摘 要： 為了建立更加舒適和安全的家居環(huán)境，針對(duì)當(dāng)前智能家居遠(yuǎn)程控制存在的問(wèn)題，提出一種基于移動(dòng)終端和LabVIEW的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。采用圖形化軟件LabVIEW作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，選用NI PCI?6221為數(shù)據(jù)采集卡對(duì)溫度、濕度、危險(xiǎn)氣體的采集，以PIC16F877A作為遠(yuǎn)程處理單元，通過(guò)移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)了家居系統(tǒng)環(huán)境的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制；并重點(diǎn)討論了火災(zāi)報(bào)警和溫度控制的設(shè)計(jì)。測(cè)試表明該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本低，操作簡(jiǎn)單易用，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： LabVIEW； 智能家居控制； 數(shù)據(jù)采集； 傳感器

中圖分類號(hào)： TN98?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）02?0130?03

Research on smart home control system based on mobile terminal and LabVIEW

WU Qinglin1， 2， ZHOU Tianhong3

（1. The Research Base of Hanshui Culture， Key Research Base of Humanities and Social Sciences of Hubei Colleges， Shiyan 442000， China；

2. Department of Computer Science， Yunyang Teachers’ College， Shiyan 442000， China；

3. Department of Information Engineering， Wuhan Business University， Wuhan 430056， China）

Abstract： In order to establish a more comfortable and safer home environment， a design method of smart home control system based on mobile terminal and LabVIEW is proposed in allusion to the problems existing in the current smart home remote control， in which the graphical software LabVIEW is taken as the development platform， NI PCI?6221 is selected as the data acquisition card to collect the temperature， humidity and hazardous gas， and PIC16F877A is used as the remote processing unit to realize the real?time remote control of the home system environment by mobile terminal. The design of the fire alarm and temperature control is discussed in emphasis. The testing results demonstrate that the system has low cost， simple operation， easy use and perfect practical value.

Keywords： LabVIEW； smart home； control； data acquisition； sensor

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)的快速發(fā)展，為方便、安全的智能家居的實(shí)現(xiàn)提供了可能，使家庭居住環(huán)境更加舒適和安全，為人們的家居生活帶來(lái)了全新的感受，家居智能化正成為現(xiàn)代化生活的一種趨勢(shì)。20世紀(jì)80年代在美國(guó)出現(xiàn)世界上第一幢智能建筑后，其他經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家先后提出了各種智能家居的方案[1?3]。我國(guó)智能家居行業(yè)處于一個(gè)快速發(fā)展的階段，如何設(shè)計(jì)一個(gè)高效率、低成本、易擴(kuò)展的智能家居系統(tǒng)已成為企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。本文基于圖形化軟件LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了智能家居環(huán)境的智能化控制，有效地增加了家居環(huán)境的舒適性和安全性。

1 智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過(guò)圖形化軟件LabVIEW 控制主機(jī)，利用數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)交由LabVIEW軟件分析處理，用戶使用智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)家居系統(tǒng)環(huán)境的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制。圖形化軟件LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器公司研發(fā)的軟件產(chǎn)品[4?5]，當(dāng)前工業(yè)界和學(xué)術(shù)界視其為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，集成了工程師快速構(gòu)建應(yīng)用所需的常用工具，采用圖形化編輯語(yǔ)言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式，主要包括前面板、流程圖以及圖標(biāo)/連接器三部分。由于在Internet網(wǎng)絡(luò)與家居控制是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境與家居真實(shí)環(huán)境；因此LabVIEW軟件充當(dāng)兩者之間相連接的重要橋梁，用戶通過(guò)移動(dòng)終端能夠方便地控制整個(gè)家居環(huán)境狀態(tài)的變化。基于移動(dòng)終端和LabVIEW的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)包括5個(gè)子系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)上安裝LabVIEW軟件，LabVIEW作為主控制器控制智能家居的管理，安裝LabVIEW軟件的計(jì)算機(jī)接收房屋內(nèi)傳感器的數(shù)據(jù)，處理信息，并為不同的子系統(tǒng)更新數(shù)據(jù)、傳輸控制信號(hào)和切換不同的輸出設(shè)備等。智能家居系統(tǒng)的5個(gè)子系統(tǒng)分別為家居火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、盜竊報(bào)警系統(tǒng)、室內(nèi)溫度控制系統(tǒng)、電源切換系統(tǒng)和燈光子系統(tǒng)。智能家居系統(tǒng)主要由LabVIEW軟件和遠(yuǎn)程智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，達(dá)到家居環(huán)境舒適和安全的目的。

2 智能家居系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)代智能家居控制系統(tǒng)首先應(yīng)采集家居環(huán)境的溫度、濕度、危險(xiǎn)氣體等多種物理數(shù)據(jù)值，通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析以及控制家居電子設(shè)備間的智能工作，保證整個(gè)室內(nèi)環(huán)境的舒適性和安全性[6?7]。本系統(tǒng)在采集這些家居環(huán)境數(shù)據(jù)后，利用數(shù)據(jù)采集卡將以上環(huán)境數(shù)據(jù)傳送給LabVIEW軟件處理，完成環(huán)境數(shù)據(jù)的分析、存儲(chǔ)和報(bào)警功能?；谝苿?dòng)終端和LabVIEW的智能家居數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集硬件DAQ設(shè)備主要完成家居環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，NI公司對(duì)旗下的DAQ設(shè)備都開(kāi)發(fā)有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，確保DAQ設(shè)備和LabVIEW軟件之間正常通信，驅(qū)動(dòng)程序用戶接口MAX實(shí)現(xiàn)的對(duì)硬件的配置和測(cè)試[8?9]。在選擇數(shù)據(jù)采集卡時(shí)要考慮采樣頻率、采樣方法、分辨率、 電壓動(dòng)態(tài)范圍、I/O通道數(shù)等物理性能指標(biāo)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外各個(gè)DAQ公司產(chǎn)品較多，本文在考慮兼容性和經(jīng)濟(jì)性后，采用了NI公司的M系列的一種多功能數(shù)據(jù)采集卡NI PCI?6221。PCI?6221具有單端16路/差分8路模擬輸入，分辨率高達(dá)16 b，采樣速率為250 KS/s，數(shù)據(jù)采集過(guò)程中主要是采集參數(shù)的設(shè)置。通道的選擇，采樣模式、采樣率、每通道采樣數(shù)、輸入方式的配置采樣最大最小值的設(shè)置。具體數(shù)據(jù)采集圖形化程序見(jiàn)圖3。

圖3 數(shù)據(jù)采集程序

采集的數(shù)據(jù)保存在Excel文件中，并傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中共享。本方案中利用LabVIEW的ActiveX編程技術(shù)將采集數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)，為以后分析數(shù)據(jù)提供參考。

3 智能家居系統(tǒng)控制

在許多智能住宅應(yīng)用程序，遠(yuǎn)程控制用于將控制信號(hào)發(fā)送到中央控制單元，以便進(jìn)行相關(guān)控制。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)分為二個(gè)部分，分別為遠(yuǎn)程控制單元和接收單元，其中接收單元又分為中心接收單元和房間接收單元。用戶使用智能手機(jī)通過(guò)遠(yuǎn)程控制單元控制中央接收單元和房間接收單元。中央接收單元是遠(yuǎn)程控制的接收器，與LabVIEW相連處理家居的中心操作。房間接收單元是通過(guò)遠(yuǎn)程控制單獨(dú)一個(gè)房間負(fù)荷。在智能住宅系統(tǒng)中使用射頻模塊和紅外系統(tǒng)連接遠(yuǎn)程控制單元和接收單元。遠(yuǎn)程控制單元有11個(gè)控制開(kāi)關(guān)，將其分成兩部分：一部分是與中央接收器單元相關(guān)；另一部分與房間接收單元相關(guān)，充許用戶切換每個(gè)房間的負(fù)載。

3.1 遠(yuǎn)程控制單元

本方案使用PIC16F877A被用作遠(yuǎn)程處理單元的控制和處理。PIC16F877A有11個(gè)輸入端口和6個(gè)輸出端口。所有的輸入與按鈕開(kāi)關(guān)相連接，為不同的操作給PIC16F877A發(fā)送信號(hào)。對(duì)于輸出端口，4個(gè)端口用于發(fā)出并行代碼到射頻模塊編碼器。然后轉(zhuǎn)化成串行代碼并發(fā)送到射頻模塊編碼器：一個(gè)端口用于發(fā)送數(shù)據(jù)到紅外線發(fā)送單元；另一個(gè)端口用于與發(fā)光二極管相連接，用于指示PIC16F877A發(fā)送的數(shù)據(jù)。其中紅外線發(fā)送單元與PIC16F877A的連接電路如圖4所示。

圖4 發(fā)送單元與PIC16F877A連接電路

3.2 接收單元

中心接收單元通過(guò)DAQ與LabVIEW相連，使用遠(yuǎn)程控制單元的3個(gè)開(kāi)關(guān)，用戶能夠設(shè)定2個(gè)不同的模型。家居中心控制面板有兩種輸出信號(hào)，第一個(gè)用于火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，另外一個(gè)是用于盜竊報(bào)警系統(tǒng)。房間接收單元安裝在每個(gè)房間中，在房間接收單元中使用PIC16F877A從射頻模塊譯碼器接收數(shù)據(jù)。在切換負(fù)載的同時(shí)，PIC16F877A將輸出信號(hào)發(fā)送到蜂鳴器，以便發(fā)出聲音指示負(fù)載的變化。紅外接收機(jī)輸出信號(hào)與RF模塊編碼器的一個(gè)引腳相連，當(dāng)IR信號(hào)達(dá)到到房間接收單元時(shí)這個(gè)引腳將被激活。

4 智能家居系統(tǒng)部分功能設(shè)計(jì)

4.1 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中需要用到很多類型的傳感器，火災(zāi)報(bào)警傳感器發(fā)出火災(zāi)預(yù)警的信號(hào)，最終數(shù)據(jù)被LabVIEW處理，通過(guò)警笛聲音表達(dá)存在的風(fēng)險(xiǎn)，并使用天然氣電磁閥切斷氣體的流動(dòng)。另外，LabVIEW調(diào)用VISA寫入函數(shù)，將要發(fā)送的報(bào)警信息通過(guò)指令傳送給GSM模塊，實(shí)現(xiàn)與GSM短信通信模塊的通信，并發(fā)送短消息服務(wù)給預(yù)留的手機(jī)號(hào)碼。除了發(fā)送報(bào)警信息外，系統(tǒng)還將報(bào)警的時(shí)間和數(shù)據(jù)信息記錄自動(dòng)存儲(chǔ)，方便用戶查詢。使用兩個(gè)5 V繼電器運(yùn)行報(bào)警警笛和燃?xì)怆姶砰y兩個(gè)設(shè)備，第一個(gè)繼電器是N.O.繼電器，連接著24 V直流電壓運(yùn)行報(bào)警警笛。第二個(gè)繼電器是N.C.繼電器，連接著220 V交流電電壓運(yùn)行氣體電磁閥。其信號(hào)控制電路如圖5所示。

4.2 溫度控制系統(tǒng)

方案中使用LM35溫度傳感器，從LM35溫度傳感器讀取溫度基本元素值。傳感器直接與采集器直接連接，LabVIEW從LM35傳感器讀取信號(hào)作為可變模擬值。根據(jù)傳感器的值和設(shè)定的溫度要求，LabVIEW給系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)冷卻或加熱信號(hào)要求。溫度系統(tǒng)中，使用PWM系統(tǒng)控制加熱和冷卻設(shè)備，使用5 V直流電源供應(yīng)LM35傳感器。這里使用TIP41晶體管，因?yàn)樗哂性诙痰臅r(shí)間內(nèi)切換脈沖的能力。溫度信號(hào)功能控制電路見(jiàn)圖6。

圖5 報(bào)警功能控制電路

圖6 溫度信號(hào)功能控制電路

5 系統(tǒng)測(cè)試

為了測(cè)試智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的正確性和可靠性，通過(guò)智能手機(jī)遠(yuǎn)程控制家居系統(tǒng)。通過(guò)智能手機(jī)監(jiān)控家居設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，在檢測(cè)過(guò)程中點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的按鈕對(duì)設(shè)備進(jìn)行相關(guān)操作，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行各項(xiàng)功能驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果與預(yù)期效果一致，并且操作簡(jiǎn)單，達(dá)到了家居環(huán)境智能化控制的目的。測(cè)試結(jié)果表明了該系統(tǒng)能夠很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的過(guò)程控制，進(jìn)一步提升了智能家居系統(tǒng)的可控性，對(duì)家居設(shè)備進(jìn)行了較好的控制，使現(xiàn)代家居環(huán)境更加舒適和安全，具有很好的實(shí)用價(jià)值。

6 結(jié) 語(yǔ)

基于移動(dòng)終端和LabVIEW的智能家居控制系統(tǒng)有效實(shí)現(xiàn)了家居環(huán)境的遠(yuǎn)程控制，能夠根據(jù)家居實(shí)際情況智能反饋調(diào)節(jié)，改善了家居生活環(huán)境，并提高了家居生活的安全性。實(shí)際運(yùn)行表明，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)成本低、操作方便，且易于擴(kuò)展與維護(hù)，不僅可應(yīng)用于家居住宅環(huán)境的遠(yuǎn)程控制，還可以用于學(xué)校、醫(yī)院、企業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域的環(huán)境遠(yuǎn)程控制，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。下一步研究中應(yīng)進(jìn)一步考慮用戶的各種需求，在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善各項(xiàng)控制功能，實(shí)現(xiàn)更符合我國(guó)居民生活習(xí)慣的個(gè)性化功能。

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