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(luò)傳輸技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)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(duì)室內(nèi)環(huán)境相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。該系統(tǒng)具有低功耗、開發(fā)成本低的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： LabVIEW；ZigBee；家居環(huán)境

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：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(duì)生活質(zhì)量的要求也漸趨高端上乘舒適。同時(shí)，智能化的高速發(fā)展則推動(dòng)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(shí)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(jì)算機(jī)擴(kuò)展不同的接口部件，利用時(shí)下相關(guān)的高新技術(shù)，將計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等進(jìn)行設(shè)計(jì)融合，并確保使室內(nèi)的溫度、濕度、光照度等均能保持一個(gè)基本平衡的狀態(tài)目標(biāo)得以高效穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而創(chuàng)造一個(gè)安全、優(yōu)質(zhì)、便利的生活和工作環(huán)境[1]。

LabVIEW是美國(guó)National Instruments（NI）公司實(shí)體推出的虛擬儀器圖形化軟件開發(fā)平臺(tái)，是目前臻至完善的、且應(yīng)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(shí)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(lái)為軟件平臺(tái)定制提供各個(gè)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(lái)發(fā)展起來(lái)的一種近距離無(wú)線通信技術(shù)，不僅功耗低、且經(jīng)濟(jì)實(shí)用，并以2.4 GHz為主要頻段，采用擴(kuò)頻技術(shù)[3]。ZigBee 已公認(rèn)為可能是當(dāng)下在工業(yè)監(jiān)控自動(dòng)化[4]、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域均已呈現(xiàn)可觀應(yīng)用潛力的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù) [5]， 本文則選用ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(kuò)頻）射頻收發(fā)器和一個(gè)高性能/低功耗的 8051微控制器，用于設(shè)計(jì)構(gòu)建功能齊備、價(jià)格低廉的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。綜上分析可知，本文就選用TI公司的CC2530作為下位機(jī)，搭載傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而設(shè)計(jì)提出了一個(gè)家居環(huán)境智能控制系統(tǒng)。具體來(lái)說(shuō)，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(shè)計(jì)，主要是針對(duì)家居環(huán)境的檢測(cè)，并使其保持平衡狀態(tài)，打造一個(gè)智能強(qiáng)大的現(xiàn)代家居環(huán)境。對(duì)室內(nèi)環(huán)境的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理，參數(shù)包括溫度、濕度、光照強(qiáng)度、有害氣體濃度。當(dāng)某一個(gè)參數(shù)異常時(shí)，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)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(lái)展開數(shù)據(jù)的采集，而在數(shù)據(jù)采集模塊中，重點(diǎn)采集了家居環(huán)境中的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、有害氣體等相關(guān)信息，節(jié)點(diǎn)可經(jīng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)與協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)調(diào)器則用USB數(shù)據(jù)線通過(guò)VISA串口與裝有LabVIEW的電腦端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，裝有LabVIEW電腦端對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)在引入操作處理后即設(shè)計(jì)完成數(shù)據(jù)的顯示、分析、存儲(chǔ)和報(bào)警等功能，并向下位機(jī)發(fā)出控制指令。CC2530（片上系統(tǒng)解決方案）依據(jù)相應(yīng)的指令操縱對(duì)窗簾、窗戶等的自動(dòng)控制。用戶還可以通過(guò)訪問(wèn)Web端對(duì)家居環(huán)境的相關(guān)參數(shù)來(lái)指定獲取實(shí)時(shí)查看。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

本系統(tǒng)的各個(gè)子模塊的傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器均以CC2530為硬件基礎(chǔ)，以ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行組網(wǎng)。簡(jiǎn)單的ZigBee網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器、傳感器節(jié)點(diǎn)組成，當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜或當(dāng)協(xié)調(diào)器與傳感器節(jié)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)時(shí)，可以添加路由器節(jié)點(diǎn)來(lái)支持?jǐn)?shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，并為后加入的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)距離較小，因此無(wú)須補(bǔ)設(shè)路由器節(jié)點(diǎn)。

傳感器節(jié)點(diǎn)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(jìn)一步地，詳述給出溫濕度傳感器DHT11的電路設(shè)計(jì)實(shí)例如圖2所示，濕度測(cè)量范圍：20%-95%，濕度測(cè)量誤差：±5%，溫度測(cè)量范圍：0～50度，溫度測(cè)量誤差：±2度，工作電壓為3.3～5 V。

信號(hào)采集一共分為4個(gè)區(qū)域，分別為：陽(yáng)臺(tái)、廚房、臥室、客廳，陽(yáng)臺(tái)傳感器節(jié)點(diǎn)搭載一個(gè)光敏傳感器，進(jìn)行光照強(qiáng)度的采集；廚房傳感器節(jié)點(diǎn)搭載一個(gè)氣體傳感器和一個(gè)溫濕度傳感器，進(jìn)行溫度和有害氣體的檢測(cè)；臥室傳感器節(jié)點(diǎn)搭載一個(gè)溫濕度傳感器，進(jìn)行溫濕度的采集；客廳傳感器節(jié)點(diǎn)搭載一個(gè)溫濕度傳感器和一個(gè)光敏傳感器，進(jìn)行溫濕度和光照強(qiáng)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(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過(guò)USB傳送至PC端。

2.2 數(shù)據(jù)顯示模塊

上位機(jī)LabVIEW程序在運(yùn)行時(shí)首先進(jìn)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(hào)密碼核對(duì)子VI，來(lái)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(cuò)誤。

帳號(hào)密碼核對(duì)子VI在與數(shù)據(jù)庫(kù)成功連接后即可開啟用戶名和密碼的核對(duì)操作。用戶名、密碼可以通過(guò)增加用戶子VI進(jìn)行添加操作，通過(guò)刪除用戶子VI進(jìn)行刪除操作。在登錄界面設(shè)置取消按鈕用于退出系統(tǒng)。

登錄成功后，進(jìn)入數(shù)據(jù)顯示界面。設(shè)計(jì)中統(tǒng)共分為4個(gè)子模塊，分別顯示陽(yáng)臺(tái)光照強(qiáng)度、廚房溫度和有害氣體濃度、客廳溫濕度和光照強(qiáng)度、臥室溫濕度。通過(guò)點(diǎn)擊主界面按鈕，可以進(jìn)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(guò)VISA配置串口VI配置串口；通過(guò)串口操作可以設(shè)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(guò)VISA寫入函數(shù)/寫入數(shù)據(jù)，或者通過(guò)VISA讀取函數(shù)/讀取數(shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)時(shí)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(cè)是否有按鈕按下，如果有，則跳轉(zhuǎn)到與該按鈕相對(duì)應(yīng)的子模塊。設(shè)置各個(gè)子模塊顯示的數(shù)據(jù)也在事件結(jié)構(gòu)中處理實(shí)現(xiàn)。利用LabVIEW自帶的Web發(fā)布工具進(jìn)行Web發(fā)布，發(fā)布以后用戶可以通過(guò)訪問(wèn)Web端對(duì)家居環(huán)境參數(shù)做到直接實(shí)時(shí)查看。

2.3 控制模塊

控制模塊可研究拓展為報(bào)警、窗戶和窗簾的開關(guān)子模塊。本系統(tǒng)用IAR[6]（C語(yǔ)言編譯器-IAR Embedded Workbench）開發(fā)下位機(jī)程序。用CC2530搭載的繼電器、步進(jìn)電機(jī)工作表示控制動(dòng)作的進(jìn)行與發(fā)生。在陽(yáng)臺(tái)子模塊中，當(dāng)光照強(qiáng)度為light時(shí)，步進(jìn)電機(jī)工作，打開窗簾，并同時(shí)打開窗戶；在廚房子模塊中，當(dāng)溫度超過(guò)40℃，或者檢測(cè)到有害氣體時(shí)，繼電器吸合，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警。在臥室子模塊中，當(dāng)溫度超過(guò)40℃時(shí)繼電器吸合，系統(tǒng)開始報(bào)警，步進(jìn)電機(jī)工作，打開窗簾和窗戶；當(dāng)濕度低于15%或高于65%時(shí)，LED燈閃爍，提醒用戶對(duì)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(dāng)溫度超過(guò)40℃時(shí)繼電器吸合，系統(tǒng)指示報(bào)警，當(dāng)濕度低于15%或高于65%時(shí)LED燈閃爍，提醒用戶，當(dāng)光照強(qiáng)度為light時(shí)，步進(jìn)電機(jī)工作，打開窗簾。主要運(yùn)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(cè)到有害氣體時(shí)，進(jìn)行報(bào)警和打開窗戶、窗簾三個(gè)動(dòng)作，程序如下：

if（DATA_PIN6 == 1）

{

state[1] = 0x31； //高電平時(shí)說(shuō)明沒有檢測(cè)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(dāng)輸出低電平時(shí)信號(hào)燈亮，檢測(cè)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(yǔ)

本系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)、ZigBee數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)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(yǔ)言，縮短了整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間，降低了整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)成本。該系統(tǒng)的上位機(jī)通過(guò)USB與協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，下位機(jī)的各節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間都通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中各子模塊能準(zhǔn)確采集室內(nèi)各種參數(shù)，能實(shí)時(shí)顯示被采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)生異常時(shí)能依據(jù)程序指令來(lái)展開處理操作?？偟貋?lái)說(shuō)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、交互界面友好，且易于修改和后期擴(kuò)展。

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