智能卧室控制系统的设计与制作

钟振国

（东莞市信息技术学校 广东 东莞 523290）

1 引言

随着物联网应用技术的发展，智能家居逐渐为人们提供简便的生活方式，本系统以智能卧室控制系统的设计与制作为例，它设计了以下几部分功能：（1）检测到太阳光照强度大，窗户实现自动关闭，语音播报；（2）检测到下雨，窗户实现自动关闭，语音播报；（3）检测卧室中空气水分湿度大，窗户实现自动关闭，语音播报；（4）房间温度是否适当。

2 智能卧室控制系统的设计

智能卧室控制系统由硬件部分、数据采集部分和软件部分3部分组成，见图1。

图1 系统构架

不同种类的传感器电路组成硬件部分，分别用于检测不同类型的环境信号。本系统设计采用了光照传感器、雨滴传感器、高精度湿度传感器、高精度热敏电阻温度检测传感器4种传感器，通过直流电机正转和反转模拟窗帘的开启与关闭。其中，DAQ数据采集卡接入电脑时，DIO输出电压为3.3 V，不足以驱动直流电机工作，因此需要将电压提升，系统设计采用3 V/5 V电平转换电路，将电路电源电压提升至5 V的同时增大输出电流，用于驱动直流电机实现正反转。光照传感器检测卧室受到阳光照射强度，判断窗户是否开启与关闭；雨滴传感器检测是否下雨，如果下雨实现窗户的自动关闭；高精度热敏电阻温度检测传感器显示当前卧室温度；高精度温度检测传感器检测卧室空气湿度，当水分超过设定的湿度80%时，窗户自动关闭。

NI公司制造的DAQ设备完成本系统的数据采集部分。传感器电路监测当前环境，并输出不同的感应信号，将感应信号输送到DAQ设备对应的模拟端口和数字端口。再经过内部转换成串行信号，最后通过USB数据线连接到计算机，完成本系统的数据采集部分。

利用LabVIEW软件设计一个可视化操作界面完成本系统的软件部分，通过编写虚拟仪器程序将采集到的数据信号处理、输出，并在前面板上显示、控制，实现了用软件读取、处理和控制代表不同环境的感应信号。

3 智能卧室控制系统的设计

3.1 硬件电路的设计

智能卧室控制系统由硬件部分、数据采集部分和可视化编程控制界面三大模块组成，电路原理框图见图2。

图2 系统原理框图

在系统中，传感器检测到的信号被DAQ设备采集转换并输入计算机，利用LabVIEW软件进行虚拟仪器程序的编写，根据系统要求绘制前面板界面，结合程序面板将DAQ设备传输的数据进行处理实现系统功能。电路设计见图3。

图3 电路原理图

光照传感器电路：（1）电源电路。模块电源电压5～12 V，采用外部直流可调稳压电源供电，并通过电平转换芯片LM1117输出光照传感器电路所需要的工作电压3.3 V。（2）模拟光照强度测量电路。LED2是可见光模拟照度传感器PO188，PO188是一个光电集成传感器，内置双敏感元接收器，据有可见光范围内高度敏感，输出电流随光照强度呈线性变化等优点。通过电阻R5和PO188相连，实现照度到电压到变化。当太阳光度到达一定值，VOUT1输出一个低电平信号，表示光照传感器检测电路工作正常。

雨滴传感器电路：当下雨时，迂回导线形成回路，由IC3D及周围元器件组成的振荡电路产生的谐振信号进入IC3A、IC3B组成的斯密特整形电路及IC3C组成的迟滞电路，并在IC3C第10脚输出一个高电平，三极管VT2饱和导通，VOUT2输出一个低电平信号，输出信号指示灯LED3亮，表示雨滴传感电路工作正常。

高精度热敏传感器电路：电路以牺牲灵敏度为代价对热敏电阻Rt的阻值与温度之间的非线性物理特性进行线性化，这里采用电压模式，即在一个电压回路里头，用另一个电阻R（对应图中将R19和R20这两个电阻等效串联起来）与之串联接地。由于热敏电阻是负温度系数的，电阻阻值随温度的升高而减小，由于热敏电阻Rt与R在电路中形成分压关系，R两端电压就会随之升高。电路输出的电压经IC4A、IC4D、IC4C组成的差分放大电路进行一级电压放大，再经IC5A同相比例运算放大电路输出VOUT3，最终输出符合原先要求的精度控制信号，从而实现将温度转化为电信号。

高精度湿度传感器电路：电路由TLC555芯片及外围电路构成的多谐振荡器电路，当电容传感器C13检测到空气中有湿润水分时，容量会发生变化，多谐振荡器IC7的3脚输出信号频率相应改变，输出信号经IC8芯片将频率转化为电压，电压信号经IC9A同相比例放大输出VOUT4，从而实现将湿度转化为电信号。

直流电机控制电路：由直流电动机和4个瞬态抑制二极管组成。

电平转换电路：SN74LVC4245芯片是8位数据总线转换器，含有两个独立的供电电源（5 V、3.3 V），实现5 V与3.3 V之间的电平转换。在通信时，数据可以双向传送，其传送方向取决于DIR的输入电平，/OE是芯片的使能控制端。方向逻辑关系表见表1。

表1 方向逻辑关系表

3.2 可视化控制界面的设计及程序框图编写

本系统的可视化操作界面设计及程序框图编写采用的是由美国国家仪器公司开发的程序开发环境NI LabVIEW软件。区别于传统文本编程语言，LabVIEW采用的是图形化编辑语言G来编写程序，又称“G”语言。

3.2.1 可视化界面的设计

当前状态条显示窗户已打开或者窗户已关闭；湿度显示条显示当前空气中水分含量；温度显示条以数字形式显示当前温度；温度计显示条以游标形式显示温度，更为直观；两个布尔指示灯分别指示光照过亮、下雨两种情况，当光照不亮或者不下雨情况下，布尔指示灯常灭，当任意一种情况发生，对应的布尔灯点亮（绿色）；状态条显示窗户已关闭，并且声音播报窗户已关闭；布尔按键开关显示开窗，并且声音播报窗户已打开。在前面板进行用户操作界面的设计，见图4。

图4 程序前面板

3.2.2 程序框图编写及实现

程序框图是对DAQ设备采集的数据进行编译，再对编译后的数据进行处理，然后通过前面板界面控制、显示。

如图5所示：DAQ助手读取端口数据，通过索引数组索引出端口采集到的数据，对数据进行处理，通过前面板控制界面的布尔灯、条形温度计以及字符串显示控件实现数据的可视化。其中，索引数组索引不同端口的信号，通过条件结构的“真”分支和“假”分支输出不同状态下显示控件的值，将信号通过条件结构以及显示控件进行可视化处理。再用DAQ的端口输出和延时控件控制电机正反转，从而实现窗户的开启与关闭，并通过声音播放器子VI实现语音播报。

图5 程序框图

4 智能卧室控制系统的测试

系统硬件部分采用由亚龙公司生产的LY-292单元模块电路进行搭建测试，见图6。

图6 硬件电路

光照强度测试：用电筒照射光照传感器，可视化控制界面的光照过亮指示灯点亮，直流电机开始正转，当前状态显示：窗户已关闭，语音播报。测试通过。

雨滴测试：把水滴在回型金属片上，可视化界面的下雨指示灯亮，直流电机正转，当前状态显示：窗户已关闭，语音播报。测试通过。

温度测试：用手指握住温度传感器，可视化界面当前温度显示条显示当前温度，温度计显示温度。测试通过。

湿度测试：用棉签蘸水靠近湿度传感器，可视化界面当前湿度显示条显示当前湿度，当湿度值（水分值）达到设定的湿度80%时，直流电机正转，当前状态显示：窗户已关闭，语音播报。测试通过。

开窗测试：系统在运行状态下，点击开窗布尔按钮，直流电机反转，当前状态显示：窗户已打开，语音播报。测试通过。

5 智能卧室系统的设计与制作对中职学校电子电路课程教学的意义

电子电路课程是电子专业的专业基础课，也是非电子专业如计算机、物联网、机械等专业非常重要的技术基础课程，学好电子信息技术与应用这门课，在专业方向选择上可以向计算机、物联网等专业延伸，因此学好电子电路课程具有重要意义。

但目前电子电路课程在中职教学中面临瓶颈，主要原因有：（1）电子电路知识枯燥无味，学生不易接受，从而产生厌学情绪；（2）电子电路实训课程方式单一，跟不上现代工业的发展及电路设计要求，不利于提高学生的动手实践能力。

采用单元模块化电路搭建设计电路系统任务，通过不同模块的组合实现设计电路所需功能，让学生将实际电路抽象成电路模型，能分析出电路原理，有利于“任务驱动教学法”“以学生为中心教学法”“课堂反转教学法”“做中学教学法”等综合应用在电子电路课堂教学；采用LabVIEW软件进行可视化控制界面的设计及程序框图的编写，实现软件与硬件电路的通信，实现计算机读取硬件电路信息及控制硬件电路工作，丰富课堂内容，这也是全国职业院校技能竞赛“电子电路装调与应用”赛项增加的内容，反映了电子技术应用发展的趋势，体现了“以赛促教，教赛结合”的教学理念，丰富了电子技术的教学模式，让传统电子技术教学新颖起来。