基于NiosⅡ的智能家居控制平臺的設計

汪嬌梅

摘 要 本文以EP2C8Q208C8N為平臺控制核心，采用32位嵌入式處理器NiosⅡ軟核，結合Verilog HDL硬件描述語言和C語言的混合編程實現智能家居控制平臺。實時采集溫度與光照強度數據，并實時顯示在液晶屏LCD1602上。實現了室內環境的人機交互，通過參考用戶設置，控制相關的家電調節室內環境，可以定時定點的開關家電達到節能省電的目的，建造一個舒適環保的家居生活。

關鍵詞 嵌入式處理器；NiosⅡ；FPGA；智能家居

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）161-0059-02

1 平臺設計方案及軟核配置

1.1 平臺基本架構

本平臺根據數據處理的過程，其層次結構可以大致分為3塊，如圖1所示。

平臺根據層次結構可以大致分為3塊，分別為：數據采集轉換處理部分、數據處理控制部分、輸出顯示控制部分。

1.2 軟核配置思路

平臺所需要的設備以及各個設備之間的關聯如圖2所示。

2 硬件平臺設計

外設驅動的設計：

Nios Ⅱ外部搭載電路包含時鐘發生、環境溫度采集、環境照度采集、人機交互以及PWM脈寬調制信號生成共五個部分，均采用Verilog HDL硬件描述語言設計。

1）時鐘發生。Nios Ⅱ外部搭載了一個SDRAM作為其內部存儲，SDRAM即同步動態隨機存儲器，同步是指Memory工作需要同步時鐘，內部的命令的發送與數據的傳輸都以它為基準；動態是指存儲陣列需要不斷的刷新來保證數據不丟失。

2）環境溫度采集。溫度采集傳感器使用的是Dallas推出的DS18B20。采用一線式總線結構，并可以搭載數個DS18B20進行多點測量，完全滿足智能家居平臺設計的要求。

3）人機交互。采用uPD6121編碼芯片的紅外遙控器和紅外接收頭組成。紅外接收頭則將數據從接受到的38KHz的紅外波信號解調出來，直接以電平的方式輸出uPD6121編碼數據格式。

4）環境照度采集。Po188是一個光電集成傳感器，典型入射波長為λp=520nm，內置雙敏感元接收器，可見光范圍內高度敏感，輸出電流隨照度呈線性變化。

5）PWM脈寬調制信號生成電路。PWM脈寬調制信號生成模塊為控制LED燈芯和直流風扇的模塊，如圖3所示。

3 軟件部分設計

3.1 控制設計思路

作為一個智能控制平臺，要有很好的人際交互平臺和一個精準穩定的控制平臺，這部分采用軟件程序實現比較容易。智能控制平臺數據流，如圖4所示。通過液晶屏LCD1602顯示，直觀的表示出當前室內環境的狀態以及用戶設定情況；另一路數據主要用作控制參量，其為數據處理控制器對用戶設置數據和傳感器發回來的實時室內環境數據分析對比后產生的，通過驅動電路來調節LED燈芯和直流風扇。

3.2 控制算法的實現

PID控制采用增量式，軟件編程簡易，使用的存儲空間小，有一定的容錯能力。溫度參數控制的直流無刷風扇采用P控制。照度參數控制的燈芯采用PID控制，整個環境的照度變換很緩慢，但是局部的照度變換有時是比較大的，比如，物體的影子晃動就會很大的影響到局部的照度變化。單純采用P控制或是PI控制會導致控制器震蕩或是出現控制器輸出參量無變化。為了提高響應，保證穩定，采用PID控制是不錯的選擇，但是在參數設定上要注意，I參量要設置大些，雖然要提高響應速度，但是LED燈芯光線增強要緩和，不然會引起人身體不適，這與智能家居控制平臺本身不符合。

本文所述采用了NiosⅡ嵌入式處理平臺。該平臺的整體結構較為新穎，具有的開發靈活，技術集成度高、應用性強，綜合技術水平比較先進，體現出很好的集成創新性，具有重大應用與推廣價值。但采用的模擬外部家用電器的方式，沒有很好的解決控制器和家用電器接口的問題。但家用電器智能化是當前的趨勢。本次設計為以后智能化家電的出現后的智能家居控制平臺提出了一個概念。

參考文獻

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