌入式系统LABVIEW数据采集
目录
摘要I
目录II
1引言1
1.1背景和意义1
1.2主要工作1
2总体设计方案2
2.1系统设计方案2
2.1.1温度控制设计:
2
2.1.2湿度控制设计:
4
2.1.3光照度控制方法:
4
3传感器选型4
3.1温度传感器4
3.2湿度传感器6
3.3光敏电阻传感器6
4LABVIEW仿真7
5总结与展望9
参考文献9
1引言
1.1背景和意义
智能家居,又称智能住宅,在国外常用SmartHome表示。
它通过以住宅为平台,利用综合布线技术、网络通信技术、智能家居-系统设计方案安全防范技术、自动控制技术、音视频技术等将家居生活有关的设施集成,构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统,提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性,并实现环保节能的居住环境。
智能家居概念的起源甚早,但一直未有具体的建筑案例出现,直到世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现后,美国、加拿大、欧洲和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。
我国的智能家居始于上个世纪90年代末,中国的智能家居行业取得了更加迅猛的发展并日益渗透到平常百姓的生活当中[6]。
家居智能化时代正逐步为消费者耳熟能详。
在未来,没有智能家居在未来,没有智能家居系统的住宅也许会像今天不能上网的住宅那样不合潮流[5]。
我们运用虚拟仪器的技术,进行LABVIEW软件模拟设计,所谓虚拟仪器就是以计算机作为仪器统一的硬件平台,充分利用计算机的运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等智能化功能,同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化,使之与计算机结合构成一台从外观到功能都完全与传统硬件仪器相同,同时又充分享用了计算机智能资源的全新仪器系统。
与传统仪器相比,它的最大特点就是把由仪器生产厂家定义仪器功能的方式转变为由用户自己定义仪器功能,满足多种多样的应用需求。
LABVIEW使用了“所见即所得”的可视化技术建立人机界面,提供了许多仪器面板中的控制对象。
如表头、旋钮、开关及坐标平面图,以及多种强有力的工具箱和函数库,并集成了很多仪器硬件库等。
用户可以通过使用编辑器将控制对象改变为适合自己工作领域的控制对象。
随着现代测试技术的不断发展,以LABVIEW为软件平台虚拟仪器测量技术正在现代测控领域占据越来越重要的位置。
随着计算机技术的飞速发展,美国国家仪器公司率先提出了虚拟仪器的概念,彻底打破了传统仪器由厂家定义、用户无法改变的模式,使测控仪器发生了巨大变革。
虚拟仪器技术充分利用计算机的强大运算处理功能,突破传统仪器在数据处理、显示、传输、存储等方面的限制,通过交互式图形界面实现系统控制和显示测量数据,并使用框图模块指定各种功能。
采用集成电路温度传感器和虚拟仪器方便地构建一个测温系统,且外围电路简单,易于实现,便于系统硬件维护、功能扩展。
1.2主要工作
智能家居系统是指依靠传统的计算机扩展不同的接口部件,要实现家居的智能化就一定要实时且智能的更新数据,通过这些更新的数据进行相应的操作实现智能化。
其中涉及本专业的主要是数据的采集,电路的设计和硬件的驱动。
本文主要介绍,将计算机与网络技术、信息技术、自动控制技术等相结合,实现使室内的温度、湿度、光照度等保持一个基本平衡的状态的目标。
同时对室内温度的实现控制进行LABVIEW仿真。
通过调查,发现目前多数的取暖器是恒功率输出的。
这样既不节能环保,也不能满足我们对智能家居概念的需求。
为此,我们这次主要的目的是设计一个基于LABVIEW的取暖器控制器,类似空调,要求完成取暖器可以自动完成根据室内温度变化,输出适合的功率,控制室内的温度,对于温度的调节有反馈功能,另一方面,因实验设备以及知识储备限制,对于室内湿度与光照强度在此我们做简略介绍。
查找相关资料,收集数据,理解其基本工作原理。
2总体设计方案
2.1系统设计方案
对于基于LABVIEW的智能家居设计探讨,我们主要设计控制室内温度保持平衡,包括对温度数据的相关采集,加以反馈,如温度超出或低于我们的设定温度,可以智能做调整返回至初始我们设定的温度,运用数据采集卡将采集数据反馈到计算机,对于湿度,光照强度的控制,因实际情况所限,我们做详略介绍,并无深入研究,这也正是本系统模型需优化之处。
2.1.1温度控制设计:
升温、降温是通过调节取暖器档位来实现的,如果外界的温度还没有低于设定温度值时,火炉的就不工作,功率会变小甚至为零;当外界温度值逐渐低于设定温度范围时,那么就需要使得火炉的档位提高到1档,以达到对外界物体进行升温的效果;当外部的温度低于设定的温度5度时,就要增加使得火炉的档位提高到2档,进而加速使得温度维持平衡。
基于此我们在温度的控制的这一部分,通过判断外部温度和设定温度的差值的温度范围来实现温度调节器的档位选取,经过判断程序,实现程序设计。
我们可以直观的看到经过系统处理后的成果,这样便于分析系统中可能存在的问题,这个程序的显示部分由三大部分组成,首先就是温度的曲线图像,利用电压来模拟外部的温度变化可以从温度曲线图像上直观的看到,第二部分就是设定和实际温度的值,由温度计和输出单元显示,温度的变化必定会使得这两个温度占空比的图像发生变化。
所以,通过这两个占空比图像我们就可以了解到程序的是否正确,基于此labview仿真加热,效果见仿真。
验证程序的正确性后,进行调节器的温度显示以及档位指示灯部分,这里我设计了LED指示灯配合仪表显示,用来显示加热的仪器的实际工作功率,档位指示灯就是用来更为清晰地掌握此时温度调节器工作在什么档位级别,方便使用者更加的了解其工作的状态。
简略程序框图设计如下
N
Y
N
Y
N
Y
Y
N
Y
2.1.2湿度控制设计:
湿度的概念是空气中含有水蒸气的多少。
它有三种表示方法:
第一是绝对湿度,表示每立方米空气中所含的水蒸气的量,单位是千克/立方米;第二是含湿量,表示每千克干空气所含有的水蒸气量,单位是千克/千克#干空气;第三是相对湿度,表示空气中的绝对湿度与同温度下的饱和绝对湿度的比值,得数是一个百分比。
日常生活中所指的湿度为相对湿度,而且一般情况下湿度为50%为最舒适的环境,而我们要设置极限数据一般设为80%,因此如果湿度传感器持续采集到10个湿度数据的平均值超过80%RH,则关闭窗户,否则打开窗户。
2.1.3光照度控制方法:
照度(Luminosity)指物体被照亮的程度,采用单位面积所接受的光通量来表示,表示单位为勒[克斯](Lux,lx),即1m/1mC2。
1勒[克斯]等于1流[明](lumen,lm)的光通量均匀分布于1mC2面积上的光照度。
照度是以垂直面所接受的光通量为标准,若倾斜照射则照度下降。
照度的计算方法,有利用系数法、概算曲线法、比功率法和逐点计算法等。
表1提供了几种不同工作情况下的标准照度值。
表1不同工作情况下的标准照度值
夏季中午在太阳能直接照射下
没有太阳的室外
明朗夏天的室内
细小精致的工作
使用危险性的小的带刃工具的工作
在工作台上作细小精致的工作
阅读、观看各种仪器所示的读数,纺织
走廊
楼梯
在满月底下
1000000
100000-1000
500-100
100
100
75
50
10
8
0.2
那么可以将极限照度设置为明朗的夏天的室内照度的中间值300勒克司,也就是说,当照度感器持续采集到10个照度数据的平均值超过300勒克司时,关闭窗帘,否则打开窗帘。
具体的功能实现与上述的温度和湿度测试相同,只是设定的参数界限不同。
3传感器选型
3.1温度传感器
为了保证较好的稳定性和可靠性,同时兼顾成本和工艺,我们选用PT100温度传感器如图1。
PT100是铂热电阻,它的阻值跟温度的变化成正比。
PT100的阻值与温度变化关系为:
当PT100温度为0℃时它的阻值为100欧姆,在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。
它的工业原理:
当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆,它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。
主要用于工业过程温度参数的测量和控制。
带传感器的变送器通常由两部分组成:
传感器和信号转换器。
传感器主要是热电偶或热电阻;信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成(由于工业用热电阻和热电偶分度表是标准化的,因此信号转换器作为独立产品时也称为变送器),有些变送器增加了显示单元,有些还具有现场总线功能。
图1图2
技术参数:
1.输入响应时间(模块内数据更新率)为1秒同步测量。
2.1路隔离的485,MODBUSRTU通讯协议。
3.采用RS-485二线制输出接口时,具有+15kV的ESD保护功能。
4.速率(bps)可在1200、2400、4800、9600、19200、38400、57600、115200中选择。
5.可选的双协议通讯功能,客户可要求具有ASCII码格式或十六进制格式通讯协议。
6.当指令为ASCII码格式时,适合于微机编程接口;指令为十六进制格式时,适合于单片机编程接口。
7.可设置的温度上下限报警功能(仅LM系列)。
8.精度等级:
0.2级。
9.供电电源:
+7.5~30V。
10.功耗小于0.1W。
11.主机工作温度范围为-40℃~+85℃。
12.测量范围为-200℃~+200℃。
13.存贮条件为-40℃~+85℃(RH:
5%~95%不结露)。
14.体积:
LM系列为106mm×98mm×22mm;WD系列为26mm×98mm×41mm
15.安装方式:
LM系列为壁挂式安装孔,内置斜撑支架也可桌面摆放;WD系列为DIN导轨卡装。
3.2湿度传感器
产品型号:
DHT11数字式温湿度传感器DHT11
技术参数:
供电电压:
3.3~5.5VDC输出:
单总线数字信号
测量范围:
湿度20-90%RH,温度0~50℃
测量精度:
湿度+-5%RH,温度+-2℃
分辨率:
湿度1%RH,温度1℃
参考价格:
8元/个
3.3光敏电阻传感器
技术参数:
4LABVIEW仿真
主要进行的维持室内温度平衡,以及相关数据采集以及仿真程序设计如下:
图3采集面板图4采集程序
图5显示子程序面板
图6显示子程序程序
图7主程序
采用虚拟仪器技术,数据采集与labview仿真的结合尤为重要,展现总仿真如图图6
图8主界面加取暖器工作值(其中包含相关数据采集)
5总结与展望
我们引入基于虚拟仪器技术的智能家居系统,并用虚拟软件将其实现,主要以PC机为核心。
当然还可以将无线技术引入到控制系统中,实现真正的智能化。
实际运行表明:
采用虚拟仪器技术开发的智能家具系统,具有界面友好、功能强大、操作方便、运行稳定等特点,该设置将为智能家居系统的发展提供良好的依据。
整个开发过程遵循了UML模型驱动方法,即使用UML用例图、类图、顺序图和活动图进行系统分析和设计。
还使用了功能流程图和数据流图。
这些图形模型在系统实现过程中起到了指导作用。
运用了模块化和逐步求精原理,逐步细化模型和功能。
采用了快速原型法,逐个建立起可以运行并完成一些简单操作的程序。
调试程序、使用UML模型,发现问题,改进、丰富程序,再进行调试,逐步实现所需功能。
在此基础上能进一步去实现智能家具的网络化,智能化家庭网络市场将逐步形成完整的产业链统一的行业技术标准和规范将会出现目前国家经贸委、信息产业部、国家技术质量监督局等正组织有关部门抓紧制订标准。
无论是集体应用还是个人消费用户的需求将更多地反映在对智能化家庭网络全面应用解决方案的迫切需要上面。
这一需要不单会成为拉动市场快速扩张的原动力而且还会进一步成为推动企业进行技术、产品和管理创新的主要因素。
参考文献
[1]吴仲城,戈瑜,虞承端,方廷健;传感器的发展方向——网络化智能传感器[J];电子技术应用;2001年02期
[2]周洪,胡文山,张立明,卢亦焱.智能家居控制系统[M].中国电力出版社,2006.01.
[3]李宏宇;基于嵌入式平台远程空调控制系统的研究[D];东北农业大学;2009年
[4]刘仁普,左毅。
仪器开发系统的新纪元—LabVIEW软件系统[J]。
电子科技导报,1995:
。
[5]詹惠琴,古军等.虚拟仪器设计[M].北京:
高等教育出版社.2008.
[6]ElyesBenHamida.ImpactofthePhysicalLayerModelingontheAccuracyandScalabilityofWirelessNetworkSimulation.[J].SIMULATION,2009,85(9)
[7]S.W.Ambler.TheObjectPrimer:
AgileMode-lDrivenDevelopmentwithUML2.0,3rdEdition[M].CambridgeUniversityPress,2004
[8]G.Booch,J.RumbaughandI.Jacobson.TheUn-ifiedModelingLanguageUserGuide,2ndEdition[M].Addison-Wesley,2005
[9]OMG.UnifiedModelingLanguage,Version2.0[S].2003
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