基于Labview的智能家居控制系統的設計

基于Labview的智能家居控制系統的設計

伍麟珺，劉楊，吳樂
（湖南工學院 電氣與信息工程學院，湖南 衡陽421003）

文中設計的智能家居控制系統設計分為下位機和上位機兩個部分。下位機以CC2530為控制核心，Zigbee終端分別采集溫度等傳感器數據，以無線傳輸的方式，將數據信息傳送給Zigbee協調器，協調器通過液晶屏顯示實時接收數據.同時將數據通過RS485總線傳輸給上位機。上位機采用LabView技術，對下位機發送過來的數據進行分析，然后通過RS485總線將控制指令傳送給下位機，指導下位機控制相應設備，實現對家居環境的自動調節。

智能家居；Zigbee無線通信；Labview；485總線

智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環保節能的居住環境。最近幾年，無線網絡高速發展，相對于傳統的有線網，無線網絡有諸多優勢，目前藍牙、WiFi、ZigBee是智能家居網絡的主要技術，而ZigBee技術是一種短距離無線通信技術，它可以應用在很多場合，它使用的波段為2.4 GHz，采用跳頻和擴頻技術[1-2]。鑒于ZigBee技術的低功耗、低成本、體積小等特點，在智能家居控制方向，將成為最受歡迎的的無線通信方式之一[3]。

1 系統總體結構設計

智能家居控制系統設計分為下位機數據采集和上位機數據處理兩個部分。下位機以CC2530為控制核心，由終端和協調器一起組成Zigbee無線通信網絡[4-6]，Zigbee終端分別采集室內溫度[7]、煙霧、粉塵、人體熱釋紅外等傳感器[8]數據，以無線傳輸的方式，將數據信息傳送給 Zigbee協調器，協調器通過LCD12864液晶屏顯示實時接收數據，同時以串口通信的方式，將數據通過RS485總線傳輸[9]給上位機做進一步處理，上位機采用可視化圖形編程語言LabView技術[10]，對下位機發送過來的數據進行分析，然后通過RS485總線將控制指令傳送給下位機，指導下位機做出相應的動作，即打開或者關閉空氣凈化器、風扇等相應電氣設備，實現對家居環境的自動調節，使之始終維持在一個較佳狀態。系統還設置了有火災預警，家用電器控制，遠程在線監控等輔助功能。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件框圖

2 硬件系統設計

智能家居控制系統硬件部分設計分為傳感器檢測部分和智能接收顯示兩個部分，其主要由電源、Zigbee無線通信、DS18B20溫度檢測、粉塵PM2.5檢測、MQ2煙霧檢測、人體熱釋紅外檢測、LCD12864液晶顯示以及RS485串口通信等模塊組成。

2.1 CC2530無線傳輸系統

設計分為Zigbee終端和Zigbee協調器兩大模塊電路，其中，Zigbee終端用來采集溫度、煙霧、PM2.5、人體熱釋紅外感應4個傳感器數據，4個Zigbee終端為相互獨立硬件系統，其中，每個Zigbee終端主要由CC2530無線傳輸電路和傳感器電路等組成；Zigbee協調器對終端發送過來的數據進行顯示和傳送給上位機，主要由CC2530無線傳輸最小系統、RS485串口通信電路、LCD12864液晶顯示器接口電路等組成[11-12]。

2.2 無線傳感器電路

無線傳感器模塊由傳感器和單片機CC2530及外圍電路組成，本系統包括溫度、煙霧、PM2.5、人體熱釋紅外感應四路傳感器數據采集。每個Zigbee終端由CC2530無線傳輸系統和傳感器電路組成，4個傳感器和單片機通信方式類似。

2.3 無線智能接收機

無線智能接收機由CC2530單片機、LCD12864液晶顯示、電源和通信芯片接口組成，該設備可及時將檢測器采集的溫度、煙霧、PM2.5、人體熱釋紅外感應傳感器數據信息進行顯示、處理。繼電器[13]通過接收上位機的指令來控制家用電器的開啟和關閉，以便實現室內環境自動調節。其中，RS485通信模塊用于實現上位機和下位機雙向實時通信。

3 軟件系統設計

系統軟件設計分為上位機和下位機兩個部分組成，下位機以CC2530為控制核心，采集和顯示溫度、煙霧、PM2.5、人體熱釋紅外感應傳感器數據，包括Zigbee無線通信協議棧程序、監控程序、串口通信程序等，而上位機采用Labview技術，包括串口通信、數據處理和顯示程序等。

3.1 下位機ZigBee軟件設計

ZigBee協議棧就是以函數的形式將各個層定義的協議都集合在一起，并給用戶提供API應用層調用。我們在開發一個應用時，協議較底下的層與應用是相互獨立的，因此只要在應用層進行相應的改動，就可以實現組網，數據的發送和接收。Zigbee協調器首先嘗試建立Zigbee無線網絡，然后給Zigbee終端分配短地址，通過這個短地址來管理各個終端。即各個終端分別將自己采集的數據通過無線傳輸的方式發送協調器，協調器通過短地址來確定是哪一個終端發送過來的數據，從而對終端進行有效管理，防止數據丟失和出錯[14]。

3.1.1 PM2.5檢測

PM2.5粉塵傳感器讀取數據分為A/D轉換和串口通信兩種方式，為了減輕CC2530的工作負擔，設計選擇串口讀取的方式。PM2.5傳感器首先會通過自帶控制芯片對粉塵濃度進行檢測，然后封裝為一幀數據，這一幀數據由8個字節組成，其中第一個和最后一個為數據幀識別字節，而第二個和第三個為該設計需要的有效字節，所以只需要通過串口讀取這一幀數據，提取有效字節，讀取的數據為十六進制，通過一定的算法，將十六進制數據轉化為PM2.5實際濃度值。

3.1.2 溫度檢測

溫度傳感器DS18B20的測溫原理遵循嚴格的單總線協議，單片機通過時序來寫入和讀出DS18B20中的數據。首先初始化，啟動溫度轉換進程，發溫度讀取指令，讀高八位和低八位十六進制數據，并保存，通過算法，將其轉化為實際溫度值。

3.1.3 LCD12864顯示

首先對LCD12864顯示屏進行初始化，然后對LCD12864液晶進行查忙操作，如果BF為低電平，則顯示RAM地址，將其寫入相應的數據并進行顯示。如果BF高電平，則無法寫入數據，直到BF為低電平，則可以寫入新的數據。

3.2 上位機LabView軟件設計

LabVIEW的核心是VI，分為前面板和后面板，其中后面板主要用來編寫框圖形式的源程序。LabVIEW盡可能采用了通用的硬件，并且充分利用了計算機平臺強大的數據處理能力，用戶就可以根據自己的需要定義和制造各種儀器[15-18]。

3.2.1 登陸模塊

登陸界面主要負責管理用戶權限，以保證系統的安全性。登陸管理前面板設計。只有正確的輸入用戶名和密碼才能進入系統，登陸結果為登陸成功，歡迎使用，否則，顯示用戶名或密碼錯誤，請重新登陸。上位機和下位機通信采用十六進制數據傳輸，由于上位機從串口讀取的為數據幀格式，即先截取字符串，然后索引數組，提取有效數據，則可正常顯示當前溫度值，與此同時，將提取的實際溫度值與設置的閥值進行比較，比較結果送LED顯示。

輸入的用戶名和密碼與先前程序設定的用戶名和密碼進行比較，然后將兩者相與，只有當用戶名和密碼都為真時結果才為真，才能進入用戶界面，登陸界面程序設計框圖如圖2所示。

圖2 登陸界面設計

登陸模塊獲取系統時間程序，其調用路徑為“函數選板-＞編程-＞定時-＞獲得時間/日期（秒）”。利用LabVIEW里面自帶的“獲取時間函數”，由該函數返回一個系統當前的時間戳，并使用“時間標識顯示”控件將當前時間的時間戳顯示出來。

3.2.2 家居環境自動調節模塊

家居自動控制模塊主要由串口通信、家居環境參數顯示和自動調節等部分組成。選擇好串口號，就能在各個顯示控件上讀到相應的數據，比如當溫度超過預警值則相應的指示燈點亮，提示溫度過高，同時，上位機會發送相應的控制指令給下位機，下位機接收指令打開相應的電器設備，從而調節室內溫度。其中，溫度預警值還可以由用戶自定義。環境控制界面前面板如圖3所示。

上位機和下位機通信采用十六進制數據傳輸，下位機送給上位機的數據要先經過數據處理，才能正常顯示。下面介紹溫度數據的處理，由于上位機從串口讀取的數據為一幀一幀的數據，即先截取字符串，然后索引數組，再創建顯示控件，則可正常顯示當前溫度值，與此同時，將提取的實際溫度值與設置的閥值進行比較，比較結果送LED顯示。上位機將通過串口發送一個指令給下位機，打開降溫設備，完成室內環境的自動調節。

系統上位機和下位機采用串口實時通信，由于系統設計采用RS485轉USB接口，所以首先必須安裝RS485轉USB驅動，這樣才能為上位機和下位機串口通信提供條件。串口的波特率和數據位以及奇偶校驗可以通過VISA設置，設置好，系統就可以通過讀取和寫入函數，實現數據發送和接收，實現上位機和下位機實時通信。

圖3 控制系統界面設計

3.2.3 家用電器控制模塊

家電控制程序，創建一個數組，當數組的第一個元素為aa時代表進入電器控制，電器控制由二個按鍵控制，每個按鍵的開啟和關閉對應發出數據1和0，數組的第一個元素為凈化器控制指令，數組的第二個元素為電飯煲控制指令，如選中控制空氣凈化器為真時，即給數組第二個元素賦值為1，然后這個控制指令通過數組寫入串口發送函數，labview上位機自動發送給下位機指令1，下位機接到控制指令1，立即打開空氣凈化器，當選擇控制空氣凈化器為假時，發送關閉控制指令數據0，即可關閉空氣凈化器。

4 硬件電路測試

首先測試CC2530單片機系統電路板和上位機能否正常工作和通信，其次測試各個模塊是否能單獨工作，各個模塊是否能和CC2530進行通信，這是數據采集的基礎；最后測試Zigbee協調器和終端之間是否可以進行正常的無線數據傳輸，因為傳感器采集的數據都是通過無線進行傳輸的，沒有它整個系統的硬件設備無法正常運行。

下位機串口數據采集和發送：首先將Zigbee各個傳感器終端按要求連接好，然后將Zigbee協調器通過MAX485轉USB連接電腦USB接口，打開串口助手，然后觀察協調器顯示數據和串口顯示數據，對比是否相同，經測試，結果相同，即下位機數據采集和發送正常。

上位機串口數據接收：打開labview智能家居控制登陸界面，輸入正確密碼登入控制界面，設置波特率為115 200，選擇串口，觀察labview界面顯示的環境參數數據和協調器是否相同，經測試，數據同步并且相同，即上位機串口接收數據正常。

上位機和下位機協同工作，實現環境參數自動調節：首先準備一個溫度傳感器，然后在實驗室給傳感器不同的溫度，經測試，溫度數據會發生變化，同時，下位機控制風扇的繼電器開關會根據溫度值的大小自動打開或關閉，經過一段時間調節，室內始終維持在一個良好的環境，檢測結果如圖4、5所示。

圖4 下位機檢測結果

圖5 上位機監控結果

5 結束語

基于ZigBee的智能家居控制系統的設計采用無線傳感器網絡技術對室內傳感器節點采集的數據進行傳輸，避免了現場布線帶來的各種問題，改變了人們的家居生活方式，提高了人們的生活水平。

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Design of smart home control system based on Labview

WU Lin-jun，LIU Yang，WU Le
（Institute of Electrical and Information Engineering，Hunan Institution of Technology，Hengyang 421003，China）

The design of smart home control system is divided into two parts，the lower and the upper computer.The lower computer uses CC2530 as the control core，Zigbee terminals collects temperature sensor data in wireless transmission mode，than transmit data to the Zigbee coordinator，the data display on LCD screen at the same time.The data transmission to the upper computer for further processing by RS485 bus.The upper computer using analyze the data from upper computer by Labview，and then send control commands to the slave machine through the RS485 bus which to guide upper computer to the corresponding action to achieve automatic adjustment of the home environment.

smart home；Zigbee wireless communication；Labview；485Bus

TN92

A

1674－6236（2017）07-0165-05

2016-03-29稿件編號：201603394

2014年湖南省大學生創新訓練計劃項目（H1402）；湖南工學院大學生創新訓練計劃項目（H1315）

伍麟珺（1982—），女，湖南衡陽人，碩士，講師。研究方向：信號與信息處理。