基于LabVIEW的家居環(huán)境智能控制系統(tǒng)

羅雪倫+周慶華+寧芬+王廣鵬+朱科峰

摘 要： 基于LabVIEW 開發(fā)環(huán)境和ZigBee 網(wǎng)絡傳輸技術(shù)構(gòu)建了一個家居環(huán)境智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)用德州儀器（TI）公司的片上系統(tǒng)解決方案CC2530 搭載傳感器對室內(nèi)環(huán)境相關(guān)參數(shù)進行采集，并對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)環(huán)境參數(shù)執(zhí)行相關(guān)控制指令。數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡進行傳輸。該系統(tǒng)具有低功耗、開發(fā)成本低的特點。

關(guān)鍵詞： LabVIEW；ZigBee；家居環(huán)境

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：A

文章編號：2095-2163（2017）02-0116-03

Abstract：A home environment intelligent control system is built based on LabVIEW development environment and ZigBee network transmission technology. The system uses Texas Instruments （TI） company's system-on-chip solution CC2530 equipped with sensors to collect the relevant parameters of the indoor environment， analyzes the collected data， and executes the relevant control commands according to the environmental parameters. The data is transmitted over the ZigBee network. The system has the characteristics of low power consumption and low development cost.

Keywords：LabVIEW；ZigBee；home environment

0 引 言

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對生活質(zhì)量的要求也漸趨高端上乘舒適。同時，智能化的高速發(fā)展則推動了家居環(huán)境智能控制系統(tǒng)的研究創(chuàng)新，即為人們的這一追求提出了現(xiàn)實解決方案。家居環(huán)境智能控制系統(tǒng)是指依靠傳統(tǒng)的計算機擴展不同的接口部件，利用時下相關(guān)的高新技術(shù)，將計算機與網(wǎng)絡技術(shù)、信息技術(shù)、自動控制技術(shù)等進行設計融合，并確保使室內(nèi)的溫度、濕度、光照度等均能保持一個基本平衡的狀態(tài)目標得以高效穩(wěn)定實現(xiàn)，進而創(chuàng)造一個安全、優(yōu)質(zhì)、便利的生活和工作環(huán)境[1]。

LabVIEW是美國National Instruments（NI）公司實體推出的虛擬儀器圖形化軟件開發(fā)平臺，是目前臻至完善的、且應用拓展占據(jù)首位的圖形化集成環(huán)境，LabVIEW擁有豐富的工具包，編程效率高，大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)時間[2]。本文著重探討的家居環(huán)境智能控制系統(tǒng)即基于LabVIEW 2014來為軟件平臺定制提供各個子模塊的數(shù)據(jù)顯示、分析和指令控制。ZigBee技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種近距離無線通信技術(shù)，不僅功耗低、且經(jīng)濟實用，并以2.4 GHz為主要頻段，采用擴頻技術(shù)[3]。ZigBee 已公認為可能是當下在工業(yè)監(jiān)控自動化[4]、傳感器網(wǎng)絡、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等眾多領域均已呈現(xiàn)可觀應用潛力的無線網(wǎng)絡通信技術(shù) [5]， 本文則選用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸。CC2530是德州儀器（TI）目前核心主配的可完整用于2.4 GHz lEEE802.15.4/RF4CE/ZigBee的第二代片上系統(tǒng)解決方案。其中結(jié)合了高性能的 2.4 GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發(fā)器和一個高性能/低功耗的 8051微控制器，用于設計構(gòu)建功能齊備、價格低廉的網(wǎng)絡節(jié)點。綜上分析可知，本文就選用TI公司的CC2530作為下位機，搭載傳感器進行數(shù)據(jù)采集，從而設計提出了一個家居環(huán)境智能控制系統(tǒng)。具體來說，該系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、控制模塊。

1 家居環(huán)境智能控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本次系統(tǒng)的設計，主要是針對家居環(huán)境的檢測，并使其保持平衡狀態(tài)，打造一個智能強大的現(xiàn)代家居環(huán)境。對室內(nèi)環(huán)境的相關(guān)參數(shù)進行實時采集和處理，參數(shù)包括溫度、濕度、光照強度、有害氣體濃度。當某一個參數(shù)異常時，及時采取應對措施，以保證家居環(huán)境的安全與舒適。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，系統(tǒng)中利用CC2530并附配傳感器來展開數(shù)據(jù)的采集，而在數(shù)據(jù)采集模塊中，重點采集了家居環(huán)境中的溫度、濕度、光照強度、有害氣體等相關(guān)信息，節(jié)點可經(jīng)由ZigBee網(wǎng)絡與協(xié)調(diào)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)調(diào)器則用USB數(shù)據(jù)線通過VISA串口與裝有LabVIEW的電腦端進行數(shù)據(jù)傳輸，裝有LabVIEW電腦端對采集得到的數(shù)據(jù)在引入操作處理后即設計完成數(shù)據(jù)的顯示、分析、存儲和報警等功能，并向下位機發(fā)出控制指令。CC2530（片上系統(tǒng)解決方案）依據(jù)相應的指令操縱對窗簾、窗戶等的自動控制。用戶還可以通過訪問Web端對家居環(huán)境的相關(guān)參數(shù)來指定獲取實時查看。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的設計與實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

本系統(tǒng)的各個子模塊的傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)器均以CC2530為硬件基礎，以ZigBee網(wǎng)絡協(xié)議進行組網(wǎng)。簡單的ZigBee網(wǎng)絡由協(xié)調(diào)器、傳感器節(jié)點組成，當ZigBee網(wǎng)絡較為復雜或當協(xié)調(diào)器與傳感器節(jié)點距離較遠時，可以添加路由器節(jié)點來支持數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，并為后加入的節(jié)點分配地址，但于分析后可知，本次研發(fā)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器與傳感器節(jié)點距離較小，因此無須補設路由器節(jié)點。

傳感器節(jié)點搭載的傳感器有溫濕度傳感器（DHT11）、氣體傳感器（MQ-2）、光敏傳感器（GL5516）。進一步地，詳述給出溫濕度傳感器DHT11的電路設計實例如圖2所示，濕度測量范圍：20%-95%，濕度測量誤差：±5%，溫度測量范圍：0～50度，溫度測量誤差：±2度，工作電壓為3.3～5 V。

信號采集一共分為4個區(qū)域，分別為：陽臺、廚房、臥室、客廳，陽臺傳感器節(jié)點搭載一個光敏傳感器，進行光照強度的采集；廚房傳感器節(jié)點搭載一個氣體傳感器和一個溫濕度傳感器，進行溫度和有害氣體的檢測；臥室傳感器節(jié)點搭載一個溫濕度傳感器，進行溫濕度的采集；客廳傳感器節(jié)點搭載一個溫濕度傳感器和一個光敏傳感器，進行溫濕度和光照強度的采集。采集模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。傳感器采集到數(shù)據(jù)后，通過ZigBee網(wǎng)絡傳輸給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過USB傳送至PC端。

2.2 數(shù)據(jù)顯示模塊

上位機LabVIEW程序在運行時首先進入的是登錄界面。用戶在輸入用戶名和用戶密碼后，登錄程序調(diào)用帳號密碼核對子VI，來判斷用戶名和密碼是否正確：正確，則登錄成功；如果不正確，則提示用戶名或密碼錯誤。

帳號密碼核對子VI在與數(shù)據(jù)庫成功連接后即可開啟用戶名和密碼的核對操作。用戶名、密碼可以通過增加用戶子VI進行添加操作，通過刪除用戶子VI進行刪除操作。在登錄界面設置取消按鈕用于退出系統(tǒng)。

登錄成功后，進入數(shù)據(jù)顯示界面。設計中統(tǒng)共分為4個子模塊，分別顯示陽臺光照強度、廚房溫度和有害氣體濃度、客廳溫濕度和光照強度、臥室溫濕度。通過點擊主界面按鈕，可以進行各子模塊界面的切換。

數(shù)據(jù)顯示的程序框圖如圖4所示，通過VISA配置串口VI配置串口；通過串口操作可以設置數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋忍芈?、?shù)據(jù)比特、奇偶、停止位、控制流等參數(shù)。程序中利用while循環(huán)，按條件通過VISA寫入函數(shù)/寫入數(shù)據(jù)，或者通過VISA讀取函數(shù)/讀取數(shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)時將始終讀取讀數(shù)值指定的數(shù)據(jù)數(shù)量。事件結(jié)構(gòu)將檢測是否有按鈕按下，如果有，則跳轉(zhuǎn)到與該按鈕相對應的子模塊。設置各個子模塊顯示的數(shù)據(jù)也在事件結(jié)構(gòu)中處理實現(xiàn)。利用LabVIEW自帶的Web發(fā)布工具進行Web發(fā)布，發(fā)布以后用戶可以通過訪問Web端對家居環(huán)境參數(shù)做到直接實時查看。

2.3 控制模塊

控制模塊可研究拓展為報警、窗戶和窗簾的開關(guān)子模塊。本系統(tǒng)用IAR[6]（C語言編譯器-IAR Embedded Workbench）開發(fā)下位機程序。用CC2530搭載的繼電器、步進電機工作表示控制動作的進行與發(fā)生。在陽臺子模塊中，當光照強度為light時，步進電機工作，打開窗簾，并同時打開窗戶；在廚房子模塊中，當溫度超過40℃，或者檢測到有害氣體時，繼電器吸合，系統(tǒng)發(fā)出報警。在臥室子模塊中，當溫度超過40℃時繼電器吸合，系統(tǒng)開始報警，步進電機工作，打開窗簾和窗戶；當濕度低于15%或高于65%時，LED燈閃爍，提醒用戶對臥室采取除濕或加濕等相關(guān)措施，有助于提升睡眠質(zhì)量；在客廳子模塊中，當溫度超過40℃時繼電器吸合，系統(tǒng)指示報警，當濕度低于15%或高于65%時LED燈閃爍，提醒用戶，當光照強度為light時，步進電機工作，打開窗簾。主要運行代碼程序如下：

DHT11（）； [WB]//獲取溫濕度

[DW]//如果溫度大于40 ℃則工作

if（wendu_shi>=4）

{

DATA_PIN = 0； //繼電器吸合

HalLedSet（HAL_LED_1， HAL_LED_MODE_OFF）；//LED1亮

}

else

{

DATA_PIN = 1； //繼電器斷開

HalLedSet（HAL_LED_1， HAL_LED_MODE_ON）； //LED1滅

}

氣體傳感器在檢測到有害氣體時，進行報警和打開窗戶、窗簾三個動作，程序如下：

if（DATA_PIN6 == 1）

{

state[1] = 0x31； //高電平時說明沒有檢測到氣體

DATA_PIN5 = 1； //繼電器斷開

HalLedSet（HAL_LED_1， HAL_LED_MODE_ON）；

HalUARTWrite（0，"security＼＼n"， 9）； //串口顯示

HalLcdWriteString（ "security"， HAL_LCD_LINE_3 ）；

//LCD顯示

}

else

{

MicroWait （10 000）； // Wait 10ms

if（DATA_PIN6 == 0）

{

state[1] = 0x30； //當輸出低電平時信號燈亮，檢測到氣體

DATA_PIN5 = 0； //繼電器吸合

HalLedSet（HAL_LED_1， HAL_LED_MODE_OFF）；

HalUARTWrite（0，"Got bad Air＼＼n"，12）； //串口顯示

HalLcdWriteString（ "Got bad Air"， HAL_LCD_LINE_3 ）； //LCD顯示

}

}

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)、ZigBee數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)，設計實現(xiàn)了基于LabVIEW的家居環(huán)境智能控制系統(tǒng)。由于LabVIEW是圖形化編程語言，縮短了整個系統(tǒng)的開發(fā)時間，降低了整個系統(tǒng)的開發(fā)成本。該系統(tǒng)的上位機通過USB與協(xié)調(diào)器進行數(shù)據(jù)傳輸，下位機的各節(jié)點與協(xié)調(diào)器之間都通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)在實際運行當中各子模塊能準確采集室內(nèi)各種參數(shù)，能實時顯示被采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)生異常時能依據(jù)程序指令來展開處理操作?？偟貋碚f，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、交互界面友好，且易于修改和后期擴展。

參考文獻：

[1]王志勇，閔緒，徐保國. 基于ANT無線網(wǎng)絡和LabVIEW的智能家居系統(tǒng)[J]. 計算機系統(tǒng)應用，2013，22（10）：94-99.

[2] 阮奇楨. 我和LabVIEW：一個NI工程師的十年編程經(jīng)驗[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[3] WHEELER A. Commercial applications of wireless sensor networks using ZigBee[J]. IEEE Communications Magazine，2007，45（4） ： 70-77.

[4] CHEN Bo，WU Mingguang，YAO Shuai，et al. ZigBee technology and its application on wireless meter-reading system[C]//2006 IEEE International Conference on Industrial Informatics. Singapore：IEEE，2006：1257-1260.

[5] 蔡利婷，陳平華，羅彬，等. 基于CC2530的ZigBee數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J]. 計算機技術(shù)與發(fā)展，2012，22（11）：197-200.

[6] 呂偉. 基于CC2530的無線傳感器網(wǎng)絡選擇性組網(wǎng)設計與實現(xiàn)[D]. 鄭州：河南工業(yè)大學，2015.

[7] Baidu Wenku. CC253X Users Guide[EB/OL].[2010-06-25].http：//focus.ti.com/docs/prod/folders/prInt/cc2530.html.

[8] 詹良. 基于ZigBee技術(shù)的智能家居無線網(wǎng)絡系統(tǒng)[D]. 北京：北京郵電大學，2008.