远程控制的智能家居中心 设备控制模块Word文档下载推荐.docx
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ZhangHongwei(SeniorTechnician)
FinishedbyJune,2013
毕业论文(设计)原创性声明
本人所呈交的毕业论文(设计)是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知,除文中已经注明引用的内容外,本论文(设计)不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。
对本论文(设计)的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中作了明确说明并表示谢意。
作者签名:
日期:
毕业论文(设计)授权使用说明
本论文(设计)作者完全了解红河学院有关保留、使用毕业论文(设计)的规定,学校有权保留论文(设计)并向相关部门送交论文(设计)的电子版和纸质版。
有权将论文(设计)用于非赢利目的的少量复制并允许论文(设计)进入学校图书馆被查阅。
学校可以公布论文(设计)的全部或部分内容。
保密的论文(设计)在解密后适用本规定。
指导教师签名:
日期:
蔡祥兵毕业论文(设计)答辩委员会(答辩小组)成员名单
姓名
职称
单位
备注
主席(组长)
摘要
随着建筑业和信息技术的融合,智能家居正逐步走进人们的生活。
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。
近年来更是因为物联网的迅速发展及其巨大的应用前景,将是智能家居产业发展过程中一个比较现实的突破口,对智能家居的产业发展具有重大意义。
本设计基于探索,研究、实验的思路,采用廉价开放的ArduinoAtmega328微控制器为核心,自己动手设计,结合计算机编程技术,Web开发技术和继电器、传感器控制技术等将普通家用电器改造成可以接入互联网,能够远程控制其工作的智能家电设备。
本论文完成了对远程控制的智能家居中心的系统分析,概要设计,并详细描述了设备控制模块的设计思路和实现方法,对系统测试,运行结果也进行了详细说明。
关键词:
智能家居Arduino单片机串口通信继电器传感器
ABSTRACT
Withtheconstructionandintegrationofinformationtechnology,smarthomeisgettingintopeople'
slives.Sinceitssafe,convenient,efficient,fast,intelligentfeaturesofmodernsocietyandthefamilyinthe21stcenturywillbethenewfashion.Inrecentyears,becauseoftherapiddevelopmentoftheInternetofThingsanditsagreatprospect,willbearealbreakthroughintheprocessofindustrialdevelopmentofsmarthome,smarthomeindustrydevelopmentisofgreatsignificance.
Thedesignisbasedontheideaofexploration,research,experiments,usinglow-costopenArduinoATmega328microcontrollerasthecore,do-it-yourselfdesign,combinedwiththetechnologyofcomputerprogramming,Webdevelopmenttechnologiesandrelays,sensors,controltechnologytransformedintocommonhouseholdappliancescanbeconnectedtheInternet,theabilitytoremotelycontroltheirworksmartappliances.Dissertationsmarthomeremotecontrolcentersystemsanalysis,outlinedesign,detaileddescriptionofthedesignideasandmethodsofthedevicecontrolmodule,systemtesting,theresultsarediscussedindetail.
Keywords:
IntelligenthouseholdArduinomicrocontrolleSerialCommunicationsrelaytransducer
目录
第一章绪论3
1.1引言3
1.2开发的背景和意义3
1.2.1开发的背景3
1.2.2开发的意义4
1.3研究现状4
1.4研究内容5
第二章系统分析6
2.1需求分析6
2.1.1系统目标6
2.1.2功能需求7
2.1.3市场需求7
2.2可行性分析8
2.2.1技术可行性8
2.2.2经济可行性8
2.2.3操作可行性8
第三章系统总体设计9
3.1设计主要方案和目标9
3.2系统结构设计9
3.3系统功能设计9
3.3.1多端控制9
3.3.2温度控制10
3.3.3湿度控制10
3.3.4定时控制11
3.3.5红外感应控制11
3.3.6红外开关控制11
3.4系统工作模式12
3.4.1用户控制模式12
3.4.2自动执行模式12
3.5数据流设计13
3.6用户操作流程13
第四章设备控制模块详细设计14
4.1设备控制模块结构设计:
14
4.2arduino单片机控制系统设计:
4.2.1Arduino简介14
4.2.2开发环境介绍16
4.2.3Arduino功能模块介绍17
4.2.4Arduino单片机控制设备数据流23
4.2.5Arduino控制硬件设备工作流程23
4.3.基于硬件的本的控制系统详细设计:
25
4.3.1功能设计:
4.3.2本地控制系统操作流程设计27
第五章设备控制端实现代码28
5.1单片机控制端实现代码28
5.1.1设备状态检测28
5.1.2传感器数据的采集30
5.1.3控制命令的接收33
5.1.4控制指令的执行33
5.2基于硬件的本地控制系统实现代码34
5.2.1获取单片机发回的信息的实现代码34
5.2.2手动模式的实现代码37
5.2.3自动模式的实现代码37
5.2.4报警短信通知的实现代码38
第六章总结与展望40
参考文献41
致谢42
第一章绪论
1.1引言
智能家居(SmartHome)是以家为平台,兼备建筑、自动化,智能化于一体的高效、舒适、安全、便利的家居环境。
它是利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、依照人体工程学原理,融合个性需求,将与家居生活有关的各个子系统如安防、灯光控制、窗帘控制、煤气阀控制、信息家电、场景联动、地板采暖等有机地结合在一起,通过网络化综合智能控制和管理,实现“以人为本”的全新家居生活体验。
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。
[1]
智能家居系统让您轻松享受生活。
出门在外,您可以通过电话、电脑来远程遥控您的家居各智能系统,例如在回家的路上提前打开家中的空调和热水器;
到家开门时,借助门磁或红外传感器,系统会自动打开过道灯,同时打开电子门锁,安防撤防,开启家中的照明灯具和窗帘迎接您的归来;
回到家里,使用遥控器您可以方便地控制房间内各种电器设备,可以通过智能化照明系统选择预设的灯光场景,读书时营造书房舒适的安静;
卧室里营造浪漫的灯光氛围……这一切,主人都可以安坐在沙发上从容操作,一个控制器可以遥控家里的一切,比如拉窗帘,给浴池放水并自动加热调节水温,调整窗帘、灯光、音响的状态;
厨房配有可视电话,您可以一边做饭,一边接打电话或查看门口的来访者;
在公司上班时,家里的情况还可以显示在办公室的电脑或手机上,随时查看;
门口机具有拍照留影功能,家中无人时如果有来访者,系统会拍下照片供您回来查询。
[2]
1.2开发的背景和意义
1.2.1开发的背景
家居智能化技术起源于美国,最具代表性的是X-10技术,通过X-10通信协议,网络系统中的各个设备便可实现资源的共享。
因其布线简单、功能灵活,扩展容易而被人们广泛接受和应用。
至今,X-10技术产品的销售已超过两亿个,仅在美国一个国家,便有超过600万个家庭在使用。
自动化的智能家居不再是一幢被动的建筑,相反,成了帮助主人尽量利用时间的工具,使家庭更为舒适、安全、高效和节能。
智能家居是现代社会最热门的话题之一,它的目标是通过网络等信息通信技术手段实现对家居电器等的智能控制,使其能够按照人们的设定工作运行,而不论距离的远近。
智能化与远程控制是智能家居的两大特点。
目前,已经有越来越多的机构和个人开始了对智能家居的研究。
[3]
物联网概念的问世,打破了之前的传统思维。
物联网把我们的生活拟人化了,万物成了人的同类。
在这个物物相联的世界中,物品能彼此“交流”,无需人的干预。
可以说,这是一个智能化的世界。
智能家居是物联网最生活化的应用之一:
窗帘可以自动感知光线而关闭;
空调更“听话”了,天热它会把温度调低,太潮就会自动抽湿;
灯也知道节能了,房间里没人会自动灭掉;
如此等等,就不一一列举了。
1.2.2开发的意义
智能家居以其安全、方便、高效、快捷、绿色环保等特点,正日益受到人们的追捧,加之其巨大的潜在经济效益,致使各大型企业和建筑公司早已经开始了对其的设计和开发,但其产品价格的价格也让许多家庭望而止步。
现在我们利用廉价开放的ArduinoAtmega328微控制器平台,根据自己的需要对各模块可以进行手工组装、扩展。
加之无线通信技术、串口通信技术、传感器探测技术、继电器控制等技术的使用。
再加上自己设计开发的控制中心和web站点我们就可以用较低的成本来达到我们预想的效果,在体验智能家居带给我们的便利的同时,更有助于提高我们动手操作,软硬件结合编程开发及多学科综合应用的能力。
1.3研究现状
智能家居的原型最早起源于美国。
时至今日,智能家居在美国已走过了将近30个年头。
目前,美国有全球最大的智能化住宅群,其占地3359公顷,由约8000栋小别墅组成。
此外,在欧美、日本、新加坡和韩国等地,智能家居也日渐兴起。
在国内智能家居已经发展了十几年,从最初的有线到后来的无线(433/315技术),再到现在的物联网zigbee技术,一点一点的发展,市场在壮大,zigbee技术已经被更多的人群接受。
现在拥有整套zigbee认证产品的公司,国内有南京物联。
日前,国家发改委发布《关于组织实施2012年物联网技术研发及产业化专项的通知》,将着力培育发展一批物联网技术研发和产品设备制造优势企业。
标志着物联网已上升到国家战略层面,成为国家重点培育的战略性新兴产业之一。
尽管标准尚未统一,但未来家电新产品技术研发和制造必然会围绕物联网而展开。
一般都认为智能家居是带来生活品质的提升,其实物联网智慧家居正在改变这些观点,最显著的变化就是实用、方便、易整合。
每一个家庭中都存在的各种电器,不管是号称智能的冰箱、空调还是传统的电灯、电视一直以来由于标准不一都是独立工作的,从系统的角度来看,他们都是零碎的、混乱的、无序的,并不是一个有机的、可组织的整体,作为家庭的主人面对这些杂乱无章的电器其消耗的时间成本、管理成本、控制成本通常都是很高的并且是非必要的。
对此人们又提出了通过网络化综合智能控制和管理的控制系统,来协调控制真正实现智能家居提出的“以人为本”的全新家居生活体验。
[4]
1.4研究内容
本设计主要研究的内容有:
设备控制端:
在Arduino单片机上编写代码,来接收终端控制系统发来的命令并进行解析,以驱动相应继电器来控制设备的工作,和读取各传感器收集到的信息,并上传到终端控制系统,以实现家居设备的智能化工作。
终端控制系统:
采用c#结合数据库开发语言编写应用程序,一方面通过串口来与单片机进行通信,另一方面通过数据库与Web控制系统进行通信,来实现直接控制设备工作,和转发远程发来的命令控制设备工作。
Web控制系统:
开发一个Web站点,连接终端控制系统的数据库,用户通过登录网站,对数据库进行检索和更新,以实现信息的查看和控制命令的发送。
第二章系统分析
2.1需求分析
2.1.1系统目标
以源码开放的微控制器ArduinoAVRmega328P-PU单片机开发板为核心,结合单片机控制原理、传感器探测技术、继电器控制技术、广域网、局域网通信技术、串口通信技术,用Arduino自己的编程语言和相应的集成开发环境Arduino一0019来进行交互式对象的设计与开发,制作出一些可以通过终端控制中心服务器连接到互联网能被远程控制的智能家居设备(如电饭煲,热水器,电灯,自动浇花机,图像采集器,门窗开关检测器,安防报警器等)。
再设计开发一个终端控制系统用来接收用户远程发送来的指令和智能设备反馈的信号并进行相应处理,以及一个可以支持不同终端设备登陆,来查看设备工作情况和指令发送的web站点。
最终实现用户通过登陆网站来远程控制家里的各设备的工作,形成一套完整的智能家居运用控制体系。
想要实现的预期效果如图2-2-1所示:
图2-2-1实现效果图
2.1.2功能需求
智能家居不应该是一幢被动的建筑,相反,应该是帮助主人尽量利用时间的工具,使家庭更为舒适、安全、高效和节能,让您轻松享受生活。
智能家庭控制系统的主要功能包括家庭设备自动控制、家庭安全防范二个方面。
具体来说可为您提供遥控、家电(空调,热水器等)控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、电话远程控制、可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段,使生活更加舒适、便利和安全。
本设计鉴于资金、设备、条件等因素,完成的功能有:
远程家电(热水器、电饭煲)控制;
远程浇花机控制;
防盗报警,自动照明控制,报警短信通知,远程视频监控等功能。
2.1.3市场需求
智能家居作为家庭信息化的实现方式,已经成为社会信息化发展的重要组成部分,物联网因其巨大的应用前景,将是智能家居产业发展过程中一个比较现实的突破口,对智能家居的产业发展具有重大意义。
物联网在计算机互联网的基础上,利用RFID、无线数据通信等技术,构造一个覆盖世界上万事万物的“InternetofThings”。
在这个网络中,物品(商品)能够彼此进行“交流”,而无需人的干预。
其实质是利用射频自动识别(RFID)技术,通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别和信息的互联与共享。
物联网繁多的应用,造就了一个庞大的产业链,从互联网、电脑、手机、天线等IT通讯领域,到智能卡、芯片、传感器、红外线产品等工业领域,再到冰箱、电视机等制造领域,环环相扣,商机巨大。
美国独立市场研究机构FORESTER预测,到2020年全球“物物互联”业务(即物联网业务),与“人与人通信”业务(即互联网业务)之比将达到30∶1。
专家预计,中国物联网整体产业在2015年将超过一万亿元规模,2050年传感器在生活中将无处不在。
可以想见,物联网发展到一定阶段,家中的电器可以和外网连接起来,通过传感器传达电器的信号。
厂家在厂里就可以知道你家中电器的使用情况,也许在我们之前就知道家中电器的故障。
某一天突然有维修工上门告诉家中空调有问题,我们还惊异地不相信。
这也是家居智能化的一种体现吧。
2.2可行性分析
2.2.1技术可行性
远程控制的智能家居中心所涉及的研究目标,在国内外已经有很多公司和个人在设计开发,具有了一定的理论和实践基础。
通过文献调查,远程控制的智能家居中心的设计,硬件部分主要使用现有的模块进行组装,主要突出上层功能的实现,调用已经开发好的一些功能模块类可以减轻开发的难度。
加之具有多年程序开发经验,及一直致力于软硬件结合开发研究的张红伟老师指导,和Arduino兴趣小组成员的协助,在技术上可行。
2.2.2经济可行性
Arduino同其它微控制器平台相比价格是非常低的,最便宜的Arduino模块可以手工进行组装。
通过对既有平台的使用,能够设计出各种实用的智能设备,将比现在市面出售的一些智能设备更好用却造价低廉。
硬件设备:
开发的PC机,Arduino单片机开发板,电饭煲,热水器,人体红外感应器,蜂鸣器,电灯,继电器模块,家用小水泵。
软件设备:
Windows7,MicrosoftVisio2010,Arduino一0019,MicrosoftVisualStudio2010等。
效益:
通过将远程控制的智能家居中心的研发应用于实践开发并进行设备的完善,将其投入市场,将具有很可观的商业价值,它的使用将能巨大的方便人们的生活,改善人们的生活质量,保障家庭的安全。
2.2.3操作可行性
本设计要求对Arduino单片机编程控制技术,窗体应用程序设计,Web程序设计有一定的掌握,能够通过对于已有文献的学习和已有技术的深层研究,利用在大学期间学习的计算机专业知识和软件程序设计开发基础。
从可操作性的角度来讲,完全可行。
第三章系统总体设计
3.1设计主要方案和目标
本设计的主要方案是,采用Arduino单片机进行编程控制家用设备实现智能化改造,使用数据库技术和计算机编程实现设备与远程控制终端的数据传输,采用Web开发技术制作网站实现远程终端的接入控制。
主要设计实现的目标就是远程用户,可以采用不同终端设备如计算机、平板电脑、手机等,通过互联网登录到系统网站中,来远程的控制家中的一些智能设备。
3.2系统结构设计
本设计主要由三个部分构成,分别是:
设备控制模块、终端控制模块和Web控制模块,各部分实现的功能和采用的技术各不相同,如下图3-2所示:
图3-2:
系统结构图
3.3系统功能设计
3.3.1多端控制
为了能较好的方便用户使用,本系统采用多端控制,即Web网页远程控制,终端自主控制,单片机编程控制这三种控制相结合。
其中Web网页远程控制,是指在用户在离开服务器以后,可以通过互联网登陆Web控制系统的网站,只需在网页上点击相应的按钮,就可以轻松的打开,关闭,查看,管理家中的设备;
终端自主控制指用户在服务器上,也可直接控制本地的设备,无需再登录网站,如此将使本地用户更方便快捷的完成控制;
单片机编程控制主要面向的是高级用户通过编写控制语句写入单片机来控制设备工作,普通用户一般用不到。
如图3-3-1所示:
图3-3-1:
多端控制图
3.3.2温度控制
用获取的温度信息与预设温度上限的对比,来控制相应设备的开关。
如图3-3-2所示:
图3-3-2:
温度控制图
3.3.3湿度控制
用获取的土壤湿度信息与预设的湿度上下限对比,来控制设备的开关。
如图3-3-3所示:
图3-3-2:
湿度控制图
3.3.4定时控制
用获取的当前系统时间与预设定的时间的对比,来控制相应设备的开关。
如图3-3-4所示:
图3-3-4:
定时控制图
3.3.5红外感应控制
用人体红外感应器采集的人体活动信息,与预设条件的对比,来控制相应设备的工作。
如图3-3-5所示:
图3-3-5:
红外感应控制图
3.3.6红外开关控制
用红外开关感应器采集到的门窗开关情况信息进行报警。
如图3-4-7所示:
图3-3-6:
红外开关控制图
3.4系统工作模式
本设计将家居设备的工作模式设计为两种,一种是:
用户手动控制模式;
另一种是:
设备自动执行模式。
3.4.1用户控制模式
用户控制模式式下,设备的工作工作与否主要由用户决定,可以不受条件限制的打开关闭设备,如图3-4-1所示:
图3-4-1:
用户控制模式图
3.4.2自动执行模式
此模式下,设备可以在设定条件的前提下,根据传感器发回的信号进行判断,当条件满足时就自动执行,无需人为干预,此模式下也允许用户强制控制,更突显设计的人性化,如图3-3-2所示:
图3-4-2:
自动执行模式图
3.5数据流设计
图3-5:
数据流向图
3.6用户操作流程
图3-5:
用户操作流程图
第四章设备控制模块详细设计
本设计为小组合作形式完成,本人主要负责设备控制模块的设计实现,终端控制模块的详细设计实现由刘俊斌同学完成,Web控制中心的详细设计实现由陈超同学完成,详情请参考此两位同学的毕业论文。
4.2.1Arduino简介
Arduino是一个单片机的最小系统。
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上,但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件:
CPU、内存、内部和外部总线系统,同时集成诸如通讯接口、定时器、实时时钟等外围设备。
现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
Arduino是一块基于开放源代码的USB接口简单I/O接口板,并且有使用类似JAVA,C语言的IDE集成开发环境,可以很容易实现与Flash和Processing的互动。
集成开发环境是用于提供程序开发环境的应用程序,一般包括代码编程器、编译器、调试器和图形用户界面工具。
就是集成了代码编写功能、分析功能、编译功能、调试功能等一体化的开发软件服务套。
在PC端编写好程序后通过USB线下载到Arduino板上就可以运行。
ArduinoMEGAATmega1280是以ATmega1280为核心的微控制器,具有54个数字I/O接口,CPU频率为16MHz,8KBSRAM,128KB闪存,4KBEEPROM。
ATmega1280单片机内嵌Bootloader,因此能够通过USB接线直接上载程序而不需要通过其它途径或者编程器。
供电部份可选择由USB直接提供电源,或者使用AC-to-DCad
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