SCI论文（www.lunwensci.com）
摘 要：近年来,物联网技术发展迅速,为人们生活提供便利,将物联网技术用于智能家居控制受到社会的重视。本文将 结合 FPGA 技术相关概念,设计基于 FPGA 的物联网智能家居控制系统,实时监测家中环境信息, 针对危急情况发出警报,用 户使用手机等智能设备登录控制系统查看信息,远程调整智能家居的运行方式,为用户提供更高质量的服务。
关键词：FPGA,物联网,智能家居
On the Smart Home Control Design of the Internet of Things Based on FPGA
WANG Rou
(Zhengzhou University of Industry Technology, Zhengzhou Henan 450000)
【Abstract】： In recent years, the Internet of Things technology has developed rapidly, providing convenience for people's life, and the application of the this technology to the smart home control has been valued by the society. This paper will design based on FPGA Internet smart home control system by combining the FPGA technology related concepts, real-time monitoring of environment information in the home, alert for critical situation, users use mobile smart devices such as login control system to view information, remote adjust the operation mode of smart home, to provide users with higher quality of service.
【Key words】： FPGA;Internet of Things;smart home
引言：智能家居在我国发展时间短, 发展速度快,但目前 大多数公司开发智能家居控制系统所使用的技术未公 开,导致系统使用存在局限性,阻碍智能家居的发展。 因此相关人员应重视基于 FPGA 的物联网智能家居控制 系统设计,结合智能家居的控制需要,体现 FPGA 技术 的优势,降低智能家居控制系统中添加设备的难度,优 化用户的使用体验。
1 FPGA 相关概念
1.1 工作原理
FPGA 全称现场可编程门阵列,专用集成电路领域 一种半定制电路,相较于传统可编程器件门电路,该电 路灵活性更强。FPGA 由可配置逻辑模块、输入输出模 块、内部连线三部分组成,运作时使用小型查找表实现 组合逻辑,当查找表与 D 触发器相连后,触发器驱动 逻辑电路,构成基本逻辑单元模块,模块间用金属线连 接。FPGA 物联网智能家居控制系统需灵敏感知电压变化时,应使用 LDO 稳压器,不仅能保持控制系统稳定 运行,还能减少电源供电产生的噪声。
1.2 FPGA 技术的特性
(1) FPGA 技术的基础为数字电路与 VHDL 语言, VHDL 语言语法规范可读性强,一般用于军工,大型智 能家居企业使用 Verilog 语言,学习难度较低。(2)开发 基于 FPGA 物联网智能家居控制系统的工具,环境开发工 具使用 Quartus 或 ISE,两者操作方式类似, FPGA 功能 仿真使用 Modelsim,熟练掌握相关知识后可使用综合 工具开发系统。(3)转变设计理念,学习 FPGA 固定的 模块开发方式,熟悉电路设计,提高开发系统的运行速 度。(4)重视算法的研究与学习,提升编程能力 [1]。
2 基于 FPGA 物联网智能家居控制系统设计
2.1 硬件设计
2.1.1 FPGA 开发板
FPGA 开发板是基于 FPGA 物联网智能家居控制系 统的核心部件,影响系统的设计质量与运行效果,合适的控制器能提升系统的功能扩展性,简化用户使用系统 的难度,该开发板由电源、时钟、复位、配置与外设电 路组成。电源电路为 FPGA 开发板的供电系统,需使用 供电能力稳定的电源,可为系统开发创造基础环境,确 保开发控制系统长期保持良好的运行状态。重视电压的 控制, FPGA 开发板电压分为基本电压、参考电压与辅 助电压,其中基本电压为电源输出电压,用于维持开发 板运行。时钟电路也是 FPGA 开发板的重要组成部分, 产生时钟脉冲同时传输信号, FPGA 开发板信号的传输 与时钟信号密不可分,时钟信号一般由晶振产生,结构 复杂的大型 FPGA 开发板中存在时钟管理模块。为保证 FPGA 开发板快速进入运行状态,需使用复位信号,当 电平电位为 1 时 FPGA 开发板处于复位状态,电位为 1 时 进入正常工作状态。结合智能家居控制系统设计需要, 选 择 Ailera 公司开发的 de2-70 平台作为 FPGA 开发板, 该开发板性能更强,可提升控制系统运行的稳定性。
2.1.2 无线传感器
基于 FPGA 物联网智能家居控制系统硬件设计, 无线传感器的设计需引起设计人员的重视,也是实现 系统通信功能的关键设备,决定系统中数据与信号的 传输速率。根据系统的通信需要,选择型号为 USR- WiFi232-602 的串口服务器构建该系统的通信系统网 络,这种服务器使用方式简单,对使用者的技术水平无 要求,无需学习通信原理即可轻松使用通信网络获取数 据与信息,更符合基于 FPGA 物联网智能家居控制系 统设计目标。使用该通信网络仅需在内置页面设置一次 运行方式,通信不受距离的限制,实现数据的远程通 信,更符合智能家居控制系统使用者的使用需求。与此 同时,该型号传感器功能强大,使用时应充分发掘通信 设备的优势,扩展 FPGA 物联网智能家居控制系统的 功能,设置多种低功耗模式,提升控制系统的智能化程 度。该通信系统中发送与接收字节以 Bit 为单位,虽然 传输速度略低于并行通信,但传输方式简单,更适合远 程通信,用户使用该通信网络可远程操控智能家居,按 照用户的使用需要,降低智能家居运行的能耗。
2.1.3 ZigBee 中心节点
ZigBee 中心节点是智能家居控制试验箱的配套产 品,内嵌标准通信协议,科学的 ZigBee 中心节点设计可 提升通信网络的信号传输速率,省去布线的步骤,依据 控制系统设计目标选择性能达到标准的 ZigBee 产品。首 先,检测 ZigBee 产品的性能,判断其性能是否满足智 能家居控制系统的设计目标,计算使用不同类型 ZigBee 中心节点需花费的成本,确保控制系统硬件性能达标,可支持基于 FPGA 物联网智能家居控制系统稳定运行。 其次,根据分析结果,该系统使用基于 UART 接口的 ZigBee 无线串口, 该串口可工作于 2400 ~ 2450Hz 频 段,工作电压范围为 2.8 ~ 3.5V,数据传输速率最高达 到 3300Bps,且内置符合数据传输需要的网络通信协议。 最后,规范 ZigBee 无线串口的工作模式,点对点工作 模式中, ZigBee 无线串口仅有两个中心节点发挥通信 功能,串口运行状态下,发送数据时 ZigBee 无线串口 右侧红灯闪烁,接收数据时绿灯闪烁。该运作方式下, ZigBee 无线串口中数据的传输与接收存在误差,且同 一时间段内运行的中心节点越多,产生的误差越大,需 引起设计人员的注意 [2]。
2.2 软件设计
2.2.1 框架设计
软件系统是 FPGA 物联网智能家居控制系统的主要 组成部分,为保证软件系统功能齐全,工作人员需设计 软件系统的功能框架,保证软件设计工作顺利进行,建 成可供用户操控智能家居的控制系统,提高用户的智能 家居控制系统使用体验。(1)基于 FPGA 物联网智能家 居控制系统由手持设备、FPGA 与功能模块组成,各模 块之间通过无线网连接,实现数据传输与接收。(2)坚 持以人为本的原则,了解用户对家居生活的需求,明确 控制系统中应包含的功能模块,包括危险气体监测、灯 光控制、温度控制等,并增加摔倒检测功能,以便用户 通过手持设备了解家中情况。(3)按照基于 FPGA 物联 网智能家居控制系统的逻辑结构,明确各模块之间的关 系,绘制反映系统功能结构的框架图,该系统的框架图 如图 1 所示,并关注行业的发展趋势,不断调整控制系 统软件部分的框架,提升框架结构的合理性,拓展各控制模块的功能,保证软件系统设计工作顺利进行,使系 统框架满足于用户的使用需求。
2.2.2 功能设计
为强化基于 FPGA 物联网智能家居控制系统设计质 量,该控制系统中应包含如下功能：(1)报警功能,利 用气体监测传感器、温度传感器、摄像头等采集家居生 活环境信息,通过无线网传输至系统,系统对数据进行 分析与处理,判断是否存在危险,如存在危险向家中人 员与手持设备持有者发出警报,以便用户及时采取措施 消除危险。(2)灯光控制模块,该系统中使用 PWM 实 现调光功能,这种调光方式通过控制方波占比改变电 流,灯光亮度因此而发生变化,且该调光方法成本低。 (3)家电控制功能,用户通过该系统远程操控家电的运 行方式,系统接收指令后调整家电的运行参数,以免用 户外出后家电始终处于运行状态,造成能源浪费。(4) 温度监控功能,使用温度传感器采集环境温度信息,通 过无线网传输至系统,用户通过手持设备登录系统即可 查看温度信息,了解家中情况。(5)有害气体监测功 能,监测室内空气中有害气体的浓度,并将监测结果以 信号形式反馈至控制系统,监测结果超过安全标准向用 户发出警报。
通信即系统中数据传输的过程,软件系统的重要功 能,该功能由数据接收、数据发送与数据选择三部分组 成,各模块的运行方式如下所述。(1)数据发送,从数 据的最后一位开始发送,发送数据之前将发送端电平置 为 0.数据传输完成后发送停止位,数值为 1.完成数 据的发送。(2)数据的接收,由起始位置开始逐一接收 数据,接收完成后为相应数据项赋值,检验接收数值与 发送数值是否一致。(3)数据的波特率选择,检测通信 功能的实现情况,复位信号处于高电平状态时,对内部 计数器复位,信号为低电平则波特率发生器进入工作状态, 如产生稳定的 8 分频仿真模型,代表系统的内部计数器 处于稳定的工作状态,判断设计方案的实际可行性 [3]。
2.3 系统测试
按照设计方案实现系统后,需测试建成系统的性 能,在系统投入使用前,检验系统的性能是否达标,及时 发现设计系统中存在的问题,确保该系统具有应用价值。 (1)数据传输测试,数据传输是系统运行的基础,应引起 测试人员的重视, 该系统中数据传输测试分为 WiFi 数据 传输测试与 ZigBee 数据传输测试两部分。WiFi 数据传输 测试检验手机控制系统中检索设备的 IP 地址、端口号 是否与系统后台设备一致,当系统出现警报时,电脑与 手机可收到相同提示。ZigBee 数据传输测试可使用串 口调试助手,在助手中发送需传输的数据,检验接收端 口接收信息,如检验接收信息与发送信息相同,代表该 系统中 ZigBee 数据传输串口性能良好。(2)系统联合 测试,检验基于 FPGA 物联网智能控制系统的功能,根 据功能框架设计测试方案,确保测试覆盖系统的各个功 能,判断系统各功能模块的连接情况,验证该控制系统 可正常运行后才可实际使用。测试是系统设计与实践中 的关键步骤,能够检测出系统中存在的问题,以便设计 人员采取措施解决问题,提高控制系统的性能。
3 结语
综上所述, FPGA 技术在智能家居控制中具有较高 的应用价值,可使智能家居控制系统功能更加完善,提 升用户的使用体验。控制系统设计人员应关注 FPGA 技 术领域研究成果,分析智能家居控制系统的性能需要, 合理应用该技术搭建智能家居控制系统,降低智能家居 控制系统运行的功耗,扩展系统的功能,促进行业发展。
参考文献
[1] 孙宇舸,叶柠,匡涌 .基于物联网的智能家居控制系统设计与 实现[J].科技创新与应用,2022.12(34):110-113.
[2] 张子卿,张华 .基于物联网技术的智能家居语言输入形式自 主控制系统设计与实现[J].现代电子技术,2021.44(24):6-10.
[3] 沈一维,童伟,王东艳,等.基于物联网的智能家居控制系统设 计[J]. 电脑编程技巧与维护,2021(5):130-131.
关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！
文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/jisuanjilunwen/63726.html
