智能家居設計論文

開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，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，希望這些內容能成為您創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.

關鍵詞：智能家居；FPGA；ZigBee；無線傳感器節點

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才得以進入國內，但發展速度驚人。隨著物聯網技術的不斷發展，根據人們需求而開發設計的智能家居系統擁有更加優越及復雜的配置，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網技術連接起來，實現環境控制、養魚養花、燒水煮飯、多媒體控制及安全報警等功能，并可以異地監控、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境。

由于智能家居系統還缺乏統一明確的國際標準，許多公司開發出的產品都是基于自己組網和信息交換協議，很多產品是針對特定的組網環境開發的，部分核心技術沒有對外公布，技術復雜，直接導致了使用范圍的局限性。再者，缺乏對應的第三方產品，各個接入設備之間不能兼容，互操作性差，不利于產品的擴充，因而進一步局限了產品的發展。再加上有的系統成本過高，嚴重影響了產品的普及。本文通過FPGA構建了一個嵌入式控制處理平臺，利用FPGA技術低功耗、定制性高、擴展性強、接口靈活等優點，實現了物聯網智能家居控制部分的設計，能夠滿足家居需要。

1 FPGA在物聯網智能家居中的應用

目前常見的智能家居系統大多基于ARM的嵌入式系統，這類系統并不能同時支持多種無線通信協議。通過整合多種無線通信控制方式，來實現基于FPGA的物聯網智能家居控制器，為智能家居的控制領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，可以使系統在同一時刻支持多種通信方式，從而使系統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的物聯網智能家居在設計實現的過程中，使用了Quartus II等集成開發環境，以及ModelSim專業仿真工具，利用Verilog HDL硬件描述語言，在Altera公司的DE2開發板上進行開發設計。

2 基于FPGA的物聯網智能家居設計

2.1 系統功能

基于FPGA的物聯網智能家居系統能夠最大限度地使家居更加智能化，其三大關鍵功能是通過網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進行控制，實現實時監測；兼容性一定要足夠強大。該系統特色功能具體如下：

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

2.2 系統架構

該系統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中心節點采集環境信息。FPGA相當于智能家居系統中的管理中心，其核心是采用Altera公司推出的32位高性能軟處理器nios2與每個子節點連接。管理中心通過串口可根據接收到的ZigBee中心節點數據進行處理，并通過家庭總線系統與其他節點設備進行關聯操作，實現家庭環境的監測與管理，從而為用戶提供安全、舒適的生活或工作環境。智能家居控制器系統結構圖如圖1所示。

2.3 硬件結構

2.3.1 FPGA部分

系統的核心控制部分由FPGA實現，其設計思路是：采用Altera公司DE2-70開發平臺來完成系統設計，從ZigBee網絡傳輸過來的數據經過串口后存儲到DE2-70開發板上的SDRAM中，在FPGA控制平臺上，由Altera的IP核構成Nios II軟核，并植入FPGA芯片中，然后通過軟件編寫來實現FPGA控制平臺的功能，然后系統從SDRAM中讀取數據后將溫度、濕度等信息顯示在LCD液晶屏上。FPGA系統的Nios II軟核結構如圖2所示。

2.3.2 無線傳感器節點

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標準的射頻收發器，該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于ZigBee產品的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，都是可以實現的，從而達到系統更加智能化的目的。無線傳感器模塊如圖3所示。

2.3.3 ZigBee中心節點

ZigBee中心節點使用大唐移動公司研制的智能家居控制試驗箱配套產品，模塊內嵌工作頻率2.4GHz基于IEEE802.15.4標準的ZigBee通信協議，支持最新的RS232串行模式，在此標準通信協議下，經測試，ZigBee中心節點每次接力通信都能在75m范圍內提供250kbps的速率，能在網狀或多次跳接無線網絡內支持串行數據路由，速率最高可達38.4kbps，能夠達到目前國內產品的最好性能，完整體現了最新ZigBee網絡層的強大功能。

3 結論

本系統通過FPGA構建了一個嵌入式控制處理平臺， 利用FPGA技術低功耗、定制性高、擴展性強、接口靈活等優點，實現了物聯網智能家居控制部分的設計。最終通過Altera公司的DE2開發板驗證，本控制系統在板載50MHz的時鐘頻率下穩定運行，實驗結果達到了預期目標。該系統中的部分模塊已在我學院SMT實訓基地自主開發研制并生產。另外以該系統項目為例，通過翻轉課堂教學模式激發了學生的實踐操作能力、創新能力，對在研課題具有較好的理論價值和實際意義。

參考文獻：

[1]韓德強.嵌入式家庭控制器系統的設計與實現[J].電子技術應用，2008（3）：23-25.

[2]文璧，張潔，徐謙.基于無線射頻與FPGA技術的數據采集系統[J].中國測試，2009.