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室内环境智能调控系统论文
第九届
科文学院科研立项
设计报告
参赛题目:
室内环境智能调控系统
参赛系别:
信息科学系
参赛班级:
09电信2
学生姓名:
刘雪石、蒋露、吉君伟
目录
摘要3
Abstract4
第一章绪论5
1.1课题的来源及背景5
1.2国内外智能家居应用状况6
第二章系统方案7
2.1系统功能设计7
2.2主控系统8
2.3电机驱动模块9
2.4近程通信模块的选择11
2.5直流电机模块12
2.6光控窗帘模块13
2.7无线通讯遥控器模块14
2.8电源模块14
第三章总体方案设计16
3.1信息点位表16
3.2设计依据18
3.3主控电路19
3.4软件设计19
第四章设计总结20
4.1创新之处20
4.2技术说明21
4.3系统适用范围22
第五章测试方法与测试结果23
5.1系统测试概述23
5.2系统测试模型23
5.3系统测试的分类24
5.4测试结果25
第六章结束语26
参考文献27
摘要
本系统以AT89S52单片机为核心,可以通过液晶屏或PC机实时监控家居内各模块的运行状态,也可通过遥控器或PC机对各模块进行无线控制。
本系统功能模块可分为:
无线遥控模块、风扇控制模块、窗帘控制模块、室内恒温控制模块、智能照明模块。
本系统推崇“智能、节能、环保”的科学发展观念,符合当今社会主流,有很强的市场推广前景。
本系统最大特色在于着眼建立一个以Internet网络为依托,ZigBee、蓝牙等近程通信技术复合的多层通信结构,其中以嵌入式智能家居主机为中心,其他单片机设备、嵌入式智能设备为终端节点组成一个星型网络,再连入Internet,力求最大化的适应智能家居的应用需求,最终提供舒适安全、高效节能、具有高度人性化的生活空间。
最后,论文还结合试验论述了智能家居的组建步骤和设计原则,论证了该行业的发展现状和应用前景,着重对“以人为本”的设计原则进行了阐述和倡导。
关键词:
单片机;智能家居;嵌入式系统;无线遥控
Abstract
ThissystemtoAT89S52SCMasthecore,canpasstheLCDpanelorPCreal-timemonitoringofeachmoduleinhouseholdoperationstate,alsothroughremotecontrolorPCineachmoduleforwirelesscontrol.Thesystemfunctionmodulecanbedividedinto:
wirelessremotecontrolmodule,fancontrolmodule,curtaincontrolmodule,indoortemperaturecontrolmodule,intelligentlightingmodule.Thissystemadvocating"intelligence,energysaving,environmentalprotectionofthescientificdevelopmentconcept,inlinewiththemainstreamsociety,thereisastrongmarketpromotionprospects.
ThissystemisthemostdistinctivefeatureoftheontheInternettobuildanetworktorelyon,ZigBee,suchasbluetoothshort-rangecommunicationstechnologycompositemulti-layercommunicationstructure,amongthemwithembeddedintelligenthouseholdhostforthecenter,theothersinglechipequipment,embeddedintelligentdeviceforendnodesformastarnetwork,connectedtoInternet,andstrivetoadapttothemaximumofthesmarthomeoftheapplicationrequirements,andeventuallyprovidecomfortandsafety,highefficiencyandenergysaving,highlyhumanisticlivingspace.
Atlast,thispaperalsodiscussedwiththetestintelligenthouseholdformationofstepsanddesignprinciples,demonstratesthethedevelopmentoftheindustryofthepresentsituationandapplicationprospect,focusesonthe"people-oriented"designprincipleisdiscussedandadvocacy.
Keywords:
SCM;Intelligenthousehold;Embeddedsystem.Wirelessremotecontrol
第一章绪论
1.1课题的来源及背景
信息技术的发展迅速,己深入人类生活的各个领域,并对人类的居住环境和建筑业发展产生了巨大的影响,人们已开始追求充满信息技术、安全技术、高效节能、并具有丰富人文环境的绿色住宅。
不断加快的生活节奏,使人们有了掌握海量信息的需求,急需有一个方便快捷的系统平台,把人们从繁重的家务劳作和繁琐的家电操作中解放出来,并能自动协助人们生活的智能化系统,这就是智能家居系统。
智能家居是信息技术和建筑的完美结合,其目标是使人们拥有安全、舒适、便利、节能、娱乐和优美的生活环境,这是新世纪住宅发展的必然趋势。
传统的家居环境在满足人们最基本的需要的同时,也逐渐凸显了局限性。
比如:
传统的家居没有室内灯光的统一管理,进出房间开灯不方便,不能够方便的做到人走灯灭、节约能源;传统家居环境的安全性能差,不能够做到对于各种危险情况如煤气泄露、入室抢劫等的敏感反应;不能满足远程对家居的智能监控、实时监控、集中监控。
智能家居,又称智能住宅,在国外常用SmartHome表示。
它一般是以住宅为基础平台,综合建筑装潢、网络通信、信息家电、设备自动化等技术,将系统、结构、服务、管理集成为一体的高效、安全、便利、环保的居住环境。
1.2国内外智能家居应用状况
自从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,澳大利亚和东南亚等经济较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。
智能家居在美国,德国,新加坡,日本等国都有广泛的应用。
我国将家庭智能化定义为:
利用4C(即计算机,通讯及网络,自控,IC卡)技术,通过有效的传输网络,将多元化信息服务与管理,物业管理与安防,住宅智能化系统集成,为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段,以期实现快捷高效的超值服务与管理,提供安全舒适的家居环境。
在2000年就已将建设智能化小康示范小区列入国家重点发展反向,这也必然促使智能化走向家庭智能化的方向发展。
智能家居可以定义为一个目标或者一个系统。
利用先进的计算机、网络通信、自动控制等技术,将与家庭生活有关的各种应用子系统有机地结合在一起,通过综合管理,让家庭生活更舒适、安全、有效和节能。
与普通家居相比,智能家居不仅具有传统的居住功能,还能提供舒适安全、高效节能、具有高度人性化的生活空间;将一批原来被动静止的家居设备转变为具有“智慧”的工具,提供全方位的信息交换功能,帮助家庭与外部保持信息交流畅通,优化人们的生活方式,帮助人们有效地安排时间,增强家庭生活的安全性,并为家庭节省能源费用等。
第二章系统方案
2.1系统功能设计
本次设计的智能家居系统的上位机部分主要由单片机为核心、ZigBee模块、温度采集部分、光控模块、窗帘控制模块、电扇控制模块组成。
逻辑功能方框图如下:
图2-1功能模块示意图
2.2主控系统
根据设计要求,我认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题。
据此,拟定了以下两种方案并进行了综合的比较论证,具体如下:
方案一:
选用一片CPLD(如EPM7128LC84-15)作为系统的核心部件,实现控制与处理的功能。
CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点,可利用VHDL语言进行编写开发。
但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。
同时,CPLD的处理速度非常快,而小车的行进速度不可能太高,那么对系统处理信息的要求也就不会太高,在这一点上,MCU就已经可以胜任了。
若采用该方案,必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。
为此,我们不采用该种方案,进而提出了第二种设想。
方案二:
采用单片机作为整个系统的核心,用其控制行进中的小车,以实现其既定的性能指标。
充分分析我们的系统,其关键在于实现小车的自动控制,而在这一点上,单片机就显现出来它的优势——控制简单、方便、快捷。
这样一来,单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。
因此,这种方案是一种较为理想的方案。
针对本设计特点——多开关量输入的复杂程序控制系统,需要擅长处理多开关量的标准单片机,而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机,D/A、A/D功能也不必选用。
根据这些分析,我选定了STC89C52单片机作为本设计的主控装置,52单片机具有功能强大的位操作指令,I/O口均可按位寻址,程序空间多达8K,对于本设计也绰绰有余,更可贵的是52单片机价格非常低廉。
在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后,我们决定采用一片单片机,充分利用STC89C52单片机的资源。
图2-2单片机引脚图
2.3电机驱动模块
方案一:
采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。
方案二:
采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压,从而达到分压的目的。
但电阻网络只能实现有级调速,而数字电阻的元器件价格比较昂贵。
更主要的问题在于一般的电动机电阻很小,但电流很大,分压不仅回降低效率,而且实现很困难。
方案三:
采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。
线性型驱动的电路结构和原理简单,加速能力强,采用由达林顿管组成的H型桥式电路(如图2.1)。
用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下,精确调整电动机转速。
这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下,效率非常高,H型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制,电子管的开关速度很快,稳定性也极强,是一种广泛采用的PWM调速技术。
现市面上有很多此种芯片,我选用了L298N(如图2.2)。
这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大,能承受频繁的负载冲击,还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。
因此决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。
图2-3H桥式电路
图2-4L298N
2.4近程通信模块的选择
长期以来,低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。
自从(Bluetooth)出现以后,曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已,但是蓝牙技术尽管有许多优点,但仍存在许多缺陷。
对工业,家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言,蓝牙技术显得太复杂,功耗大,距离近,组网规模太小等,而工业自动化,对无线数据通信的需求越来越强烈,而且,对于工业现场,这种无线数据传输必须是高可靠的,并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。
智能家居网络传输数据量小,无需太大的传输速度,家庭中的各种家电设备多,需要的网络容量大,信息的实时性要好,时延要短。
ZigBee是近几年发展起来的一种短距离无线通信技术,具有短距离、低功耗、低数据率、低成本、安全可靠等优点。
ZigBee的技术特点决定了其能很好的满足智能家居网络的上述需求。
2.5直流电机模块
输出或输入为直流电能的旋转电机,称为直流电机,它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。
当它作电动机运行时是直流电动机,将电能转换为机械能;作发电机运行时是直流发电机,将机械能转换为电能。
而直流电动机则以其良好的线性调速特性、简单的控制性能、较高的效率、优异的动态特性,一直占据着调速控制的统治地位,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中也得到了广泛的应用。
PWM控制技术,是利用半导体开关器件的导通与关断,把直流电压变成电压脉冲列并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压的目的,因此问题的关键是要产生PWM信号,产生PWM信号有3种方法:
方案一:
分立电子元件组成的PWM信号发生器这种方式是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路,是较早采用的方法,可靠性、可调性较差。
方案二:
软件模拟式利用单片机的一个I/O引脚,通过软件对该引脚输出高低电平来模拟PWM波,该方法占用CPU的时间较多,控制软件较复杂。
方案三:
专用PWM集成电路采用芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片,该方法功能强,但增加了调速系统的成本开销。
综合性能指标、成本、易用性等方面考虑,本方案采用软件模拟式产生PWM控制信号的方法控制电压。
图2-5电机驱动电路
2.6光控窗帘模块
本模块由光控部分,电机驱动以及红外接收来实现对窗帘的控制。
两个等量电阻构成的分压器中点接运算放大器LM358的反向输入端,从而使放大器的输出电压为1/2U。
白天有光照时,光敏电阻传感器对外部环境进行采光,此时阻值小,反向端电压高于正向端,则运算放大器LM358输出端输出高电平,使控制窗帘部分的电机驱动;反之天黑时,光敏电阻传感器阻值大,正向端电压高于反向端,运算放大器LM358输出端输出低电平,则电机不转动。
因此,当光敏电阻传感器采集的模拟信号通过运算放大器LM358传给主控器(单片机)后,主控器(单片机)驱动电机,实现天亮时窗帘自动打开;天黑时窗帘自动关闭同时打开室内的灯。
当窗帘拉开或收回到一边时,左右两侧的红外二极管接收信号,把信号传给主控器(单片机),主控器(单片机)再发出停止指令给电机,电机则停止转动。
通过用红外二极管停止电机的转动能防止电机不停空转而被憋坏,且用红外控制窗帘的停转,能防止突然断电再被开启时,电机再次转动固定转数而烧坏电机。
2.7无线通讯遥控器模块
该模块由发射端与接收端组成,无线发射装置连接上位机(主机)串口通讯与无线接收装置连接主控器(单片机)的串口能进行无线通讯。
通过上位机里的智能家居系统用户界面的相应控制按钮,可使无线发射装置发射出信号给无线接收装置,无线接收装置经过串口送入主控器(单片机),由主控器(单片机)负责处理来自串口的信息,主控器(单片机)接收到信号后,相应的控制门、窗、灯的开关;无线发射装置另又接入3*3矩阵键盘,当确定有按键按下时,主控器(单片机)接收到信号,亦可执行相应的命令控制门、窗户、窗帘、灯的开关。
2.8电源模块
方案一:
采用实验室有线电源通过稳压芯片供电,其优点是可稳定的提供5V电压,但占用资源过大。
方案二:
采用4支1.5V电池单电源供电,但6V的电压太小不能同时给单片机与与电机供电。
方案三:
采用8支1.5V电池双电源分别给单片机与电机供电可解决方案二的问题且能让小车完成其功能。
所以,我选择了方案三来实现供电。
图2-6源设计电路
第三章总体方案设计
3.1信息点位表
表3-1电扇控制点位表
表3-2窗帘控制点位表
图3-1帘控制系统图
3.2设计依据
为了达到以上所提的连锁功能,一个开放性的控制网络平台是必要的,而强调开放性的最主要意义便是各子系统间的可互操作性。
图3-2开放系统网络示意图
3.3主控电路
图3-3主控电路
3.4软件设计
第四章设计总结
4.1创新之处
基于AT89S52单片机控制的多功能智能家居系统具有以下特色:
(1)系统实现了家电控制的智能化,多功能化。
(2)过液晶显示屏动态显示各传感器当前工作状态,能实时检查各传感器是否正常工作。
(3)窗、窗帘、灯用电机控制,电机具有反自锁功能,只有在有电的情况下才能转动,也可防盗。
因此门、窗、窗帘、灯既能通过自动控制,也能人工控制,方便又省事。
(4)模块中,通过上位机里的智能家居系统用户界面能控制家里的电器设备,即使在办公室通过电脑也能对家中的电器设备进行控制。
当白天时,窗帘自动收回,能提醒人们早起而避免闹钟突然响起的吵闹声而受惊,且窗帘停止用红外控制,能防止突然断电再开启时,电机再次转动固定转数而烧坏电机。
(5)采用双电源供电,能保证主控器任何时候都为工作状态。
晴天时,太阳能板吸收阳光对蓄电池充电,将电量储存起来。
平时可用电源对主控器进行供电,一旦停电能用蓄电池对主控器供电,确保常有电状态。
(6)连接电路时,加入自恢复保险丝,当电路发生短路或者过载时,保险丝呈阶跃式迁到高阻态,电流被迅速夹断,从而对电路准确的限制和保护,其微小的电流使保险丝一直处于保护状态,当断电和故障排除后,自恢复保险丝恢复为正常状态,无需人工更换。
(7)装入在房屋模型中,通过模型能更加形象演示出智能家居的智能化。
(8)结构简单,装配方便。
4.2技术说明
智能家居系统运行于房屋模型当中,房屋模型均为手工制造,另用加工工具加工而成。
由于条件有限,电路板除了大赛提供的实验板以外,其他电路板均为上课所学知识、查阅各种资料及指导老师的意见下,自己设计出电路图并焊接完成的。
其中包括:
温度采集电路,门、窗控制电路,,电源电路等。
程序则是自己通过平时所学、积累、实践,编写而成的,有部分程序是参考了书籍中的精华程序编写而成,并无抄袭。
4.3系统适用范围
从目前市场上现有的智能家居控制系统来看,成本较高,也未得到广泛应用。
通过各项数据比较来看,主要是以照明、电器控制功能为核心的智能家居系统。
而本系统在对照明、电器控制的基础上,还能对水流量监测、供电系统、安防系统进行控制,趋近于系统一体化。
该系统不但能适用于家居方面,还能应用于智能会议室,多功能教室,智能小区等,应用广泛适用性强,且成本较低。
元件
数量
元件
数量
元件
数量
直流电机
2只
电阻
若干
集成电路芯片
若干
单片机
1块
二极管
若干
电容
若干
液晶显示
3只
蜂鸣器
1只
电位器
若干
12M晶振
1只
杜邦线
若干
玩具小车
1个
排针
若干
表4-1元件清单
第五章测试方法与测试结果
5.1系统测试概述
系统测试,即通过一定的方法或工具,对被测试对象进行检查或考试,目的是发现被测试对象具有某种属性或者存在某些问题。
本次系统测试的对象是智能家居系统的子系统,现阶段包括短信远程控制系统,温度监控系统。
系统测试的输入是测试用例,输出是测试报告,如图7-1所示。
测试的主要方法是面向功能测试。
系统测试的目标是尽可能早的发现系统缺陷,并确保其得以修复。
图5-1系统测试示意图
5.2系统测试模型
本系统测试选择的模型为V模型,如图7-2所示。
左边是系统测试的需求分析和设计阶段,右边是系统测试的执行阶段。
图5-2系统测试V模型图
5.3系统测试的分类
系统开发过程中采用了如下几种测试方式:
(1)动态测试
动态测试是通过运行系统开展测试工作,即系统开发人员通过使用系统来找出缺陷。
(2)静态测试
静态测试不通过运行系统来开展测试工作。
(3)黑盒测试
黑盒测试又叫功能测试。
即提供系统的输入和接收输出然后检查输出结果和期望输出结果之间是否存在差异。
(4)白盒测试
白盒测试及测试人员在测试过程中了解系统内部结构和执行原理,并根据其开展测试。
5.4测试结果
测试过程中出现过很多错误和不合理的地方,经过反复调试、修改,最终实现了全部功能。
实现的功能有:
1.显示室内温度值,AD输入电压值,DA输出电压值,发送的短信内容,空调的开关按钮,灯泡的开关按钮。
2.通过比较DA端口输出的温度值和设定值来控制开关。
第六章结束语
经过一学期的学习,本次科研立项已经接近尾声。
经过小组的集体努力,我们查阅了大量资料,克服了种种困难,也取得了一定的成绩。
本次设计既丰富了我们的知识,增强了我们的自学能力,又增加了我们的团队协作、与人沟通的能力。
俗话说:
实践是检验真理的唯一标准。
通过这次毕业设计,我们将我们的理论知识与实际操作结合起来,使我们学到了很多课本上学不到的知识。
本课题提高了我们动手能力、实际解决问题的能力和团队协作的能力。
这一切都为我们今后在自己的工作岗位上发挥才能奠定了坚实的基础,并成为我们人生中一笔宝贵的财富。
参考文献
[1]郑灵翔编著,《嵌入式LINUX系统设计》,北京航空航天大学,2008年
[2]孙纪坤、张小全编著,《嵌入式LINUX系统开发技术详解-基于ARM》,人民邮电出版社,2007.9
[3]王进德编著,《嵌入式LINUX程序设计与应用案例》,中国电力出版社,2007.5
[4]郑慕德编著,《嵌入式微型计算机系统实例教程-ARM与LINUX》科学出版社,2006.7
[5]刘淼编著,《嵌入式系统接口设计与LINUX驱动程序开发》,北京航空航天大学出版社,2006.5
[6]魏洪兴等编著,《嵌入式系统设计与实例开发II-基于ARM9微处理器与LINUX操作系统》,清华大学出版社,2005.12
[7]魏洪兴等编著,《嵌入式系统设计与实例开发实验教材II-基于ARM9微处理器与LINUX操作系统》,清华大学出版社,2005.12
[8]金敏等编著,《嵌入式组成、原理与设计编程》,人民邮电出版社,2007.6
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