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智能住宅系统设计

专家
2013-01-25 13:55:19    评分

作者:上海师范大学天华学院 朱沁圆 谭科皓 浦晨杰
指导教师:徐会彬 宋彦冰

  作品简介

  一、 图片  

 
 

  二、开发背景
  物联网是我国新一代信息技术自主创新的重点方向。然而国际间竞争日益激烈,许多发达国家已制定了相关战略计划并大力发展相关产业。面对这样的背景下,物联网已成为当前世界新一轮经济和科技发展的战略制高点之一。
  智能家居是物联网应用的新亮点。随着生活水平提高,人们重视生活品质,迫切希望徜徉在一个安全高效、舒适便利的生活环境。为了顺应市场需求,本团队将先进的物联网技术应用于智能家居,推出了基于物联网的无线智能家居产品,实现利用无线遥控器对家中的电视,音响,窗帘,灯光等进行远程控制管理,让人们享受到高科技带来的智能,舒适和便利。

  三、结构说明  

 

  该系统由一块单片机作为主板控制,通过线路将窗帘,音响,电视,主灯,吊灯,台灯接入到单片机中利用程序控制,并融合时钟显示,湿度、温度检测,烟雾报警,红外门禁系统。各项功能除单独控制以外,还可控制实现日常模式,读书模式,影院模式和休息模式等情景模式。系统由无线遥控器无线控制。

  四、功能
  本系统模拟客厅环境的智能家居,具有以下几点功能:
  (1)无线遥控功能
  使用无线遥控器控制电视,音响开关,窗帘,主灯,吊灯,台灯等。可轻松实现灯和电器的一键全关和一键全开功能。  

 
 
 

  (2)温度显示功能
  通过单片机温度程序,将显示扩展外接,实时传输显示室内空气质量变化,可实现智能控制空调、加湿机和其他通风设备运转。  

 

  (3)智能窗帘系统
  用户通过对遥控器的操作发射红外信号,控制电机系统拉动窗帘,使其打开或者关闭到用户所需状态。  

 

  (4)智能灯控功能
  使用智能节电系统的的红外门禁实现智能灯控。  

 

  五、使用说明
  通过操作无线遥控器,只需轻轻一触,即可控制各个家具功能并实现梦幻般的场景变化。读书时营造房间的舒适安静,派对时营造浪漫的灯光氛围。
  无线控制端主按键的功能设置:
  开关键:一键全开/全关
  Bottom1:灯光全开/全关
  Bottom2:窗帘开关
  Bottom3:电视开关
  Bottom4:音响开关
  Bottom5是情景模式1(用户个性化设置),
  Bottom6是看书模式
  Bottom7是电视模式
  Bottom8是派对模式
  Bottom9是退出模式
  音量调节键,灯光亮度调节键。

  平台选型说明

  为适用于本团队设计的智能住宅系统,应选择一种速度快,功耗低,抗干扰性好的单片机。选择以STC15F2K61S2芯片为控制核心的单片机开发板具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点。这是STC最新的增强型51,配有1T STC-Y5 内核,比传统51快6-12倍;内部RAM扩大,传统51为128字节或256字节,它达到了2.25KB;内部高精准可调RC振荡器;有一个16位自动重载定时器,串口波特率设置更灵活;有片内SPI控制器,速度可达1/4主频速度;有片内PWM/PCA控制器,可捕获外部缓冲或这产生PWM;有片内AD,分辨率10位,8通道。因此具有很好的性价比和应用适应性。

  设计说明

  一、原理图  


图二为矩阵键盘模块 

图四为步进电机,蜂鸣器和LED显示模块



关键词: 智能     住宅     系统     设计     模式    

专家
2013-01-25 13:57:14    评分
2楼

  二、设计原理
  结合整个系统的功能、成本、美观度等方面的综合考虑,本系统共有两部分构成,即软件部分与硬件部分。
  其中软件部分对应的由主程序、初始化程序、LED 显示程序、键盘扫描程序、 键功能程序、延时程序、温度采集程序、数码管显示程序、步进电机驱动程序、红外遥控程序等组成。
  硬件部分主要由单片机控制芯片,矩阵键盘,无线远程遥控, 发光二级管,烟雾传感器,蜂鸣报警器,步进电机,温控传感器,湿度传感器,数码管显示和红外门禁组成。
  (1)无线遥控
  整个遥控系统由发射系统和接收控制系统两部分组成,被控对象直接连接在接收单元上,如图2-1:  

 

  遥控系统的工作原理是首先通过按键编址电路输入所需控制电路的位号,同时启动编码电路产生带有地址编码信息和开关状态信息的编码脉冲信号,再通过无线电发射电路将该信号发射出去。而无线电接收电路将接收到的编码脉冲信号通过解码电路进行编码地址确认,确认是否为本遥控开关系统地址。如果是则执行指令,受控系统工作。如果不是,则被控对象无任何动作。
  (2)智能照明系统
  LED(Light-Emitting-Diode)中文名称发光二级管,是一种能够将电能转化为光能的半导体,它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理,发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物,如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的,其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性,即正向导通,反向截止、击穿特性。此外,在一定条件下,它还具有发光特性。在正向电压下,电子由N区注入P区,空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子一部分与多数载流子复合而发光。LED的内部结构如图2-2所示。  

 

  LED内部结构图中,正负极引脚通过金属引线将电传送到化合物半导体,通电后化合物半导体产生的光在反射帽的聚光效果下在圆形环氧透镜中放大光线。
  LED的特点非常明显,寿命长、体积小、光效高、无辐射与低功耗。相比传统灯泡,LED具有抗震、密封、可便于携带等优点。LED广泛应用与电子广告牌,指示灯,照明设备。
  通过线性调节调节LED亮度,最简便的方法是在LED驱动控制中使用外部电阻来实现LED的调光控制。
  灯光控制系统设计的工作流程如图2-3所示,功能模式设定选择开启智能灯控,接收来自固定开关或是遥控端的控制信号来控制灯光。  

 

  (3)智能窗帘设计
  主要分两部分:第一部分为信号处理系统设计。在屋内合适的地点安放光敏电阻,当光照强度改变时,光敏电阻感光,阻值改变,测量光敏电阻两端电压,通过单片机的A/D转换器将模拟信号转化成数字信号单片机处理此信号;第二部分为控制系统设计。单片机根据数据大小,驱动步进电机正传或反转,通过步进电机的转动步数和转动方向调节窗帘的开合程度。
  用户通过对遥控器的操作发射红外信号,装在窗帘上的一体化接收头接收到信号后通过单片机进行解码,单片机立即处理信号,控制电机系统拉动窗帘,使其打开或者关闭到用户所需状态。  

 

  (4)电子时钟系统
  电路分为五大部分:中央处理单元(CPU)、电源电路部分、显示部分、键盘输入部分、温度采集部分。它将定时数据输出到LED,实现时间的显示;根据键盘输入调用相应键处理子程序,实现时间的调整和闹铃的设定;接收温度传感器输入的温度数据,进行一定的转换,然后输出到LED显示器显示。
  (5)红外线门禁
  利用红外线特点,使用红外发射管与红外接收管产生的红外发射接收回路来检测物体经过的遮挡,红外接收管接收不到发射信号即输出高电平信号。门禁实现人数统计是需要2组红外发射接收回路来判断方向,当人正向进入通过门禁,先遮挡1号红外接收管产生高电平,随后遮挡2号红外接收管也产生高电平,就有高电平信号出现的先后次序1-2,控制主机识别为进入。当人逆向走出通过门禁,先遮挡2号红外接收管,随后遮挡1号红外接收管,高电平信号次序为2-1时,控制主机识别为出。此时控制主机会对人数有个计算处理,当前室内人数等于进入减去出去的人数,根据人数来判断是否启动灯光控制。 如图2-7所示红外门禁检测示意图。  

 

  本设计添加了一个智能灯控功能,在门上安装红外检测门禁,检测进入房间的人数,当人数不为零的时候,灯开启情景模式1,开灯。当有人进出,人数为零的时候才关闭灯。
  智能灯控的工作流程图。  

 

  上图的工作流程图对红外门禁检测数据纠错处理时通过遥控关闭灯光来复位或是数据负数自动归零的处理方式,一旦出错也能及时发现和采取措施。

  三、设计方案
  本系统的设计先由硬件功能模块搭建灯光控制系统的框架,再加入电视音响开关,控制窗帘,防盗报警等功能,再使用无线控制端识别,设定功能实现各个家具的控制。
  步骤如下:
  第一步设计硬件,主要有单片机控制芯片,灯光照明器件、无线调光器、红外遥控,无线远程遥控,矩阵键盘,LED显示,步进电机,温控传感器,数码管显示,蜂鸣报警器外围线路构成。先将这些功能器件在模型内安装并布线调试连接。
  第二步无线控制端的设计,是通过对单片机添加配置信息来识别新添加的硬件模块,验证无线通信信号与有线通信的正常。
  第三步调试功能,控制灯光的亮度、开关、场景模式等基本功能。
  第四步基本功能演示,无线遥控实现功能。
  第五步拓展灯光控制功能,实现节能与智能开关控制灯光

  作品特色

  一、先进性
  智能家居系统能够让您享受生活的舒适,同时更能节约用电。主人可以在家中任意位置使用遥控器控制房间内各种设备。智能家居让您的住宅时时像有人居住一样,甚至是在外出的时候给您提供安全感!

  二、实用性
  本系统成本低廉,易于开发,安全可靠,操作方便,有一定的实用性。
  智能家居系统可以实现简单地进行安装,而不必破坏隔墙,不必购买新的电气设备,系统完全可与你家中现有的电气设备进行连接。各种电器及其它智能子系统既可在家操控,也能完全满足远程控制。

  三、创新性
  (1)本设计的灯光控制技术
  可以通过智能化照明系统选择预设的灯光场景,营造出舒适的环境,有利人们的身心健康,提高工作效率;还可延长灯具寿命。影响灯具寿命的主要因素主要有过电压使用和冷态冲击,它们使灯具寿命大大降低。采用缓开启及淡入淡出调光控制,可避免对灯具的冷态冲击,延长灯具寿命。
  (2)本设计的智能灯控功能
  在门上安装红外检测门禁,检测进入房间的人数,当人数不为零的时候,灯开启情景模式1,开灯。当有人进出,人数为零的时候才关闭灯。这样避免长时间无人在房间内而灯开启浪费电,而且能够根据人的走向自动开启关闭灯,比起遥控控制更加智能化、方便。

系统演示视频:http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2651


院士
2013-01-25 16:25:37    评分
3楼
学习了帖子、看了视频,感觉不错,系统的考虑比较周全。

院士
2013-01-25 16:38:43    评分
4楼
借鉴最重要

院士
2013-01-26 23:10:12    评分
5楼
请问:你是怎么把原理图传上去的啊?

院士
2013-01-27 16:06:45    评分
6楼
   又一次看了你们的系统设计,有一个弱弱的建议,即:调光控制部分是否可以考虑,在面积已确定的环境里,采取分组开关的方式点亮LED,控制起来可能会简单一些,这是理由之一;理由之二是LED的伏安特性还不能做成直线型的,加上半导体器件参数离散性的存在,在调光至低电压或小电流时,发光的一致性不会很好,实际上也形成了光照的强弱不均(这是分组控制的不足,但在分组状态可以适当补充)。
   另外,窗帘控制如果增加了水平移动控制的考虑,适用的范围就更大一些。
    仅供参考,说得不对的,请予忽略。

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