智能家居設計論文

開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇智能家居設計論文，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。

第1篇

Abstract： With the continuous development of the technology of the Internet of things， people's expectations and definition of the family no longer stick to the traditional way of life. The smart home has become a hot research in the field of information technology in recent years. In this paper， the smart home design of Internet of things is based on FPGA technology. It can collect the information of temperature， humidity and light intensity in real time， implement the environmental control system， intelligent fish raising system， intelligent food and beverage systems， multimedia control system， security alarm system and other functions， and provide new physical network smart home life experience for the users.

關(guān)鍵詞：智能家居；FPGA；ZigBee；無線傳感器節(jié)點

Key words： smart home；FPGA；ZigBee；wireless sensor node

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）18-0068-02

0 引言

智能家居系統(tǒng)的概念起源于上世紀70年代的美國，隨后，傳播到歐洲、日本等國并且得到了很好的發(fā)展。在我國，智能家居這一概念推廣較晚，約在90年代末家居智能化系統(tǒng)才得以進入國內(nèi)，但發(fā)展速度驚人。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，根據(jù)人們需求而開發(fā)設計的智能家居系統(tǒng)擁有更加優(yōu)越及復雜的配置，可以將家庭中各種通信設備、家用電器以及家庭保安裝置通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接起來，實現(xiàn)環(huán)境控制、養(yǎng)魚養(yǎng)花、燒水煮飯、多媒體控制及安全報警等功能，并可以異地監(jiān)控、管理、報警，為住戶提供安全舒適、高效便利的學習生活及工作環(huán)境。

由于智能家居系統(tǒng)還缺乏統(tǒng)一明確的國際標準，許多公司開發(fā)出的產(chǎn)品都是基于自己組網(wǎng)和信息交換協(xié)議，很多產(chǎn)品是針對特定的組網(wǎng)環(huán)境開發(fā)的，部分核心技術(shù)沒有對外公布，技術(shù)復雜，直接導致了使用范圍的局限性。再者，缺乏對應的第三方產(chǎn)品，各個接入設備之間不能兼容，互操作性差，不利于產(chǎn)品的擴充，因而進一步局限了產(chǎn)品的發(fā)展。再加上有的系統(tǒng)成本過高，嚴重影響了產(chǎn)品的普及。本文通過FPGA構(gòu)建了一個嵌入式控制處理平臺，利用FPGA技術(shù)低功耗、定制性高、擴展性強、接口靈活等優(yōu)點，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制部分的設計，能夠滿足家居需要。

1 FPGA在物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的應用

目前常見的智能家居系統(tǒng)大多基于ARM的嵌入式系統(tǒng)，這類系統(tǒng)并不能同時支持多種無線通信協(xié)議。通過整合多種無線通信控制方式，來實現(xiàn)基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制器，為智能家居的控制領(lǐng)域探索了一種新可行性的方法。利用FPGA芯片可自由定制以及接口靈活性的特點，設計智能家居控制器各個模塊，相比ARM單片機支持串口少的短板，可以使系統(tǒng)在同一時刻支持多種通信方式，從而使系統(tǒng)具有更高的適應性和可擴展性，能夠同時控制多達31個家用電器，基本滿足日常家居需要。基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)智能家居在設計實現(xiàn)的過程中，使用了Quartus II等集成開發(fā)環(huán)境，以及ModelSim專業(yè)仿真工具，利用Verilog HDL硬件描述語言，在Altera公司的DE2開發(fā)板上進行開發(fā)設計。

2 基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)智能家居設計

2.1 系統(tǒng)功能

基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)能夠最大限度地使家居更加智能化，其三大關(guān)鍵功能是通過網(wǎng)絡信息終端進行信息的獲取、處理以及，進行信息的及時反饋；對相應的單元以及一些機構(gòu)進行控制，實現(xiàn)實時監(jiān)測；兼容性一定要足夠強大。該系統(tǒng)特色功能具體如下：

①環(huán)境控制系統(tǒng)：對室內(nèi)溫度、濕度、亮度進行實時測量，通過人設模式控制空調(diào)、加濕器、窗簾、燈光等設備達到宜居的室內(nèi)環(huán)境；②智能養(yǎng)花系統(tǒng)：通過測量相關(guān)參數(shù)，提供澆水、施肥、遮蓋陽光等功能，可以遠程監(jiān)控養(yǎng)花，或者自動養(yǎng)花；③智能養(yǎng)魚系統(tǒng)：通過測量相關(guān)參數(shù)，提供補氧、喂食、控溫、換水等功能，可以遠程監(jiān)控養(yǎng)魚，或者自動養(yǎng)魚；④智能餐飲系統(tǒng)：通過控制燒水壺、微波爐、電飯鍋等設備電源及煤氣開關(guān)，完成燒水、蒸煮、烹飪等功能，可以遠程監(jiān)控完成或自動完成；⑤多媒體系統(tǒng)：通過開關(guān)控制，可以遠程操控電視、音響、電腦等設備；⑥完全報警系統(tǒng)：通過測量相關(guān)水電氣參數(shù)或者紅外感知參數(shù)，對室內(nèi)實時監(jiān)控，如有危險提示則報警。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)是以單個家庭為單位進行安裝，智能家居控制臺采用大唐移動公司研制的智能家居控制試驗箱，ZigBee中心節(jié)點采集環(huán)境信息。FPGA相當于智能家居系統(tǒng)中的管理中心，其核心是采用Altera公司推出的32位高性能軟處理器nios2與每個子節(jié)點連接。管理中心通過串口可根據(jù)接收到的ZigBee中心節(jié)點數(shù)據(jù)進行處理，并通過家庭總線系統(tǒng)與其他節(jié)點設備進行關(guān)聯(lián)操作，實現(xiàn)家庭環(huán)境的監(jiān)測與管理，從而為用戶提供安全、舒適的生活或工作環(huán)境。智能家居控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.3 硬件結(jié)構(gòu)

2.3.1 FPGA部分

系統(tǒng)的核心控制部分由FPGA實現(xiàn)，其設計思路是：采用Altera公司DE2-70開發(fā)平臺來完成系統(tǒng)設計，從ZigBee網(wǎng)絡傳輸過來的數(shù)據(jù)經(jīng)過串口后存儲到DE2-70開發(fā)板上的SDRAM中，在FPGA控制平臺上，由Altera的IP核構(gòu)成Nios II軟核，并植入FPGA芯片中，然后通過軟件編寫來實現(xiàn)FPGA控制平臺的功能，然后系統(tǒng)從SDRAM中讀取數(shù)據(jù)后將溫度、濕度等信息顯示在LCD液晶屏上。FPGA系統(tǒng)的Nios II軟核結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3.2 無線傳感器節(jié)點

無線傳感器模塊由ATMEGA128和CC2420組成，CC2420通過SPI總線連接到ATMEGA128。CC2420是Chipcon As公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4標準的射頻收發(fā)器，該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件。該模塊能夠在低電壓低頻率模式下開始工作，同時能夠進行低功耗操作，還能夠支持許多種不同的低功耗模式，例如睡眠模式以及深度睡眠模式等，都是可以實現(xiàn)的，從而達到系統(tǒng)更加智能化的目的。無線傳感器模塊如圖3所示。

2.3.3 ZigBee中心節(jié)點

ZigBee中心節(jié)點使用大唐移動公司研制的智能家居控制試驗箱配套產(chǎn)品，模塊內(nèi)嵌工作頻率2.4GHz基于IEEE802.15.4標準的ZigBee通信協(xié)議，支持最新的RS232串行模式，在此標準通信協(xié)議下，經(jīng)測試，ZigBee中心節(jié)點每次接力通信都能在75m范圍內(nèi)提供250kbps的速率，能在網(wǎng)狀或多次跳接無線網(wǎng)絡內(nèi)支持串行數(shù)據(jù)路由，速率最高可達38.4kbps，能夠達到目前國內(nèi)產(chǎn)品的最好性能，完整體現(xiàn)了最新ZigBee網(wǎng)絡層的強大功能。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)通過FPGA構(gòu)建了一個嵌入式控制處理平臺， 利用FPGA技術(shù)低功耗、定制性高、擴展性強、接口靈活等優(yōu)點，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制部分的設計。最終通過Altera公司的DE2開發(fā)板驗證，本控制系統(tǒng)在板載50MHz的時鐘頻率下穩(wěn)定運行，實驗結(jié)果達到了預期目標。該系統(tǒng)中的部分模塊已在我學院SMT實訓基地自主開發(fā)研制并生產(chǎn)。另外以該系統(tǒng)項目為例，通過翻轉(zhuǎn)課堂教學模式激發(fā)了學生的實踐操作能力、創(chuàng)新能力，對在研課題具有較好的理論價值和實際意義。

參考文獻：

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[2]文璧，張潔，徐謙.基于無線射頻與FPGA技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].中國測試，2009.