北邮嵌入式系统大作业 家庭温湿度自动控制系统

北京邮电大学

嵌入式系统课程设计作业

设计报告

设计项目：基于嵌入式系统的家庭温湿度自动控制系统学院：电子工程学院

专业：电子信息科学与技术

组长：

组员：

2013年4月30日

一、设计方案综述

随着信息化技术的逐步发展、网络技术的日益完善，在不久的将来打造出一个智能化的家庭，为城市居民提供一个更加方便、快捷的生活是我们共同追求的目标，也是当下各行各业不断深入探索的重要领域。为了顺应这一发展步伐和广阔前景，我们构想出一款基于嵌入式系统的家庭温湿度自动控制系统。这一温湿度控制系统面向广大居民家庭，具有很高的实用价值，能够自动检测、控制室内温度和湿度，为居家生活带来很大的便利。本应用系统利用分布于居民家中各个采集点的温湿度传感器，采集温湿度信息，并将温度湿度信息通过无线网络传送到核心部分。核心部分对数据进行整合，分析得到整体的温湿度分布情况，并根据相应的算法，得到调节温湿度的最优方法，再控制中央空调、加湿器等相关设备工作。同时核心系统可以将房间数据信息同步到网络，居民可以通过手机远程访问网络数据，并且设定相应的指标要求，从而实现动态地、智能化地控制温湿度，同时达到节约能源的目的。

二、硬件架构设想

这一款温湿度自动控制系统的硬件由其核心处理器部分，显示屏幕，按键和温湿度传感器构成。其中其核心可以与显示屏、按键封装在一起组成一个整体架构，安置在客厅墙壁，便于家人去设定与读数；而温湿度传感器可以在各个卧室、厨房、客厅分别安置一处，它们与控制核心部分可以进行通信，从而互相协作达到控制室内环境的效果。

1.核心部分

这一温湿度采集系统核心部分是整个系统的大脑，负责采集、处理数据，并且发送相应的指令，控制屏幕显示。我们可以选择三星公司的S3C2440A嵌入式处理器作为系统的核心，这一ARM9系列处理器为手持设备和普通应用提供了低功耗和高性能的小型芯片微控制器的解决方案。S3C2440A是基于ARM920T核心，0.13μm的CMOS标准宏单元和存储器单元。它具有低功耗，简单，精致且全静态设计，特别适合与对成本和功率敏感性的应用。正因为它的这些优点，所以选用于传感器的核心再合适不过了。

图1 三星S3C2440A开发板

2.显示屏幕

显示屏幕是系统与用户的直接交互平台，用于显示当前室内温度湿度、设定温度湿度、各个采集点工作状态等，为此我们可以选用TFT液晶显示器。液晶显示器具有刷新速度快、色彩逼真、亮度鲜明等优点。此外，它还具有无闪烁、无辐射、无静电等“绿色电脑”所必需的特点。这种显示屏已经在市场上有着广泛的应用，如果放在家庭

温度湿度采集使用，也是十分合适的选择。显示屏幕的界面风格构想如下图所示。

图2 显示屏幕的构想图

3.输入模块

本温湿度采集系统输入方式较为简单，没有大量的信息需要人为交互，因此只需在显示屏幕下方设置几个按键即可。各个按键分别完成前后移动、确定、上下调节的简单功能，就能完成预定温湿度的设定，从而达到人机交互的目的。

4.无线网络传感器的温湿度采集部分

温室度的采集对于这一系统来说，就好比昆虫的触角，所以，传感器的选用必须符合精确、稳定、抗干扰能力强等特点。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具

有极高的可靠性和卓越的长期稳定性，因此可以考虑将它用于我们的家庭温湿度检测系统。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC 测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，使其成为给类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。产品为4针单排引脚封装，连接方便。

图3 温湿度采集传感器

三、软件架构设想

1.系统内部数据传输

如前所述，分布于家庭各个采集点的温湿度传感器采集温湿度信息之后，需要通过无线网络传送回系统核心部分。无线数据传输可以采用ZigBee网络协议。ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层

和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。

ZigBee网络主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。中国物联网校企联盟认为：ZigBee作为一种短距离无线通信技术，由于其网络可以便捷的为用户提供无线数据传输功能，因此在物联网领域具有非常强的可应用性。基于它的以上特点，将其引用到家庭小范围局域网构架中是一个很合适的选择。

图4 ZigBee网关设备

2.无线网络模块

为了让未来的温湿度检测系统能够提供更加便捷的服务，我们可以考虑让系统控制中心与个人移动设备（如手机、pad等）进行数据交互，从而让我们在手机终端就可以得知家中信息，并且可以进行更改。这样做的一个好处是在我们到家之前一定时间可以通过手机设定室内温度湿度，当我们到家时室内条件已经达到了我们的预期指标了。为了实现这一系统与移动设备的信息交互，我们需要让系统控制中心

的信息可以进行网络访问，通过Wi-Fi协议可以将控制中心的信息共享到网络，从而可以通过手机对它进行访问。

图5 手机界面构想

3.自动控制

我们设想温湿度检测系统能够与空调、加湿器进行通信，当人为设定的温度和湿度要求高于室内当前状况的时候，控制中心可以直接发送指令要求空调、加湿器开启，而不需要人为进行开关电器的工作；当设备运转使得室内条件达到所需要求时，控制中心便可以发送指令要求电器的关闭或者休眠。由于温度和湿度的变化是一个缓慢的过程，所以可以设定在关闭之后的十分钟之内是不允许再次打开的，从而可以达到合理控制室内环境同时又节约能源的目的。为了更有效的控制，需要给给出一个最高效的算法，从而可以充分体现自动化、智能化的

优势，代替人为的控制。

四、小组分工

1.方案构想：

2.收集材料、查阅文献：

3.硬件结构设计：

4.软件结构设计：

5.汇总撰写报告：

6.PPT制作、展示：