基于labview的智能家居监控系统的设计毕业论文

 2020-04-08 02:04

摘 要

智能家居监控系统能够让人民的生活更加便利。普通的智能家居监控系统虽然可以实现环境参数监控和调节,但无法实现系统远程操控,而且价格昂贵。

本文通过对国内外现有的智能家居监控系统进行综合分析后,设计一个基于LabVIEW的智能家居监控系统。本系统的主要元器件为STC89C52RC单片机、MQ2烟雾气敏传感器模块、DHT11温湿度传感器模块、HX711桥式压力传感器模块、CC2530 Zigbee无线通信模块、摄像头、由风扇、PTC热敏电阻、小型超声波雾化器LED灯具组成的调节装置,主要软件为LabVIEW 2016、Teamviewer13。

本系统实现了基于LabVIEW的计算机远程对环境参数的监控与调节、灯光的节能控制以及视频监控;实现了基于SMTP的远程监控数据传输到手机的电子邮箱;实现了基于Teamviewer的手机远程操控智能家居监控系统。

本次设计的系统具有成本低、可靠性较高、实用性高、操作便捷等特点,满足我国国内大部分普通家庭的使用要求。

关键词:智能家居监控;LabVIEW;Zigbee无线通信;Teamviewer

Abstract

Smart home monitoring system can make people's lives more convenient. Although an ordinary smart home monitoring system can realize monitoring and adjustment of environmental parameters, it can’t achieve remote control of the system and is expensive. This paper designs a smart home monitoring system based on LabVIEW after comprehensive analysis of existing smart home monitoring systems at home and abroad. The main components of this system are STC89C52RC MCU, MQ2 smoke gas sensor module, DHT11 temperature and humidity sensor module, HX711 bridge pressure sensor module, CC2530 Zigbee wireless communication module, camera, fan, PTC thermistor, small ultrasonic atomization The adjustment device composed of LED lamps, the main software is LabVIEW 2016, Teamviewer13.

The system realizes remote monitoring and adjustment of environmental parameters,energy-saving lighting control and video monitoring based on LabVIEW. It realizes SMTP-based remote monitoring data transmission to the e-mail of the mobile phone, and realizes remote control of smart home monitoring system based on Teamviewer.

The system designed this time has the characteristics of low cost, high reliability, high practicality, convenient operation, etc., and meets the requirements of most common domestic families in China..

Key word: Smart Home monitoring;LabVIEW ;Zigbee wireless communication;Teamviewer

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 国内外发展现状 1

1.3 课题研究内容 4

1.4 课题研究章节安排 4

第2章 智能家居监控系统的总体设计 5

2.1 需求分析和功能设计 5

2.2 部分元器件选择 6

2.2.1 微处理器的选择 6

2.2.2 温湿度传感器的选择 8

2.2.3 无线通信模块的选择 10

2.3 系统架构和工作原理分析 12

第3章 智能家居监控系统的硬件设计 14

3.1 微处理器STC89C52RC 14

3.2 温湿度传感器模块DHT11 15

3.3 烟雾气敏传感器模块MQ-2 17

3.4 桥式压力传感器模块HX711 18

3.5 无线通信模块CC2530 20

3.6 室内环境调节处理装置 21

3.7 硬件成本核算 24

第4章 智能家居监控系统的软件设计 26

4.1 LabVIEW软件部分 26

4.1.1 软件简介及界面总览 26

4.1.2 监控区 27

4.1.3 邮件设置区 28

4.1.4 调节区 29

4.2 Teamviewer软件部分 31

第5章 智能家居监控系统功能演示 36

5.1 数据传输及视频监控 37

5.2 智能调节处理与手动调节处理 37

5.3 定时发送邮件 43

5.4 智能家居监控系统的远程操控 45

第6章 总结与展望 51

6.1 总结 51

6.2 展望 52

参考文献 53

附录A 单片机核心代码 55

附录B 下位机核心电路图 55

附录C 上位机LabVIEW程序框图 55

致谢 56

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

目前,智能化技术发展速度越来越快,其一大发展趋势就是智能家居监控系统,同时,这也是我国科技发展的一大侧重点。其实,智能家居这个概念的雏形在很多年前就诞生了,但直到1984年,UTC(United Technologies Corporation联合科技公司),运用了统筹化的设计理念,在城市建设中实现了建筑设备信息化,智能型建筑这个概念才出现了。此后,智能化生活理念慢慢在美国,欧洲各国等发达国家中普及开来,而我国也开始慢慢接触这一概念并将其推广。最近几年,两批基于智能化技术的智慧城市的试点建设工程先后在我国启动了,智能城市的重点就是让家居生活系统化,智能化。

1.2 国内外发展现状

在智能家居监控系统上,特别是它的设计开发方面,国外的,特别是西欧的一些国家一直是“领头羊”。这得益于国外的家庭居住面积一般都是比较大的,这样的外部环境因素就很有利于发展智能家居监控系统。他们在智能家居监控系统中集合了许多高科技手段,例如虹膜技术,还有指纹识别技术等。

目前,国外有两种相当完善的智能家居监控系统:

Honeywell(霍尼韦尔)系统:该系统通过TCP/IP协议来控制系统内部的通信过程,可以将家居内部不同的设备实现数据和信息的互通,可以集中监控,也可以利用互联网实现远程监控的功能,从而达到家居监控系统的智能控制。该系统的技术完善程度较高,这个因素就导致该系统的价格较为昂贵,在国内只有少数高档的居民小区采用这个系统。

图1.1 Honeywell智能家居监控系统示意图

Control4系统:该系统通过无线Zigbee技术控制系统内部的通信过程,安装和改造都很方便。这个系统一般应用于大面积房屋之中,但因为该系统比较偏重娱乐性的特点,这个系统在国内是难以发展而且也不适合国内的普通家庭的。

图1.2 Control4智能家居监控系统示意图

国内方面,海尔“e家佳”、联想“闪联”这两者的应用体系是最完善的,也是占据国内智能家居监控系统市场主要份额的两个:

ITopHome(家庭网络标准产业联盟),也就是上面提到的“e家佳”,它的工作系统示意图如图1.3所示,该系统的中心为是以家居网络系统,该平台的搭建形式以各个家电公司的产业链为基础,可以将家电设备、娱乐设备和信息设备等互相连接起来,以此实现智能家居系统的设计。

图1.3 e家佳智能家居监控系统示意图

闪联,也就是IGRS(Intelligent Grouping and Resource Sharing信息设备资源共享协同服务)。IGRS标准也称为闪联标准,利用该标准设计的家居监控系统示意图如图1.4所示,该标准是由国内自主研发设定的,已经成为国际智能家居监控系统的具有一定威信的行业标准。该系统的可以让各种控制终端如手机,计算机等设备能够和家居中一些设备能够实现通信联接,同时还可以与智慧社区和智慧城市的系统相连接。

图1.4 闪联智能家居监控系统示意图

1.3 课题研究内容

在本文中,将设计一个智能家居监控系统,适用于我国国内的大多数普通家庭的居环境中。在该系统中,分为下位机和上位机两大部分。

其中,下位机的硬件部分包括MQ2烟雾气敏传感器模块,STC89C52RC微处理器,DHT11温湿度传感器模块,HX711桥式压力传感器模块和环境调节处理装置等等。硬件部分其中还包括用于上下位机通信的CC2530 Zigbee无线通信模块。

而上位机平台是计算机上的 LabVIEW软件,利用该软件作为系统的监控平台,将采用Zigbee 无线通信作为上下位机的数据通信方式。同时还利用了Teamviewer软件进行远程操控。

1.4 课题研究章节安排

本课题研究的主要章节安排如下所示:

第1章是绪论,介绍了目前的国内外的智能家居监控系统的研究背景,同时还介绍目前国内外的智能家居监控系统的比较有代表性的产品:,最后根据上面的内容提出本课题的主要研究内容。

第2章是智能家居监控系统的总体设计,对智能家居监控系统进行了系统需求分析,功能设计,主要元器件的方案对比和选择,系统架构和工作原理分析。

第3章是系统的硬件设计,详细介绍了本次课题研究中用到的微处理器,一些传感器模块的硬件设计和用法,无线通信模块的设计和用法以及调节处理装置介绍和设计。

第4章是系统的软件设计,详细介绍了本次课题研究中用到上位机平台LabVIEW软件,远程操控使用到的Teamviewer软件,并对它们进行综合分析和设计。

第5章是系统的功能演示,将本次课题研究的上位机与下位机及一些控制装置进行联调,然后对其进行功能实现测试。

第6章是总结与展望,对本次课题研究进行一个总结工作,分析本次设计的智能家居监控系统的优缺点。最后对本次设计的智能家居监控系统进行一个可能的改善,分析与展望。

第2章 智能家居监控系统的总体设计

2.1 需求分析和功能设计

一个合格的智能家居控制系统,除了要求系统功能的智能化、系统架构的先进性和集成程度高,还得要求该系统的设计和配置能够正确、安全和稳定地运行,同时充分利用系统的软件硬件资源,不仅如此,设计系统的时候还应考虑系统的成本、环保节能性等等。

在最近的十年内,智能家居监控系统在我国的普及和应用速度越来越快。然而,智能家居行业始终缺乏比较统一的规范和标准,而国外的一些相当完善智能家居监控系统由于成本和技术等各方面的受限,也不能很好的适应国内的情况,无法在国内普及。除此之外,由于我国大多数城市中旧房屋数量在总体房屋数量中占有较多的比例,一些需要提前排线布局的智能家居监控系统就不适合这样的旧房屋,所以这些旧房屋就只能通过购买那些较为昂贵的智能家居设备,然后通过现有的一些通信技术实现各个设备的联通,以此来组装智能家居监控系统。这样的智能家居监控系统成本较高,对于普通家庭来说其实是较难接受的。所以,国内的智能家居监控系统的发展方向之一应该要在现有的房屋基础上,利用国内外的先进技术去设计一个适合普通家庭的智能家居监控系统,比如在房屋内部放置一些相关的传感器,然后将其测得的数据通过下位机,再利用特定的通信技术传输到上位机中,上位机对数据进行监控与分析,根据特定的需要返回信号给下位机,下位机再控制相关的环境因素调节处理装置工作。这样,既能降低成本,又能完成智能家居监控系统的设计,实现对家居环境的智能监控与调节,非常适合作为现阶段国内的智能家居监控系统发展方法。

智能家居监控系统的重点是对于家居生活环境的检测与控制,这也是一个智能家居监控系统中的基本保障,是不可缺少的。一般来说,日常生活中需要检测的数据有温度,湿度,可燃性气体浓度等等。这些室内的环境参数都需要调节到一个合适的数值范围,非正常的室内环境会对人体的生理和心理上产生许多的不良影响,由于现阶段,我国城市居民大多数都是在使用灌装煤气或天然气,这就导致煤气和天然气泄漏问题会经常出现。假如人们没有及时发现家里的煤气或天然气泄漏了,就可能会引起煤气中毒甚至火灾等危害人们生命财产安全的严重后果。与此同时,考虑到现代人们的生活工作情况,大多数人工作日时间一般不会留在家中,这就导致了人们无法及时得知家居环境的情况,所以实现数据的远程传输和系统的远程操控是很有必要的。

根据以上的系统需求分析,本次课题设计系统应该实现以下功能:

1.数据获取及监测。利用各个传感器模块实时监测室内环境,并将数据传输到微处理器中。

2.数据传输监控。利用无线通信技术,将传感器测得的数据从微处理器传输到计算机上的LabVIEW软件中进行显示,分析和处理。

3.智能调节处理。当LabVIEW处于超阈值工作状态或者满足设定条件时,微处理器将控制调节处理装置进行工作(如室内温度太高时,将进行降温工作),直到LabVIEW脱离超阈值工作状态。

4.手动调节处理。考虑到每个用户有不同的需求,在设计系统时,对于调节装置,除了智能调节处理,还应该增加手动调节的功能。

5. 门口访客视频监控。利用压力传感器判断是否有人来访,当有人来访时就会打开摄像头,进行视频监控,无人时则关闭摄像头,停止视频监控。

6.监控数据的定时汇报。通过SMTP,LabVIEW将监测到的家居环境参数定时发送到用户指定的邮箱当中,并且可以让用户自己选择这个定时发送的时间。

7.无人看守时,对监控系统的远程操控。利用TeamViewer软件,实现在另外一台设备(移动设备或PC机)上进行远程操控本PC机,从而远程操控本智能监控系统。

2.2 部分元器件选择

根据上面的设计的系统的功能,完成本次系统设计需要用到一些能够满足需求的元器件,有一些元器件是有多个方案可供选择,下面进行选择的论证说明。

2.2.1 微处理器的选择

在MCU即微处理器的选用方面,目前市面上独立的智能家居监控系统选用的是STM32单片机或STC89C52RC单片机等。

STM32单片机使用的是ARM公司的高性能Cortex-M3内核,集成度非常的高,有着双12位ADC.(数模转换器),4兆位/秒的UART(通用异步收发传输器),18MHz的I/O周转速度。系列其中一款芯片实物图如图2.1所示:

图2.1 STM32F4芯片

STC89C52RC单片机使用的是带有8k字节的闪存和512字节随机存储器的8051核,以及32个I/O输出口,内部有4K字节带电可擦可编程只读存储器,具有T0、T1、T2 这3个定时器,串行端口的工作模式是全双工的。单片机中集成了通用8位CPU和ISP闪存单元,该单片机具有系统内可编程功能,不需要使用专用编程器。在PC端,用户的代码可以更快地下载到微控制器中[5]。芯片实物图如图2.2所示:

图2.2 STC89C52RC芯片

STM32微控制器的性能很强,但该系列微控制器代码的开发很困难,开发成本高。 另外,STM32芯片的价格也相对昂贵,这增加了设计成本。尽管 STC89 C52 RC微控制器在硬件性能方面逊于 STM32微控制器,但 STC89 C52 RC单片机完全可以满足智能家居监控系统设计的需要。而且开发难度低,单片机的芯片成本价格也低,综合考虑下,选择使用 STC89 C52 RC单片机作为本次系统的微处理器。

2.2.2 温湿度传感器的选择

在温湿度传感器的选择方面,目前国内外的独立的智能家居监控系统大多数选用的是HTU21D温湿度传感器模块或者DHT系列的温湿度传感器模块。

HTU21D温湿度传感器的实物如图2.3所示,它内部有一个高性能的湿度感应元件,传感器具有较快的响应速度,抗干扰强,通过I2C协议与单片机进行通信。数据传输方式上,可选择传输12位或14位的数据,工作电压范围为1.5V到3.6V,同时具有正负0.3℃的温度精度和正负3%RH的湿度精度,温度测量范围是-40℃到105℃,湿度测量范围是0-100%RH(相对湿度)[6]

图2.3 HTU21D温湿度传感器

DHT11温湿度传感器的实物如图2.4所示,该传感器是一个功耗低、响应快、抗干扰强、性价比极高,可用于同时检测温湿度的传感器。传感器的内部有一个电阻式感湿元件和一个NTC热敏电阻测温元件而制成的,所以具有极高的可靠性和长期稳定性。8位的输出方式,±1℃的温度精度和±5%RH的湿度精度,3V到5.5V的工作电压范围,温度测量范围是0℃到50℃,湿度测量范围是0-100%RH。

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