智能臥室控制系統的設計與制作

鐘振國

（東莞市信息技術學校 廣東 東莞 523290）

1 引言

隨著物聯網應用技術的發展，智能家居逐漸為人們提供簡便的生活方式，本系統以智能臥室控制系統的設計與制作為例，它設計了以下幾部分功能：（1）檢測到太陽光照強度大，窗戶實現自動關閉，語音播報；（2）檢測到下雨，窗戶實現自動關閉，語音播報；（3）檢測臥室中空氣水分濕度大，窗戶實現自動關閉，語音播報；（4）房間溫度是否適當。

2 智能臥室控制系統的設計

智能臥室控制系統由硬件部分、數據采集部分和軟件部分3部分組成，見圖1。

圖1 系統構架

不同種類的傳感器電路組成硬件部分，分別用于檢測不同類型的環境信號。本系統設計采用了光照傳感器、雨滴傳感器、高精度濕度傳感器、高精度熱敏電阻溫度檢測傳感器4種傳感器，通過直流電機正轉和反轉模擬窗簾的開啟與關閉。其中，DAQ數據采集卡接入電腦時，DIO輸出電壓為3.3 V，不足以驅動直流電機工作，因此需要將電壓提升，系統設計采用3 V/5 V電平轉換電路，將電路電源電壓提升至5 V的同時增大輸出電流，用于驅動直流電機實現正反轉。光照傳感器檢測臥室受到陽光照射強度，判斷窗戶是否開啟與關閉；雨滴傳感器檢測是否下雨，如果下雨實現窗戶的自動關閉；高精度熱敏電阻溫度檢測傳感器顯示當前臥室溫度；高精度溫度檢測傳感器檢測臥室空氣濕度，當水分超過設定的濕度80%時，窗戶自動關閉。

NI公司制造的DAQ設備完成本系統的數據采集部分。傳感器電路監測當前環境，并輸出不同的感應信號，將感應信號輸送到DAQ設備對應的模擬端口和數字端口。再經過內部轉換成串行信號，最后通過USB數據線連接到計算機，完成本系統的數據采集部分。

利用LabVIEW軟件設計一個可視化操作界面完成本系統的軟件部分，通過編寫虛擬儀器程序將采集到的數據信號處理、輸出，并在前面板上顯示、控制，實現了用軟件讀取、處理和控制代表不同環境的感應信號。

3 智能臥室控制系統的設計

3.1 硬件電路的設計

智能臥室控制系統由硬件部分、數據采集部分和可視化編程控制界面三大模塊組成，電路原理框圖見圖2。

圖2 系統原理框圖

在系統中，傳感器檢測到的信號被DAQ設備采集轉換并輸入計算機，利用LabVIEW軟件進行虛擬儀器程序的編寫，根據系統要求繪制前面板界面，結合程序面板將DAQ設備傳輸的數據進行處理實現系統功能。電路設計見圖3。

圖3 電路原理圖

光照傳感器電路：（1）電源電路。模塊電源電壓5～12 V，采用外部直流可調穩壓電源供電，并通過電平轉換芯片LM1117輸出光照傳感器電路所需要的工作電壓3.3 V。（2）模擬光照強度測量電路。LED2是可見光模擬照度傳感器PO188，PO188是一個光電集成傳感器，內置雙敏感元接收器，據有可見光范圍內高度敏感，輸出電流隨光照強度呈線性變化等優點。通過電阻R5和PO188相連，實現照度到電壓到變化。當太陽光度到達一定值，VOUT1輸出一個低電平信號，表示光照傳感器檢測電路工作正常。

雨滴傳感器電路：當下雨時，迂回導線形成回路，由IC3D及周圍元器件組成的振蕩電路產生的諧振信號進入IC3A、IC3B組成的斯密特整形電路及IC3C組成的遲滯電路，并在IC3C第10腳輸出一個高電平，三極管VT2飽和導通，VOUT2輸出一個低電平信號，輸出信號指示燈LED3亮，表示雨滴傳感電路工作正常。

高精度熱敏傳感器電路：電路以犧牲靈敏度為代價對熱敏電阻Rt的阻值與溫度之間的非線性物理特性進行線性化，這里采用電壓模式，即在一個電壓回路里頭，用另一個電阻R（對應圖中將R19和R20這兩個電阻等效串聯起來）與之串聯接地。由于熱敏電阻是負溫度系數的，電阻阻值隨溫度的升高而減小，由于熱敏電阻Rt與R在電路中形成分壓關系，R兩端電壓就會隨之升高。電路輸出的電壓經IC4A、IC4D、IC4C組成的差分放大電路進行一級電壓放大，再經IC5A同相比例運算放大電路輸出VOUT3，最終輸出符合原先要求的精度控制信號，從而實現將溫度轉化為電信號。

高精度濕度傳感器電路：電路由TLC555芯片及外圍電路構成的多諧振蕩器電路，當電容傳感器C13檢測到空氣中有濕潤水分時，容量會發生變化，多諧振蕩器IC7的3腳輸出信號頻率相應改變，輸出信號經IC8芯片將頻率轉化為電壓，電壓信號經IC9A同相比例放大輸出VOUT4，從而實現將濕度轉化為電信號。

直流電機控制電路：由直流電動機和4個瞬態抑制二極管組成。

電平轉換電路：SN74LVC4245芯片是8位數據總線轉換器，含有兩個獨立的供電電源（5 V、3.3 V），實現5 V與3.3 V之間的電平轉換。在通信時，數據可以雙向傳送，其傳送方向取決于DIR的輸入電平，/OE是芯片的使能控制端。方向邏輯關系表見表1。

表1 方向邏輯關系表

3.2 可視化控制界面的設計及程序框圖編寫

本系統的可視化操作界面設計及程序框圖編寫采用的是由美國國家儀器公司開發的程序開發環境NI LabVIEW軟件。區別于傳統文本編程語言，LabVIEW采用的是圖形化編輯語言G來編寫程序，又稱“G”語言。

3.2.1 可視化界面的設計

當前狀態條顯示窗戶已打開或者窗戶已關閉；濕度顯示條顯示當前空氣中水分含量；溫度顯示條以數字形式顯示當前溫度；溫度計顯示條以游標形式顯示溫度，更為直觀；兩個布爾指示燈分別指示光照過亮、下雨兩種情況，當光照不亮或者不下雨情況下，布爾指示燈常滅，當任意一種情況發生，對應的布爾燈點亮（綠色）；狀態條顯示窗戶已關閉，并且聲音播報窗戶已關閉；布爾按鍵開關顯示開窗，并且聲音播報窗戶已打開。在前面板進行用戶操作界面的設計，見圖4。

圖4 程序前面板

3.2.2 程序框圖編寫及實現

程序框圖是對DAQ設備采集的數據進行編譯，再對編譯后的數據進行處理，然后通過前面板界面控制、顯示。

如圖5所示：DAQ助手讀取端口數據，通過索引數組索引出端口采集到的數據，對數據進行處理，通過前面板控制界面的布爾燈、條形溫度計以及字符串顯示控件實現數據的可視化。其中，索引數組索引不同端口的信號，通過條件結構的“真”分支和“假”分支輸出不同狀態下顯示控件的值，將信號通過條件結構以及顯示控件進行可視化處理。再用DAQ的端口輸出和延時控件控制電機正反轉，從而實現窗戶的開啟與關閉，并通過聲音播放器子VI實現語音播報。

圖5 程序框圖

4 智能臥室控制系統的測試

系統硬件部分采用由亞龍公司生產的LY-292單元模塊電路進行搭建測試，見圖6。

圖6 硬件電路

光照強度測試：用電筒照射光照傳感器，可視化控制界面的光照過亮指示燈點亮，直流電機開始正轉，當前狀態顯示：窗戶已關閉，語音播報。測試通過。

雨滴測試：把水滴在回型金屬片上，可視化界面的下雨指示燈亮，直流電機正轉，當前狀態顯示：窗戶已關閉，語音播報。測試通過。

溫度測試：用手指握住溫度傳感器，可視化界面當前溫度顯示條顯示當前溫度，溫度計顯示溫度。測試通過。

濕度測試：用棉簽蘸水靠近濕度傳感器，可視化界面當前濕度顯示條顯示當前濕度，當濕度值（水分值）達到設定的濕度80%時，直流電機正轉，當前狀態顯示：窗戶已關閉，語音播報。測試通過。

開窗測試：系統在運行狀態下，點擊開窗布爾按鈕，直流電機反轉，當前狀態顯示：窗戶已打開，語音播報。測試通過。

5 智能臥室系統的設計與制作對中職學校電子電路課程教學的意義

電子電路課程是電子專業的專業基礎課，也是非電子專業如計算機、物聯網、機械等專業非常重要的技術基礎課程，學好電子信息技術與應用這門課，在專業方向選擇上可以向計算機、物聯網等專業延伸，因此學好電子電路課程具有重要意義。

但目前電子電路課程在中職教學中面臨瓶頸，主要原因有：（1）電子電路知識枯燥無味，學生不易接受，從而產生厭學情緒；（2）電子電路實訓課程方式單一，跟不上現代工業的發展及電路設計要求，不利于提高學生的動手實踐能力。

采用單元模塊化電路搭建設計電路系統任務，通過不同模塊的組合實現設計電路所需功能，讓學生將實際電路抽象成電路模型，能分析出電路原理，有利于“任務驅動教學法”“以學生為中心教學法”“課堂反轉教學法”“做中學教學法”等綜合應用在電子電路課堂教學；采用LabVIEW軟件進行可視化控制界面的設計及程序框圖的編寫，實現軟件與硬件電路的通信，實現計算機讀取硬件電路信息及控制硬件電路工作，豐富課堂內容，這也是全國職業院校技能競賽“電子電路裝調與應用”賽項增加的內容，反映了電子技術應用發展的趨勢，體現了“以賽促教，教賽結合”的教學理念，豐富了電子技術的教學模式，讓傳統電子技術教學新穎起來。