基于移動終端和LabVIEW的智能家居控制系統研究

摘 要： 為了建立更加舒適和安全的家居環境，針對當前智能家居遠程控制存在的問題，提出一種基于移動終端和LabVIEW的智能家居控制系統的設計方法。采用圖形化軟件LabVIEW作為開發平臺，選用NI PCI?6221為數據采集卡對溫度、濕度、危險氣體的采集，以PIC16F877A作為遠程處理單元，通過移動終端實現了家居系統環境的實時遠程控制；并重點討論了火災報警和溫度控制的設計。測試表明該系統實現成本低，操作簡單易用，具有很好的實用價值。

關鍵詞： LabVIEW； 智能家居控制； 數據采集； 傳感器

中圖分類號： TN98?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

隨著計算機網絡技術、傳感器網絡技術及自動控制技術的快速發展，為方便、安全的智能家居的實現提供了可能，使家庭居住環境更加舒適和安全，為人們的家居生活帶來了全新的感受，家居智能化正成為現代化生活的一種趨勢。20世紀80年代在美國出現世界上第一幢智能建筑后，其他經濟比較發達的國家先后提出了各種智能家居的方案[1?3]。我國智能家居行業處于一個快速發展的階段，如何設計一個高效率、低成本、易擴展的智能家居系統已成為企業和科研機構關注的熱點問題。本文基于圖形化軟件LabVIEW軟件開發平臺，實現了智能家居環境的智能化控制，有效地增加了家居環境的舒適性和安全性。

1 智能家居控制系統設計方案

智能家居遠程控制系統通過圖形化軟件LabVIEW 控制主機，利用數據采集卡將數據交由LabVIEW軟件分析處理，用戶使用智能手機實現對家居系統環境的實時遠程控制。圖形化軟件LabVIEW是美國國家儀器公司研發的軟件產品[4?5]，當前工業界和學術界視其為一個標準的數據采集和儀器控制軟件，集成了工程師快速構建應用所需的常用工具，采用圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序是框圖的形式，主要包括前面板、流程圖以及圖標/連接器三部分。由于在Internet網絡與家居控制是一個網絡虛擬環境與家居真實環境；因此LabVIEW軟件充當兩者之間相連接的重要橋梁，用戶通過移動終端能夠方便地控制整個家居環境狀態的變化。基于移動終端和LabVIEW的智能家居控制系統設計如圖1所示。

圖1 智能家居控制系統設計

本文設計的智能家居系統包括5個子系統，在計算機上安裝LabVIEW軟件，LabVIEW作為主控制器控制智能家居的管理，安裝LabVIEW軟件的計算機接收房屋內傳感器的數據，處理信息，并為不同的子系統更新數據、傳輸控制信號和切換不同的輸出設備等。智能家居系統的5個子系統分別為家居火災報警系統、盜竊報警系統、室內溫度控制系統、電源切換系統和燈光子系統。智能家居系統主要由LabVIEW軟件和遠程智能手機實現遠程控制，達到家居環境舒適和安全的目的。

2 智能家居系統數據采集

現代智能家居控制系統首先應采集家居環境的溫度、濕度、危險氣體等多種物理數據值，通過對采集數據的分析以及控制家居電子設備間的智能工作，保證整個室內環境的舒適性和安全性[6?7]。本系統在采集這些家居環境數據后，利用數據采集卡將以上環境數據傳送給LabVIEW軟件處理，完成環境數據的分析、存儲和報警功能。基于移動終端和LabVIEW的智能家居數據采集結構如圖2所示。

圖2 基于LabVIEW數據采集結構

數據采集硬件DAQ設備主要完成家居環境數據的采集，NI公司對旗下的DAQ設備都開發有相應的驅動程序，確保DAQ設備和LabVIEW軟件之間正常通信，驅動程序用戶接口MAX實現的對硬件的配置和測試[8?9]。在選擇數據采集卡時要考慮采樣頻率、采樣方法、分辨率、 電壓動態范圍、I/O通道數等物理性能指標。當前國內外各個DAQ公司產品較多，本文在考慮兼容性和經濟性后，采用了NI公司的M系列的一種多功能數據采集卡NI PCI?6221。PCI?6221具有單端16路/差分8路模擬輸入，分辨率高達16 b，采樣速率為250 KS/s，數據采集過程中主要是采集參數的設置。通道的選擇，采樣模式、采樣率、每通道采樣數、輸入方式的配置采樣最大最小值的設置。具體數據采集圖形化程序見圖3。

圖3 數據采集程序

采集的數據保存在Excel文件中，并傳輸到網絡中共享。本方案中利用LabVIEW的ActiveX編程技術將采集數據上傳至網絡，為以后分析數據提供參考。

3 智能家居系統控制

在許多智能住宅應用程序，遠程控制用于將控制信號發送到中央控制單元，以便進行相關控制。遠程控制系統分為二個部分，分別為遠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。用戶使用智能手機通過遠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遠程控制單獨一個房間負荷。在智能住宅系統中使用射頻模塊和紅外系統連接遠程控制單元和接收單元。遠程控制單元有11個控制開關，將其分成兩部分：一部分是與中央接收器單元相關；另一部分與房間接收單元相關，充許用戶切換每個房間的負載。

3.1 遠程控制單元

本方案使用PIC16F877A被用作遠程處理單元的控制和處理。PIC16F877A有11個輸入端口和6個輸出端口。所有的輸入與按鈕開關相連接，為不同的操作給PIC16F877A發送信號。對于輸出端口，4個端口用于發出并行代碼到射頻模塊編碼器。然后轉化成串行代碼并發送到射頻模塊編碼器：一個端口用于發送數據到紅外線發送單元；另一個端口用于與發光二極管相連接，用于指示PIC16F877A發送的數據。其中紅外線發送單元與PIC16F877A的連接電路如圖4所示。

圖4 發送單元與PIC16F877A連接電路

3.2 接收單元

中心接收單元通過DAQ與LabVIEW相連，使用遠程控制單元的3個開關，用戶能夠設定2個不同的模型。家居中心控制面板有兩種輸出信號，第一個用于火災報警系統，另外一個是用于盜竊報警系統。房間接收單元安裝在每個房間中，在房間接收單元中使用PIC16F877A從射頻模塊譯碼器接收數據。在切換負載的同時，PIC16F877A將輸出信號發送到蜂鳴器，以便發出聲音指示負載的變化。紅外接收機輸出信號與RF模塊編碼器的一個引腳相連，當IR信號達到到房間接收單元時這個引腳將被激活。

4 智能家居系統部分功能設計

4.1 火災報警系統

在火災報警系統中需要用到很多類型的傳感器，火災報警傳感器發出火災預警的信號，最終數據被LabVIEW處理，通過警笛聲音表達存在的風險，并使用天然氣電磁閥切斷氣體的流動。另外，LabVIEW調用VISA寫入函數，將要發送的報警信息通過指令傳送給GSM模塊，實現與GSM短信通信模塊的通信，并發送短消息服務給預留的手機號碼。除了發送報警信息外，系統還將報警的時間和數據信息記錄自動存儲，方便用戶查詢。使用兩個5 V繼電器運行報警警笛和燃氣電磁閥兩個設備，第一個繼電器是N.O.繼電器，連接著24 V直流電壓運行報警警笛。第二個繼電器是N.C.繼電器，連接著220 V交流電電壓運行氣體電磁閥。其信號控制電路如圖5所示。

4.2 溫度控制系統

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傳感器讀取信號作為可變模擬值。根據傳感器的值和設定的溫度要求，LabVIEW給系統發出一個冷卻或加熱信號要求。溫度系統中，使用PWM系統控制加熱和冷卻設備，使用5 V直流電源供應LM35傳感器。這里使用TIP41晶體管，因為它具有在短的時間內切換脈沖的能力。溫度信號功能控制電路見圖6。

圖5 報警功能控制電路

圖6 溫度信號功能控制電路

5 系統測試

為了測試智能家居遠程控制系統的正確性和可靠性，通過智能手機遠程控制家居系統。通過智能手機監控家居設備的運行狀態，在檢測過程中點擊對應的按鈕對設備進行相關操作，經過一段時間對系統進行各項功能驗證，測試結果與預期效果一致，并且操作簡單，達到了家居環境智能化控制的目的。測試結果表明了該系統能夠很好的實現對家居的過程控制，進一步提升了智能家居系統的可控性，對家居設備進行了較好的控制，使現代家居環境更加舒適和安全，具有很好的實用價值。

6 結 語

基于移動終端和LabVIEW的智能家居控制系統有效實現了家居環境的遠程控制，能夠根據家居實際情況智能反饋調節，改善了家居生活環境，并提高了家居生活的安全性。實際運行表明，遠程控制系統運行穩定可靠，實現成本低、操作方便，且易于擴展與維護，不僅可應用于家居住宅環境的遠程控制，還可以用于學校、醫院、企業等相關領域的環境遠程控制，市場應用前景廣闊。下一步研究中應進一步考慮用戶的各種需求，在此系統的基礎上進一步完善各項控制功能，實現更符合我國居民生活習慣的個性化功能。

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