基于Labview的智能家居系统的设计与实现

基于Labview智能家居控制的设计与实现

摘要

智能家居是一个利用信息技术来监测环境，控制电器及与外部世界通信的房子。同时它的发展也是一个复杂的技术。智能家居自动化系统已经发展到自动实现一些经常进行的活动，在日常生活中获得更多舒适和便利的生活环境。本文是针对智能家居进行环境监测和控制系统的一个分支。该系统是基于LabVIEW软件，可以作为一个家庭保安。该系统可以监控温度，湿度，照明，消防及防盗报警，房子的气体密度和红外传感器用来保证家庭安全。该系统还具有互联网连接，在世界任何地方都可以监测和控制家里的设备。本文介绍了使用LabVIEW住宅自动化的一个多平台的控制系统的硬件实现。这样的一个系统通常称为智能家居系统。该方法结合了硬件和软件技术。该系统的测试结果表明，它可以很容易地用于智能家居自动化的应用中。

指数条款-智能家居，LabVIEW，PIC单片机，数据采集卡，远程控制。

一、引言

随着新的电子技术及其与旧的，传统的建筑技术一体化的发展，智能家居最后成为一种现实的可能性。1966年的第一个“家用电脑”可能是一个实验系统。聪明屋项目开始于80年代初作为房产商的全国协会（ NAHB ）与主要工业合作伙伴的集体合作的国家研究中心的项目[ 1 ] 。智能家居已经不是科学社会的一个新名词，但它仍离人们的视野和听觉很远。这是因为虽然近期各项工作已设计用来控制[2]，或在模拟情况下的智能家居本身[3]，并设计主服务器[4]设备可能的远程访问途径的概述已经完成，设计和实现一个现成的智能家居远程控制应用程序已不限于简单的电脑应用程序和公正的情况下移动[5]和Web应用程序的开发[6]。 “聪明屋”技术是实现家庭自动化的理想的一套特定的技术。它是具有高度先进的自动化系统，照明，温度控制，安全，设备等诸多功能的房子。编码信号通过家中的电线传送到交换机和编程操作电器和电子设备在家里的每一个部分网点。智能家居将出现“智能”，是因为它的电脑系统可以监测日常生活的许多方面。在家庭中上升可控器具的数目，这些设备相互连接和相互通信的能力使数字化变成一种有用的和理想的功能。家庭自动化的目的是控制或监视来自设备，装置或基本服务的信号整合。智能家居技术可以利用计算机的主要接口，还可以提供一个远程接口，家用电器或自动化系统本身通过电话线，无线传输或互联网为客户提供通过智能手机或网页浏览器进行控制和监测[ 7 ]

本文介绍了智能家居控制系统主要通过LabVIEW控制。该系统主要由五部分组成；五部分是连接到LabVIEW软件作为系统的主控制器。智能住宅项目的第一个子系统是安全系统，包括用于通知消防工作，扑灭火灾爆发的火灾报警系统，防盗报警系统预示着入室盗窃的发生。第二个子系统是照明系统，包括房子的内

部照明，以及屋外的CEIL照明。第三个子系统是房子远程控制系统。第四个子系统是空调器的温度控制系统。第五子系统是主屋的电源切换系统，以在屋内开关所有客房的电源。

聪明的房子有两个接口，计算机接口和远程控制单元接口。计算机设备是房子里的所有系统的主控制器单元，提供与LabVIEW软件的链接。它接收来自传感器内部，处理和更新内部系统和开关输出设备的不同系统和传输控制信号的数据。此外，LabVIEW进行监测重要的系统操作使用户了解系统的变化。用户还可以控制差分系统并选择所需的最佳系统。除了为智能家居的LabVIEW接口，远程控制接口可以控制家中的一些应用，并将其连接到LabVIEW软件。图1显示了本文所设计的智能家居框图。

图1智能家居框图

二、虚拟仪器

NI LabVIEW软件被用于各种各样的应用或行业。LabVIEW是用于创建与真实世界的数据或信号在科学和工程领域自定义相互作用的应用程序的高效的开发环境。使用如LabVIEW这种工具的最终结果是用更少的人在更短的时间内以更高的质量完成项目。所以主要优点是生产效率，但这是一个广义的和一般性声明。LabVIEW是独一无二的，因为它使得各种各样的工具只要功能之间画线就可以在一个单一的环境内兼容性。LabVIEW本身就是一个包含许多组件软件的开发软件，如图2[8]。

图2虚拟仪器价值的组件

A.G编程语言

LabVIEW的核心是G编程语言，以至于它通常被称为“LabVIEW编程”,你可以使用它快速地进行数据采集，分析和逻辑运算，并了解数据是如何被修改。从技术角度来看，G是一个图形化的数据流语言，语言中的节点（操作或功能）上运行的数据，而不是在顺序逐行方式，可以被大多数编程语言采用[ 9 ]。你布置数据的“流”，通过图形化应用程序与一个节点的输出连接到另一个输入线。LabVIEW中包含了一个功能强大的优化编译器会检查您的方框图，并直接生成高效的机器代码，避免解释或交叉编译语言相关的性能降低。编译器还可以识别没有数据依赖关系的代码段（即没有电线连接它们），并自动拆分应用程序转换成可以在多核处理器上并行运行的多个线程，相比单一线程，按序执行的应用程序，它可以产生更显著的更快的分析和更敏感的控制 [10]

B.硬件支持

支持LabVIEW的硬件设备包括：科学仪器，数据采集器，传感器，摄像头，马达和驱动器，用于所有硬件设备所熟悉的编程模型，支持多种部署目标的可移植代码。

不管使用的是什么硬件，LabVIEW可通过使用一个统一的编程方法使硬件的整合的过程更容易。同样initialize-configure-read/write-close模式被各种各样的硬件设备重复，数据总是同分析和报告功能相兼容的格式返回，你不会被强迫去钻研仪器编程手册，找无用的信息和基于寄存器的通信协议，除非您特别需要。LabVIEW有免费的驱动程序为成千上万的Ni和第三方硬件查看[ 11 ]。在极少数情况下，LabVIEW驱动程序不存在，你来创建你自己的工具，利用DLL或其他LabVIEW不相关的驱动程序，或者使用低级的没有驱动程序的通信机制对硬件进行操作。

C. UI组件和报告工具

交互式控件，如图表，仪表和表查看您获得的数据。工具将数据保存到文件或数据库，或自动生成报表。每一个LabVIEW程序框图中也有一个相关联的前面板，这是你的应用程序的用户界面。在前面板上可以放置一般的控制按钮和指示灯如字符串，数字和按钮或技术控制和指标，如图形，图表，表格，温度计，刻度盘和体重秤。所有的LabVIEW控件和指示灯被设计为工程使用，这意味着你可以输入如4M而不是400万国际单位，通过单击并键入一个新的终点，将数据导出到如NI DIAdem的和Microsoft Excel工具，用鼠标右键单击它更改图形的比例，等等[12]。控件和指示灯是可定制的。您可以从控制面板上的调色板，或右键单击程序框图上的数据线，并选择“创建控件”或将它们添加“创建指示灯。”

D.模型计算

模拟语法，文字式数学，状态图，组件级IP（CLIP）节点，DLL调用等多种型号可用于当G不是最自然的代表性解决方案。整合和重用现有的代码和知识产权，以减少开发工作量[12]。当LabVIEW首次发布，G是定义所需功能的唯一途径。自那时以来发生了很大变化。您现在可以使用LabVIEW选择最有效的方法来解决手头的问题。

E.技术抽象

 线束新兴技术如FPGA，多核CPU，不需痛苦的再学习和额外的开发工作的虚拟化。

 使用通用的协议和平台而不陷入详细信息[ 12 ]。

技术以迅猛的速度和压力进步，以保持现状和充分利用国家的先进性能去学习和实施新兴技术。LabVIEW通过迅速采用个人和嵌入式计算的进步，以这样的方式你得到的新功能而无需学习显著新的范例。这种方法的例子包括LabVIEW中如何能够自动生成多线程代码执行在多核处理器上的程序或FPGA来提高定制硬件芯片的速度和可靠性，而无需LabVIEW的用户学习多线程的底层细节或通常使用FPGA所需硬件描述语言。这同样适用于新的操作系统，网络协议，等等。

F.计算模型

 模拟语法，文字式数学，状态图，组件级IP（CLIP）节点，DLL调用等多种型号可用于当G不是最自然的代表性解决方案。

 整合和重用现有的代码和知识产权，以减少开发工作量。

当LabVIEW首次发布，G是定义所需功能的唯一途径。自那时以来发生了很大变化。您现在可以使用LabVIEW选择最有效的方法来解决手头的问题检查以下事项[12]：

 LabVIEW的默认计算模型为图形数据流。









状态图提供了一个更高层次的抽象的基于状态。

仿真图是建模和分析动态系统的熟悉的方式。

公式节点提出简单的数学公式符合你的G代码。

LabVIEW MathScript的是数学化，用于LabVIEW文本化编程，你可以用它来调用M文件而无需额外的软件。

 CLIP和IP集成节点导入FPGA的知识产权，因此您可以使用VHDL语言。

这些灵活的计算模型允许你选择正确的工具解决特定的问题。，您可能需要使用一个以上的方法在给定的应用程序，而LabVIEW是一个迅速配合的完美工具。

三、设计

随着技术的进步，在智能家居系统中的控制发展和包括以不同控制方案和系统的新的和复杂的方法。在本文中，我们使用LabVIEW程序，以及遥控器来控制智能房子的不同系统。智能房子的控制分为两种不同类型的控制，如图3。

图3智能家居控制

A、LabVIEW控制

LabVIEW软件将控制房子的内部照明，室外照明，火灾报警器，防盗报警器，与温度系统。

1、内部照明系统：与LabVIEW软件编程联系的内部照明系统由PIR移动传感器，调光器和灯具构成。该系统在房子里面有任何动静时自动提供光线。调光器可以用来做一个小灯照明的百分比，当它接收红外运动传感器的运动信号和用户调节系统的运行时间时，LabVIEW将使灯100％的照明。当PIR运动传感器检测到移动物体，它会发出一个信号，但是这将是一个很少的特定时间。出于这个原因，555定时器电路是用来产生精确的时间延迟，这将更适合于屋内电灯点亮。

LabVIEW的软件程序，用户可以通过LabVIEW前面板监视画面监控系统，如图4。内部照明系统的LabVIEW程序框图如图5所示。

图4内部照明系统的LabVIEW前面板，显示器屏幕

图5的内部照明系统的LabVIEW框图

2、外部照明系统：外部照明系统依赖于太阳电池的读数。数据采集将太阳电池的模拟信号改变为数字信号并发送至LabVIEW来分析它。LabVIEW的软件程序可以选择早上和晚上的时间以控制外部灯光的状态。LabVIEW的软件程序将读取和处理太阳单元格的值，并在LabVIEW前面板显示画面和程序框图显示一天的状态_早晨或晚上_如图6

(a) 前面板，显示器屏幕

(b) LabVIEW程序框图

图6外部照明系统

3、消防报警系统：分为三个部分，第一部分是信号，达到从消防报警系统的传感器作为一个指标，宣布家里发生火灾，第二部分是输出信号，将输入信号处理后，最后通过LabVIEW的数据处理和控制系统。有多种类型的传感器用于火灾报警系统。智能家居中使用的感烟探测器和感温探测器，三个应用程序被用于实现火灾报警和控制火势和烟雾的蔓延这一目标。我们开始使用警笛报警，产生的负载尖啸声来表达风险的存在，此外我们使用燃气电磁阀切断房子的气源。另外，系统会向业主和消防员的办公室发送一个短消息服务（SMS）通知他们存在火灾。LabVIEW将接收火灾报警传感器的信号，处理输入数据后， LabVIEW会发送一组信号给报警警笛使负载发声；同时，此信号将设置燃气电磁阀切断房子的气源。下一步LabVIEW将发送手机短信通知房子的主人有关火灾的危险。可根据实际需要调整具体时间，LabVIEW将发送另一个短信到消防局通知他们帮助灭火的需要。

通过LabVIEW软件程序设置报警警报声和天然气电磁阀复位，我们应该使用DAQ和警笛报警及天然气电磁阀之间的驱动程序，因此，两个5V继电器用于运行两个装置（图7）。第一个继电器常开继电器及其触点连接到24的直流电压运行警报器。第二个继电器及其触点连接到N.C.220的交流电压运行的燃气电磁

阀。

图7火警警报器和燃气电磁阀继电器实现

LabVIEW的软件程序灵活的选择程序应做的步骤。当发生火灾或存在防盗时，系统应选择的是否运行警笛报警或是否应该发短信。LabVIEW前面板显示器屏幕如图8和LabVIEW框图如图9所示。

图8火灾报警系统的LabVIEW前面板显示器屏幕

4、防盗报警系统：在智能家居系统中使用的防盗报警系统的设计类似于用于消防报警系统的设计。它被分成三个部分：第一部分是当家中的任何一个特定危险信号达到其触发阈值后的防盗报警传感器。第二部分是发送处理后的输入信

号到输出信号，最后一部分是用LabVIEW控制系统和数据处理。

图9 LabVIEW的火灾报警系统框图

5、温度系统：温度系统的基本要素是由温度传感器读的温度值。为此，采用LM35温度传感器。该传感器与数据采集直接连接，从LM35温度传感器信号作为变量的模拟值。在程序的结构处理，LabVIEW会发送一个信号冷却或加热系统，根据传感器的值和温度所需的临界值。在温度系统的编程机制，PWM控制系统来控制加热和冷却装置。5V的直流电源来操作LM35温度传感器。我们使用TIP41晶体管，因为它有如图10中的在其基部打开/关闭几个脉冲的能力。

图10 冷却和加热信号温度系统

LabVIEW软件程序的用户可以监视系统的LabVIEW前面板显示器（图11），以及运行或停止系统和调节运行的系统的时候可设置温度系统的配置，如图12。

图11 温度系统的LabVIEW前面板显示器

图12，温度系统的LabVIEW前面板，设置屏幕

四、LabVIEW软件界面

LabVIEW作为智能房子的主控制器如图21所示。

图21智能房屋LabVIEW控制

LabVIEW的智能住宅系统接口包括两个主要部分：

A、显示器屏幕

使用LabVIEW的显示器可以通过数据采集卡和LabVIEW的所有部件连接监控智能住宅系统如图22。

图23LabVIEW的软件编程设定画面

1、登录（用户名和密码）

它有两个登录名，一个用于监视访问权限和另一个用于设置接入，如图24。

图24 LabVIEW程序，登录监控画面

2、数据存储

此软件系统中的所有进程将被存储在Excel文件，如图25

图25 LabVIEW软体程式的Excel文件

3、网络连接

它允许通过互联网在世界任何地方监视和控制的LabVIEW软件编程，如图26。

图26 LabVIEW软件程序的网络连接

五、结论

本文件的主要目的是设计和实施智能家居的控制和监控系统。智能家居系统通过LabVIEW软件控制，在本文中主要控制系统的许多系统。此外，智能家居系统支持由远程控制系统作为子控制系统，该系统还连接到互联网使用LabVIEW从世界上任何地方监视和控制家里的设备。