基于移动终端和LabVIEW的智能家居控制系统研究

摘 要： 为了建立更加舒适和安全的家居环境，针对当前智能家居远程控制存在的问题，提出一种基于移动终端和LabVIEW的智能家居控制系统的设计方法。采用图形化软件LabVIEW作为开发平台，选用NI PCI⁃6221为数据采集卡对温度、湿度、危险气体的采集，以PIC16F877A作为远程处理单元，通过移动终端实现了家居系统环境的实时远程控制；并重点讨论了火灾报警和温度控制的设计。测试表明该系统实现成本低，操作简单易用，具有很好的实用价值。

关键词： LabVIEW； 智能家居控制； 数据采集； 传感器

中图分类号： TN98⁃34 文献标识码： A 文章编号： 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

随着计算机网络技术、传感器网络技术及自动控制技术的快速发展，为方便、安全的智能家居的实现提供了可能，使家庭居住环境更加舒适和安全，为人们的家居生活带来了全新的感受，家居智能化正成为现代化生活的一种趋势。20世纪80年代在美国出现世界上第一幢智能建筑后，其他经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案[1⁃3]。我国智能家居行业处于一个快速发展的阶段，如何设计一个高效率、低成本、易扩展的智能家居系统已成为企业和科研机构关注的热点问题。本文基于图形化软件LabVIEW软件开发平台，实现了智能家居环境的智能化控制，有效地增加了家居环境的舒适性和安全性。

1 智能家居控制系统设计方案

智能家居远程控制系统通过图形化软件LabVIEW 控制主机，利用数据采集卡将数据交由LabVIEW软件分析处理，用户使用智能手机实现对家居系统环境的实时远程控制。图形化软件LabVIEW是美国国家仪器公司研发的软件产品[4⁃5]，当前工业界和学术界视其为一个标准的数据采集和仪器控制软件，集成了工程师快速构建应用所需的常用工具，采用图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式，主要包括前面板、流程图以及图标/连接器三部分。由于在Internet网络与家居控制是一个网络虚拟环境与家居真实环境；因此LabVIEW软件充当两者之间相连接的重要桥梁，用户通过移动终端能够方便地控制整个家居环境状态的变化。基于移动终端和LabVIEW的智能家居控制系统设计如图1所示。

图1 智能家居控制系统设计

本文设计的智能家居系统包括5个子系统，在计算机上安装LabVIEW软件，LabVIEW作为主控制器控制智能家居的管理，安装LabVIEW软件的计算机接收房屋内传感器的数据，处理信息，并为不同的子系统更新数据、传输控制信号和切换不同的输出设备等。智能家居系统的5个子系统分别为家居火灾报警系统、盗窃报警系统、室内温度控制系统、电源切换系统和灯光子系统。智能家居系统主要由LabVIEW软件和远程智能手机实现远程控制，达到家居环境舒适和安全的目的。

2 智能家居系统数据采集

现代智能家居控制系统首先应采集家居环境的温度、湿度、危险气体等多种物理数据值，通过对采集数据的分析以及控制家居电子设备间的智能工作，保证整个室内环境的舒适性和安全性[6⁃7]。本系统在采集这些家居环境数据后，利用数据采集卡将以上环境数据传送给LabVIEW软件处理，完成环境数据的分析、存储和报警功能。基于移动终端和LabVIEW的智能家居数据采集结构如图2所示。

图2 基于LabVIEW数据采集结构

数据采集硬件DAQ设备主要完成家居环境数据的采集，NI公司对旗下的DAQ设备都开发有相应的驱动程序，确保DAQ设备和LabVIEW软件之间正常通信，驱动程序用户接口MAX实现的对硬件的配置和测试[8⁃9]。在选择数据采集卡时要考虑采样频率、采样方法、分辨率、 电压动态范围、I/O通道数等物理性能指标。当前国内外各个DAQ公司产品较多，本文在考虑兼容性和经济性后，采用了NI公司的M系列的一种多功能数据采集卡NI PCI⁃6221。PCI⁃6221具有单端16路/差分8路模拟输入，分辨率高达16 b，采样速率为250 KS/s，数据采集过程中主要是采集参数的设置。通道的选择，采样模式、采样率、每通道采样数、输入方式的配置采样最大最小值的设置。具体数据采集图形化程序见图3。

图3 数据采集程序

采集的数据保存在Excel文件中，并传输到网络中共享。本方案中利用LabVIEW的ActiveX编程技术将采集数据上传至网络，为以后分析数据提供参考。

3 智能家居系统控制

在许多智能住宅应用程序，远程控制用于将控制信号发送到中央控制单元，以便进行相关控制。远程控制系统分为二个部分，分别为远程控制单元和接收单元，其中接收单元又分为中心接收单元和房间接收单元。用户使用智能手机通过远程控制单元控制中央接收单元和房间接收单元。中央接收单元是远程控制的接收器，与LabVIEW相连处理家居的中心操作。房间接收单元是通过远程控制单独一个房间负荷。在智能住宅系统中使用射频模块和红外系统连接远程控制单元和接收单元。远程控制单元有11个控制开关，将其分成两部分：一部分是与中央接收器单元相关；另一部分与房间接收单元相关，充许用户切换每个房间的负载。

3.1 远程控制单元

本方案使用PIC16F877A被用作远程处理单元的控制和处理。PIC16F877A有11个输入端口和6个输出端口。所有的输入与按钮开关相连接，为不同的操作给PIC16F877A发送信号。对于输出端口，4个端口用于发出并行代码到射频模块编码器。然后转化成串行代码并发送到射频模块编码器：一个端口用于发送数据到红外线发送单元；另一个端口用于与发光二极管相连接，用于指示PIC16F877A发送的数据。其中红外线发送单元与PIC16F877A的连接电路如图4所示。

图4 发送单元与PIC16F877A连接电路

3.2 接收单元

中心接收单元通过DAQ与LabVIEW相连，使用远程控制单元的3个开关，用户能够设定2个不同的模型。家居中心控制面板有两种输出信号，第一个用于火灾报警系统，另外一个是用于盗窃报警系统。房间接收单元安装在每个房间中，在房间接收单元中使用PIC16F877A从射频模块译码器接收数据。在切换负载的同时，PIC16F877A将输出信号发送到蜂鸣器，以便发出声音指示负载的变化。红外接收机输出信号与RF模块编码器的一个引脚相连，当IR信号达到到房间接收单元时这个引脚将被激活。

4 智能家居系统部分功能设计

4.1 火灾报警系统

在火灾报警系统中需要用到很多类型的传感器，火灾报警传感器发出火灾预警的信号，最终数据被LabVIEW处理，通过警笛声音表达存在的风险，并使用天然气电磁阀切断气体的流动。另外，LabVIEW调用VISA写入函数，将要发送的报警信息通过指令传送给GSM模块，实现与GSM短信通信模块的通信，并发送短消息服务给预留的手机号码。除了发送报警信息外，系统还将报警的时间和数据信息记录自动存储，方便用户查询。使用两个5 V继电器运行报警警笛和燃气电磁阀两个设备，第一个继电器是N.O.继电器，连接着24 V直流电压运行报警警笛。第二个继电器是N.C.继电器，连接着220 V交流电电压运行气体电磁阀。其信号控制电路如图5所示。

4.2 温度控制系统

方案中使用LM35温度传感器，从LM35温度传感器读取温度基本元素值。传感器直接与采集器直接连接，LabVIEW从LM35传感器读取信号作为可变模拟值。根据传感器的值和设定的温度要求，LabVIEW给系统发出一个冷却或加热信号要求。温度系统中，使用PWM系统控制加热和冷却设备，使用5 V直流电源供应LM35传感器。这里使用TIP41晶体管，因为它具有在短的时间内切换脉冲的能力。温度信号功能控制电路见图6。

图5 报警功能控制电路

图6 温度信号功能控制电路

5 系统测试

为了测试智能家居远程控制系统的正确性和可靠性，通过智能手机远程控制家居系统。通过智能手机监控家居设备的运行状态，在检测过程中点击对应的按钮对设备进行相关操作，经过一段时间对系统进行各项功能验证，测试结果与预期效果一致，并且操作简单，达到了家居环境智能化控制的目的。测试结果表明了该系统能够很好的实现对家居的过程控制，进一步提升了智能家居系统的可控性，对家居设备进行了较好的控制，使现代家居环境更加舒适和安全，具有很好的实用价值。

6 结 语

基于移动终端和LabVIEW的智能家居控制系统有效实现了家居环境的远程控制，能够根据家居实际情况智能反馈调节，改善了家居生活环境，并提高了家居生活的安全性。实际运行表明，远程控制系统运行稳定可靠，实现成本低、操作方便，且易于扩展与维护，不仅可应用于家居住宅环境的远程控制，还可以用于学校、医院、企业等相关领域的环境远程控制，市场应用前景广阔。下一步研究中应进一步考虑用户的各种需求，在此系统的基础上进一步完善各项控制功能，实现更符合我国居民生活习惯的个性化功能。

参考文献

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