基于NI myRIO 的智能家居设计

分手后的思念是犯贱 2023-10-07 10:34 26阅读 0赞

## 摘要 ##

本文设计了以 NI myRIO 作为核心控制器，用 LabVIEW 编程语言开发的智能家居系统。此监控系统包括温度采集单元、光照采集单元、烟雾浓度采集单元、人体红外检测采集单元、红外采集单元，分别通过信号调理电路与NI myRIO 相连，控制器输出端分别与蜂鸣器、电机驱动、照明控制开关相连接，实现智能家居监控系统设计。本设计以LabVIEW为软件平台建立的用户交互界面，方便操作，开发周期短，功能强大，具有良好的应用前景。

## 关键词： ##

NI myRIO；LabVIEW；智能家居；数据采集

## 课题提出的背景 ##

智能家居，又称智能住宅，在国外常用Smart Home 表示。它通过以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、智能家居安全防范技术、自动控制技术、音频技术等将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭事物的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性，并实现节能环保的居住环境。随着现代测试技术的不断发展，以LabVIEW 为软件平台虚拟仪器测量技术正在现代测控领域占据越来越重要的地位。随着计算机技术的飞速发展，美国国家仪器公司率先提出了虚拟仪器的概念，彻底打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的模式，使测控仪器在数据处理、显示、传输、存储等方面的限制，通过交互式图形界面实现系统控制和显示测量数据，并使用框图模块指定各种功能。外围电路简单，易于实现，便于系统硬件维护、功能扩展。

## LabView图形化编程优势 ##

当今全世界已进入智能时代的探索和发展,将生 活中能够与芯片和电脑连接在一起的事物构建一种 控制联系方式,采用IOT(InternetofThings)技术来方 便人的生活。智能车辆的研究也在如火如荼的进行。2011年国际机器人展上推出的导盲犬机器人,采用车载3D图像传感器识别位置信息;也有低成本 STC单片机、红外接近开关和超声波传感器的设计的小车平台;在避障策略上相应的提出了群集协调 算法,Leader-follower和Leader-Leader等最优化自动 规划路径算法。但是单片机、ARM等低端控制器,在功能上局限性较大;同时避障策略不具有实时 性和自适应性,并且复杂度高和灵活性差。LabVIEW 图形化的编程环境和模块化的软件设计流程，非常符合工程思维，配合NI 的硬件平台 myRIO 大大缩短了本设计的开发和调试周期。因此设计了基于NImyRIO和LabVIEW的智能系统。 结合了强大的FPGA编程能力、良好的兼容和用户界面,为智能家居监控系统应用发展提供新的决解方案。

## 总体方案分析 ##

### 模块方案的选择 ###

#### 空气质量监测，选择MQ-135空气质量检测传感器 ####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
MQ-135传感器对氨气、硫化物、苯系蒸汽等有较高的灵敏度。还具有长期的使用寿命和优异的稳定性。它由四个器件组成敏感元件。该传感器有四个管脚输出信号，两个为器件提供正常工作条件。封装内的A与B是互相短接的。MQ-135气体传感器采用二氧化锡(SnO2)作为敏感材料。他能随着环境中的有害气体的不同导电率也不同。使用简单的电路将导电率的变化转为其相应的输出信号。

#### 人体感应，选择人体红外模块 HC-SR501 ####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
全自动感应：当有人进入其感应范围则输入高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平。输出低电平。感应模块采用双元探头，探头的窗口为长方形，双元（A元B元）位于较长方向的两端，当人体从左到右或从右到左走过时,红外光谱到达双元的时间、距离有差值，差值越大，感应越灵敏，当人体从正面走向探头或从上到下或从下到上方向走过时，双元检测不到红外光谱距离的变化，无差值，因此感应不灵敏或不工作；所以安装感应器时应使探头双元的方向与人体活动多的方向尽量相平行，人体经过时先后被探头双元所感应。为了增加感应角度范围，本模块采用圆形透镜，也使得探头四面都感应，但左右两侧仍然比上下两个方向感应范围大、灵敏度强，安装时仍须尽量按以上要求。

#### 声音监测，选择麦克风传感器模块 ####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]  
模块有两个输出：AO,模拟量输出，实时输出麦克风的电压信号；DO，数字量输出。当声音信号强度达到某个阈值时，输出高低电平信号，电位器调节阈值大小。

#### 光强监测，选择光敏电阻传感器 ####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

光敏电阻模块一般用来检测周围环境的光线的亮度，触发单片机或继电器模块等。使用宽电压LM393比较器，信号干净，波形好，驱动能力强，超过15mA。配可调电位器可调节检测光线亮度。光敏电阻是用硫化隔或硒化隔等半导体材料制成的特殊电阻器，其工作原理是基于内光电效应。随着光照强度的升高，电阻值迅速降低，由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。其在无光照时，几乎呈高阻状态，暗电阻很大。

#### 红外模块，选择红外光电反射传感器模块 ####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]  
该传感器模块对环境光线适应能力强，其具有一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物时，红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理之后，绿色指示灯亮，同时信号输出接口输出数字信号，可通过电位器旋钮调节监测距离。

#### 温度监测，选择热敏传感器模块 ####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]

热敏电阻模块对环境温度很敏感，一般用来检测周围环境的温度，通过电位器调节，可以改变温度检测的阈值；AO,模拟量输出，实时输出麦克风的电压信号；DO，数字量输出。

#### 电机驱动，选择TB6612FNG电机驱动模块 ####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]  
该模块相对于传统的L298N效率上提高很多,体积上也大幅度减少，在额定范围内，芯片基本不发热。  
关于此模块的介绍，大家可以看这篇博客[TB6612FNG电机驱动模块][TB6612FNG]

#### 报警，选择蜂鸣器 ####

蜂鸣器报警电路如下：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 7]

### 总体方案论述 ###

本系统主要包括控制系统模块、电机驱动模块、各传感器模块，根据不同传感器所采集的环境信息，控制电机完成相应动作以及蜂鸣器是否发出警报。总方案框图如图所示。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 8]

## 系统软件设计 ##

人体检测，红外检测，声音检测部分用到数字输入和数字输出模块，此部分延时设置为20ms,并设置一个人体检测全局变量，放置3个布尔元件，在人机交互界面，充当指示灯作用。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 9]  
当检测到人体时，控制电机转动，模拟开门运动；温度检测部分，需要模拟输入，并且要进行温度转换，把采集到的模拟电压转化为温度值，然后再人机交互界面显示。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 10]  
当空气质量大于设置阈值时，控制电机反转，模拟排气扇动作；当温度超过阈值，控制电机正转，模拟风扇降温动作。布尔指示灯模拟家中电灯，光照强度低于设置阈值，灯亮。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 11]

## 作品演示 ##

### 实物图 ###

时间有些仓促，做的并不美观，好多想法还没进行实现。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 12]  
下面是说明书部分，对作品进行了简单的介绍。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 13]

### labview 人机交互界面 ###

人机交互界面，做的有些简陋，而且不美观。有机会再修改叭，尝试使用智能家居图片做成真正的家居样子。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQyMDc4OTM0_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 14]

### 分享决定高度，学习拉开差距 ###

#### 作为学习者给大家分享自己完成的此作品，希望对大家有帮助，当然上文若有不妥之处，欢迎指正。 ####

## 欢迎大家留言，批评指正！ ##

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