基于Labview智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

徐連成

（泰安技師學(xué)院電氣工程系 山東省泰安市 271000）

智能家居是安裝有智能家居系統(tǒng)的居住環(huán)境，利用綜合布線(xiàn)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)集成家居生活設(shè)施，構(gòu)建高效的住宅與事務(wù)管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。家居：是指人生活的各類(lèi)設(shè)備，智能：是指自動(dòng)控制管理。

1 系統(tǒng)的總體框架

系統(tǒng)的總體框圖見(jiàn)圖1所示。系統(tǒng)通過(guò)各類(lèi)傳感器模塊采集家居環(huán)境的溫度、煙霧、空氣質(zhì)量、聲光控等安防信息，信號(hào)經(jīng)整型后通過(guò)myDAQ 數(shù)據(jù)采集卡傳送到Labview 監(jiān)控平臺(tái)，完成對(duì)家居環(huán)境參數(shù)的顯示、分析、存儲(chǔ)、報(bào)警功能，并根據(jù)參數(shù)提示對(duì)室內(nèi)家居的溫度、煙霧、空氣質(zhì)量、燈光實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分

2.1 NI myDAQ 數(shù)據(jù)采集器

Labview 獲取數(shù)據(jù)的方法是通過(guò)對(duì)I/o 接口設(shè)備的驅(qū)動(dòng)完成的。NI myDAQ 數(shù)據(jù)采集卡擁有模擬輸入（AI）通道2 個(gè)、模擬輸出通道（AO）2 個(gè)、數(shù)字輸入/輸出通道（DIO）8 個(gè)、±15V 模組電源一組、+5V 電源一組。

通過(guò)Labview NI myDAQ 設(shè)置8 個(gè)通道采集數(shù)據(jù)，AIO+接溫度傳感器、AI1+接空氣質(zhì)量傳感器、AO0+接電機(jī)、DIO0 接JK2繼電器、DIO1 接JK1 繼電器、DIO2 接煙霧傳感器、DIO3 接風(fēng)扇、DIO5 接電燈。傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)采集卡處理通過(guò)USB 送到計(jì)算機(jī)中的Labview 進(jìn)行分析計(jì)算。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊有溫度傳感器模塊、煙霧傳感器模塊、空氣質(zhì)量傳感器模塊、聲光控傳感器模塊等組成，采用+5V 給傳感器供電。室內(nèi)溫度選用溫度傳感器LM35 進(jìn)行監(jiān)測(cè)，特征：輸出從0℃開(kāi)始，溫度每升高1 攝氏度，輸出電壓就增加10mv。室內(nèi)的煙霧和煤氣泄漏選用煙霧傳感器QM-N5 進(jìn)行監(jiān)測(cè)，模擬量和TTL 電平雙路信號(hào)輸出。TTL 輸出時(shí)有效信號(hào)是低電平。空氣質(zhì)量傳感器QS-01 是二氧化錫半導(dǎo)體氣體傳感器，對(duì)各種空氣污染有很高的靈敏度，傳感器阻值減少與氣體濃度增加之間呈現(xiàn)對(duì)數(shù)關(guān)系。聲光控傳感器由話(huà)筒、光敏電阻、三極管放大電路、IC555 組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和輸出反向驅(qū)動(dòng)器等組成，當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，輸出端會(huì)輸出低電平脈沖信號(hào)。

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2：智能家居環(huán)境控制總界面vi 前面板

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

NI Labview 是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器公司研制開(kāi)發(fā)，是專(zhuān)為測(cè)試、測(cè)量和控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工程軟件，可快速訪(fǎng)問(wèn)硬件I/O 和數(shù)據(jù)信息，Labview

使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G 編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。

3.1 系統(tǒng)用戶(hù)界面設(shè)計(jì)

智能家居環(huán)境控制總界面vi 前面板見(jiàn)圖2所示，由于Labview是人機(jī)交互界面，具有監(jiān)測(cè)和控制功能，所以在總界面中可以對(duì)客廳、臥室、廚房三個(gè)房間的溫度、煙霧、空氣質(zhì)量、聲光控等安防信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷處理，當(dāng)出現(xiàn)溫度超出限制范圍、煙霧濃度異常（燃?xì)庑孤?、發(fā)生火災(zāi)等）、空氣質(zhì)量異常（污染氣體濃度異常）、聲光控信號(hào)變化系統(tǒng)顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、界面中的相應(yīng)控制功能指示燈變化（改變顏色）、發(fā)出報(bào)警信息、驅(qū)動(dòng)相應(yīng)控制：制冷（或者制熱）控制、驅(qū)動(dòng)空氣清新電機(jī)（排風(fēng)扇）、驅(qū)動(dòng)燈開(kāi)關(guān)等。

3.2 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集程序使用函數(shù)對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集、設(shè)置、閥值分析。采集數(shù)據(jù)的方法：根據(jù)采集任務(wù)創(chuàng)建數(shù)據(jù)通道，設(shè)置數(shù)據(jù)采集的參數(shù)，調(diào)用讀取或?qū)懭牒瘮?shù)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集和控制。停止執(zhí)行任務(wù)。

3.3 溫度處理程序

編程思路：升溫、降溫是通過(guò)調(diào)節(jié)空調(diào)工作模式（制冷、制熱）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

程序前面板設(shè)計(jì)：

上限溫度、下線(xiàn)溫度的輸入框：用數(shù)值輸入控件制作，可以設(shè)定溫度范圍；制冷、制熱指示燈：用布爾控件制作：當(dāng)測(cè)量的實(shí)時(shí)溫度在控制范圍內(nèi)時(shí)，制冷、制熱指示燈顯示綠色，當(dāng)實(shí)時(shí)溫度超出上限（下限）時(shí)，制冷（制熱）指示燈變成紅色，同時(shí)通過(guò)采集卡的DIO0（DIO1）端口驅(qū)動(dòng)JK2（JK1）繼電器吸合、啟動(dòng)空調(diào)制冷（制熱）功能。

程序框圖設(shè)計(jì)：

DAQ 助手通過(guò) AIO+端口采集溫度傳感器模塊的電壓值、根據(jù)公式（實(shí)時(shí)溫度T=125*電壓值）轉(zhuǎn)換成實(shí)時(shí)溫度值與設(shè)定值比較，當(dāng)大于等于上限值時(shí)，驅(qū)動(dòng)繼電器JK1執(zhí)行制冷操作；當(dāng)小于等于下限值時(shí)，驅(qū)動(dòng)繼電器JK2執(zhí)行制熱操作；

3.4 空氣質(zhì)量處理程序

3.4.1 編程思路

空氣質(zhì)量的改善是通過(guò)調(diào)節(jié)方波的占空比（PWM 方式調(diào)控）控制電機(jī)轉(zhuǎn)速更新空氣實(shí)現(xiàn)的。

3.4.2 程序前面板設(shè)計(jì)

“空氣與電機(jī)控制”模塊，制作四個(gè)狀態(tài)提示燈（布爾控件）分別代表空氣的四種狀態(tài)，“很好”、“良好”、“較差”、“很差”；因空氣采集模塊是與電機(jī)的模擬量輸出結(jié)合，所以將電機(jī)采集物理通道顯示出來(lái)。

3.4.3 程序框圖設(shè)計(jì)

根據(jù)功能編寫(xiě)程序框圖，Labview 通過(guò)AI1+端口采集空氣質(zhì)量傳感器的模擬電壓數(shù)據(jù)，采集的模擬電壓分為四個(gè)等級(jí)來(lái)表示四種空氣質(zhì)量的狀態(tài)。見(jiàn)圖2所示的軟件界面，采用四個(gè)提示燈來(lái)表示空氣質(zhì)量的四種狀態(tài)，當(dāng)空氣質(zhì)量處于哪種狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)的狀態(tài)提示燈便點(diǎn)亮，同時(shí)將采集的電壓以數(shù)值的形式表現(xiàn)出來(lái)。

當(dāng)采集數(shù)據(jù)的電壓值小于等于2.45 時(shí)，空氣質(zhì)量為“很好”指示燈亮，當(dāng)電壓位于2.45～2.8 之間時(shí)（包含2.45），空氣質(zhì)量為“良好”指示燈亮；當(dāng)電壓位于2.8～3.15 之間時(shí)（包含2.8），空氣質(zhì)量為“較差”指示燈亮，當(dāng)電壓大于等于3.15 時(shí)，空氣質(zhì)量為“很差”指示燈亮。

Labview 軟件可以檢測(cè)空氣的質(zhì)量狀態(tài)，并通過(guò)對(duì)空氣質(zhì)量狀態(tài)的判斷來(lái)控制電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速。四種狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四種相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的控制，給電機(jī)模塊輸入調(diào)制脈沖信號(hào)，通過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)寬度的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。將脈沖信號(hào)的“幅值”設(shè)定為5V，這是固定值。通過(guò)對(duì)“寬度”的調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)脈沖的寬度，具體如下：

當(dāng)空氣狀態(tài)為“很好”時(shí)，電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)將寬度設(shè)為“0”；當(dāng)空氣狀態(tài)為“良好”時(shí)，此時(shí)電機(jī)輕微轉(zhuǎn)動(dòng)，將寬度設(shè)為“20”；當(dāng)空氣狀態(tài)為“較差”時(shí)，此時(shí)電機(jī)較大幅度轉(zhuǎn)動(dòng)，將寬度設(shè)為“60”；當(dāng)空氣狀態(tài)為“很差”時(shí)，此時(shí)電機(jī)快速轉(zhuǎn)動(dòng)，將寬度設(shè)為“125”；如圖3所示。

3.5 煙霧與風(fēng)扇控制處理程序

3.5.1 編程思路

煙霧的調(diào)節(jié)是通過(guò)控制風(fēng)扇啟動(dòng)停止實(shí)現(xiàn)的。

3.5.2 程序前面板設(shè)計(jì)

煙霧與風(fēng)扇控制模塊：煙霧指示燈用布爾控件制作、綠色表示沒(méi)有監(jiān)測(cè)到煙霧，紅色表示監(jiān)測(cè)到有煙霧；選擇風(fēng)扇的圖片，制作風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的控件。煙霧采集通道與風(fēng)扇控制通道要顯示出來(lái)。

3.5.3 程序框圖設(shè)計(jì)

煙霧通道通過(guò)DIO2 數(shù)字輸入采集TTL 電平狀態(tài)，通過(guò)DIO3數(shù)字輸出TTL 電平控制風(fēng)扇。通過(guò)myDAQ 助手創(chuàng)建虛擬通道（myDAQ1/port0/line2），任務(wù)開(kāi)始，讀取煙霧傳感器的TTL 電平數(shù)據(jù)，停止任務(wù)。通過(guò)myDAQ 助手創(chuàng)建虛擬通道（myDAQ1/port0/line3）,任務(wù)開(kāi)始，寫(xiě)入電機(jī)驅(qū)動(dòng)的TTL 數(shù)據(jù)，停止任務(wù)。當(dāng)煙霧傳感器沒(méi)有檢測(cè)到煙霧時(shí)，煙霧指示燈為綠色安全狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到煙霧時(shí)，煙霧指示燈變?yōu)榧t色，軟件界面的風(fēng)扇框圖開(kāi)始模擬風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，直到煙霧重新檢測(cè)為正常狀態(tài)后便停止。如圖4所示。

圖4：煙霧和聲光報(bào)警控制vi 程序框圖

3.6 聲光控與電燈控制處理程序

Labview 通過(guò)DIO4 通道采集聲光控傳感器的數(shù)據(jù)信號(hào)，通過(guò)DIO5 通道輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制燈。蜂鳴器控件，實(shí)現(xiàn)當(dāng)有聲時(shí)，蜂鳴器為紅色標(biāo)志；當(dāng)無(wú)聲時(shí)，蜂鳴器為白色標(biāo)志。Labview 通過(guò)虛擬通道讀取/寫(xiě)入聲光控信號(hào)，控制燈亮和蜂鳴器發(fā)聲。

4 結(jié)語(yǔ)

智能家居控制系統(tǒng)，可以對(duì)室內(nèi)環(huán)境多種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制，還可以應(yīng)用到煤礦，對(duì)礦井下有毒、易燃、易爆氣體進(jìn)行監(jiān)控，保護(hù)曠工安全、保障安全生產(chǎn)。應(yīng)用前景廣闊。