基于Labview智能家居控制系統設計與仿真

徐連成

（泰安技師學院電氣工程系 山東省泰安市 271000）

智能家居是安裝有智能家居系統的居住環境，利用綜合布線技術、網絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術集成家居生活設施，構建高效的住宅與事務管理系統，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環保節能的居住環境。家居：是指人生活的各類設備，智能：是指自動控制管理。

1 系統的總體框架

系統的總體框圖見圖1所示。系統通過各類傳感器模塊采集家居環境的溫度、煙霧、空氣質量、聲光控等安防信息，信號經整型后通過myDAQ 數據采集卡傳送到Labview 監控平臺，完成對家居環境參數的顯示、分析、存儲、報警功能，并根據參數提示對室內家居的溫度、煙霧、空氣質量、燈光實現自動控制。

2 系統硬件設計部分

2.1 NI myDAQ 數據采集器

Labview 獲取數據的方法是通過對I/o 接口設備的驅動完成的。NI myDAQ 數據采集卡擁有模擬輸入（AI）通道2 個、模擬輸出通道（AO）2 個、數字輸入/輸出通道（DIO）8 個、±15V 模組電源一組、+5V 電源一組。

通過Labview NI myDAQ 設置8 個通道采集數據，AIO+接溫度傳感器、AI1+接空氣質量傳感器、AO0+接電機、DIO0 接JK2繼電器、DIO1 接JK1 繼電器、DIO2 接煙霧傳感器、DIO3 接風扇、DIO5 接電燈。傳感器的數據經采集卡處理通過USB 送到計算機中的Labview 進行分析計算。系統結構框圖如圖1所示。

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊有溫度傳感器模塊、煙霧傳感器模塊、空氣質量傳感器模塊、聲光控傳感器模塊等組成，采用+5V 給傳感器供電。室內溫度選用溫度傳感器LM35 進行監測，特征：輸出從0℃開始，溫度每升高1 攝氏度，輸出電壓就增加10mv。室內的煙霧和煤氣泄漏選用煙霧傳感器QM-N5 進行監測，模擬量和TTL 電平雙路信號輸出。TTL 輸出時有效信號是低電平。空氣質量傳感器QS-01 是二氧化錫半導體氣體傳感器，對各種空氣污染有很高的靈敏度，傳感器阻值減少與氣體濃度增加之間呈現對數關系。聲光控傳感器由話筒、光敏電阻、三極管放大電路、IC555 組成的單穩態觸發器和輸出反向驅動器等組成，當檢測到信號時，輸出端會輸出低電平脈沖信號。

圖1：系統結構框圖

圖2：智能家居環境控制總界面vi 前面板

3 系統軟件程序設計

NI Labview 是一種程序開發環境，由美國國家儀器公司研制開發，是專為測試、測量和控制應用而設計的系統工程軟件，可快速訪問硬件I/O 和數據信息，Labview

使用的是圖形化編輯語言G 編寫程序，產生的程序是框圖的形式。

3.1 系統用戶界面設計

智能家居環境控制總界面vi 前面板見圖2所示，由于Labview是人機交互界面，具有監測和控制功能，所以在總界面中可以對客廳、臥室、廚房三個房間的溫度、煙霧、空氣質量、聲光控等安防信息進行監測，并對采集的數據進行分析和判斷處理，當出現溫度超出限制范圍、煙霧濃度異常（燃氣泄漏、發生火災等）、空氣質量異常（污染氣體濃度異常）、聲光控信號變化系統顯示實時數據、界面中的相應控制功能指示燈變化（改變顏色）、發出報警信息、驅動相應控制：制冷（或者制熱）控制、驅動空氣清新電機（排風扇）、驅動燈開關等。

3.2 數據采集程序設計

數據采集程序使用函數對環境參數進行采集、設置、閥值分析。采集數據的方法：根據采集任務創建數據通道，設置數據采集的參數，調用讀取或寫入函數，實現信號的采集和控制。停止執行任務。

3.3 溫度處理程序

編程思路：升溫、降溫是通過調節空調工作模式（制冷、制熱）來實現的。

程序前面板設計：

上限溫度、下線溫度的輸入框：用數值輸入控件制作，可以設定溫度范圍；制冷、制熱指示燈：用布爾控件制作：當測量的實時溫度在控制范圍內時，制冷、制熱指示燈顯示綠色，當實時溫度超出上限（下限）時，制冷（制熱）指示燈變成紅色，同時通過采集卡的DIO0（DIO1）端口驅動JK2（JK1）繼電器吸合、啟動空調制冷（制熱）功能。

程序框圖設計：

DAQ 助手通過 AIO+端口采集溫度傳感器模塊的電壓值、根據公式（實時溫度T=125*電壓值）轉換成實時溫度值與設定值比較，當大于等于上限值時，驅動繼電器JK1執行制冷操作；當小于等于下限值時，驅動繼電器JK2執行制熱操作；

3.4 空氣質量處理程序

3.4.1 編程思路

空氣質量的改善是通過調節方波的占空比（PWM 方式調控）控制電機轉速更新空氣實現的。

3.4.2 程序前面板設計

“空氣與電機控制”模塊，制作四個狀態提示燈（布爾控件）分別代表空氣的四種狀態，“很好”、“良好”、“較差”、“很差”；因空氣采集模塊是與電機的模擬量輸出結合，所以將電機采集物理通道顯示出來。

3.4.3 程序框圖設計

根據功能編寫程序框圖，Labview 通過AI1+端口采集空氣質量傳感器的模擬電壓數據，采集的模擬電壓分為四個等級來表示四種空氣質量的狀態。見圖2所示的軟件界面，采用四個提示燈來表示空氣質量的四種狀態，當空氣質量處于哪種狀態時，對應的狀態提示燈便點亮，同時將采集的電壓以數值的形式表現出來。

當采集數據的電壓值小于等于2.45 時，空氣質量為“很好”指示燈亮，當電壓位于2.45～2.8 之間時（包含2.45），空氣質量為“良好”指示燈亮；當電壓位于2.8～3.15 之間時（包含2.8），空氣質量為“較差”指示燈亮，當電壓大于等于3.15 時，空氣質量為“很差”指示燈亮。

Labview 軟件可以檢測空氣的質量狀態，并通過對空氣質量狀態的判斷來控制電機的不同轉速。四種狀態來實現電機的四種相對應的轉速，實現對電機的轉速的控制，給電機模塊輸入調制脈沖信號，通過對脈沖信號寬度的調節來實現對電機轉速的控制。將脈沖信號的“幅值”設定為5V，這是固定值。通過對“寬度”的調節來調節脈沖的寬度，具體如下：

當空氣狀態為“很好”時，電機不轉動，此時將寬度設為“0”；當空氣狀態為“良好”時，此時電機輕微轉動，將寬度設為“20”；當空氣狀態為“較差”時，此時電機較大幅度轉動，將寬度設為“60”；當空氣狀態為“很差”時，此時電機快速轉動，將寬度設為“125”；如圖3所示。

3.5 煙霧與風扇控制處理程序

3.5.1 編程思路

煙霧的調節是通過控制風扇啟動停止實現的。

3.5.2 程序前面板設計

煙霧與風扇控制模塊：煙霧指示燈用布爾控件制作、綠色表示沒有監測到煙霧，紅色表示監測到有煙霧；選擇風扇的圖片，制作風扇轉動的控件。煙霧采集通道與風扇控制通道要顯示出來。

3.5.3 程序框圖設計

煙霧通道通過DIO2 數字輸入采集TTL 電平狀態，通過DIO3數字輸出TTL 電平控制風扇。通過myDAQ 助手創建虛擬通道（myDAQ1/port0/line2），任務開始，讀取煙霧傳感器的TTL 電平數據，停止任務。通過myDAQ 助手創建虛擬通道（myDAQ1/port0/line3）,任務開始，寫入電機驅動的TTL 數據，停止任務。當煙霧傳感器沒有檢測到煙霧時，煙霧指示燈為綠色安全狀態，當檢測到煙霧時，煙霧指示燈變為紅色，軟件界面的風扇框圖開始模擬風扇轉動，直到煙霧重新檢測為正常狀態后便停止。如圖4所示。

圖4：煙霧和聲光報警控制vi 程序框圖

3.6 聲光控與電燈控制處理程序

Labview 通過DIO4 通道采集聲光控傳感器的數據信號，通過DIO5 通道輸出驅動信號控制燈。蜂鳴器控件，實現當有聲時，蜂鳴器為紅色標志；當無聲時，蜂鳴器為白色標志。Labview 通過虛擬通道讀取/寫入聲光控信號，控制燈亮和蜂鳴器發聲。

4 結語

智能家居控制系統，可以對室內環境多種參數進行監測控制，還可以應用到煤礦，對礦井下有毒、易燃、易爆氣體進行監控，保護曠工安全、保障安全生產。應用前景廣闊。