智能开关(硬件)设计毕业设计

2本科毕业设计(论文)题目：智能开关（硬件）设计院（系）光电工程学院专业光电信息工程班级姓名学号导师2015年6月毕业设计（论文）任务书1.毕业设计（论文）题目：智能开关系统（硬件）设计2.题目背景和意义：智能家居又称智能住宅，在国外常用SmartHome表示。智能家居可以定义为一个目标或者一个系统。智能家居一般是以住宅为基础平台，综合建筑装潢、网络通信、信息家电、设备自动化等技术，将系统、结构、服务、管理集成为一体的高效、安全、便利、环保的居住环境。随着近年我国科技快速发展，特别是住宅产业迅速发展起来，人们对居住环境智能化、舒适程度等要求会越来越高，智能家居在国内也引起越来越多的关注，这给智能家居的发展提供了很大的市场空间。本项目只是智能家居系统的一部分，主要包括针对电饭煲、饮水机、浴室加热器等在无人时若打开会浪费能源也不利于健康，关闭后在主人回家时又不方便，浪费时间及夜间主人对室内各个房间照明灯开关、照明亮度等控制的不方便。3.设计(论文)的主要内容（理工科含技术指标）：本课题基于51系列单片机作为主控制器。1、在设计时采用时钟模块、矩阵键盘、显示模块和控制模块四部分，实现对电饭煲、饮水机和浴室加热设备更智能的定时加热和居家照明灯的远程控制和亮度智能调控。2、进行硬件平台搭建并测试；3、配合软件设计进行联调。4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）：1）1.16-3.10查阅资料，完成开题报告。2）3.10-3.31确定方案，选择各个模块。3）4.1-4.30焊接电路板，结合软件细化功能，完善并协调好各个功能，3）5.1-5.30结合软件配合调试，进一步优化硬件的不足。4）6.1-6.20进行最后的完善，并完成毕业论文。5.毕业设计（论文）的工作量要求①实验（时数）*或实习（天数）：②图纸（幅面和张数）*：③其他要求：无指导教师签名：年月日学生签名：年月日系（教研室）主任审批：年月日附录附录附录A智能开关发射部分实物图附录B智能开关接收部分实物图附录C智能开关部分模块实物图矩阵键盘实物图nRF24L01无线通讯模块智能调节亮度部分指示灯继电器模块附录D智能开关发射部分原理图附录E智能开关发射部分接收图（大图见下页）附录F外文翻译以传感器融合为基础的中间件的智能化住宅L.Coyle,S.Neely,G.Stevenson,M.Sullivan,S.Dobson,P.NixonandG.Rey*爱尔兰都柏林大学计算机与信息学院系统研究小组(Tel:353-1-716-2485;Fax:353-1-269-7262;E-mail:lorcan.coyle@ucd.ie)摘要自动化系统在智能家居的应用中是非常必要的组成部分，由于现有的系统受到竞争和基于消息体系结构封闭标准的限制，使得在应用获取不同信息灵活性的可能性方面发展恶化。我们要描述的是一个在统一一系列的家庭和基于Web的自动化系统中，一个以计算机中间件为基础，并显示它如何用于提供丰富语意。1．前言虽然一些智能家居的自动化系统可以买到，但它们的使用竞争（通常关闭）标准和协议将阻碍创造这种“智能住宅”在大量异构设备方面的通信自由。这些系统通常还会应用简单广播或者星型通信结构，这将导致过度集中化，阻碍信息在某系统中的流动性，特别是被作为新的传感器添加到现有的安装。此外，在传感器和数据之间往往存在二分法的错误，如基于网络信息源、数字化存储在PDA或手机的信息等，这些不对称信息对应用开发者没有任何帮助。解决这种问题的一种常见方法是使用中间件，传统的解决方案如CORBA或JINI，通常被认为是非常有影响的智能环境，但在设备的处理和通信能力受到功耗和成本方面的考虑限制。然而，中间件的替代形式在集成家庭自动化解决方案中仍然具有很大的吸引力。我们相信能够用抽象的方式详细的拓扑，拟订协议，数据格式和传感器控制，执行器的控制及其他设备的控制并转而专注于不同信息来源的融合对开发者至关重要，这提供了极大的结构灵活性和有能力提升噪声响应和应对多传感器环境下遇到的不确定的信息。在本文中，我们介绍一个以传感器融合为基础的中间件的智能化住宅。该系统功能能够处理所有的设备，不管是传感器还是执行器都允许被任意的家庭自动化设备控制。所有的数据都给出了一致的表示法，它们的抽象层次是通过混合智能系统的数据融合技术实现的。这有助于开发人员为智能家居构建应用程序，为开发者提供的信息更接近他们所需求独立的传感器的原始数据，更深的构造可以实现从其他来源选择统一的收集数据，如网页。这为开发人员提供了一个丰富的驱动自动化的信息体，该系统完全是分散的，从单个信息源分离，允许灵活和强大的使用不断变化的装置。为了展示构造智能家居的功效和辅助生活的领域，我们描述了一个正在开发中的智能家居供暖系统，构建和收集来自不同的虚拟和物理的传感器的输入，融合成一个分布式数据存储应用定义化的Web技术。应用程序直接查询这些数据，而不是保持与传感器的点对点的连接。消费者数据和生产者分离，为应用程序开发人员提供了单一的工作数据格式，而不是要求他们掌握大量的专有格式，这使我们能够将推论的能力应用在这个构建中，将不会有可能在一个系统中有分散的数据表示。本文的其余部分安排如下：第2节讨论了现有的中间件解决方案和家庭自动化标准。第3节描述的构造结构，并展示它如何在家庭自动化系统中提供一个语义化的集线器。第4节展示了构建智能家居的应用程序通过一个案例研究在控制家庭环境使用各种传感器基于完全不同的技术。我们表明，该系统为开发人员提供了一个集成和均匀的信息视图，更多基于消息的系统是不可能的。第5节总结与中间件的一些意见供智能家居和对未来工作的一些可能的方向。2．家庭自动化在参与构建多供应商的分布式系统中，其复杂性会很快因没有定制的基础设施变得难以处理。标准的做法是建立抽象层，中间件在这些情况下，可以概括地定义为应用程序和系统软件之间的层。中间件系统支持开发人员更多的利用自动化集成各种各样的产品和平台同时保持耐用性和可靠性方面的整体解决方案的完整性。中间件的一般分布是系统中已经演变成各种不同的类别。基于对象的系统如JavaEJB和CORBA，它提供一个建立在耦合上的平台系统，完整的登记对象，发现新的服务，交换处理，传递安全和便利的对象消息。面向消息的中间件利用小消息完成客户机-服务器的通信交换。更新的，点对点（P2P）系统，如在机械工程和计算机科学技术领域已变成一个重点研究热点。由于它不需要基础设施的支持，使得P2P系统有可能支持无线（或者其它）点对点网络，在一个更复杂的资源位置更好的分发负载和节点数量上服务成本，但并不保证特殊服务或者仍然保持其可用，然而，除去一个在P2P系统中央点的错误结果，系统具有良好的兼容性可被利用。建筑及自动化行业有许多标准系统在智能空间部署使用。埃施朗公司的LonWorks平台就是这样的一个例子，LonWorks的宗旨在解决安装问题和性能、可靠性和维护控制的应用。它是建立在一个带宽通信协议的LonTalk上，促进了双绞线，电力线，光纤和无线电设备的网联。LonWorks技术有一个关联IP隧道标准（EIA-852），可连接的设备部署在基于LonWorks的网络向IP的应用程序和远程网络管理工具。这是基于互联网的应用和服务迈向全面开放的控制系统的重要一步，但需要精心的设计、安装和管理。BACnet[4]是一个数据的另一实例，旨在支持通讯协议楼宇自动化和发展可控制的网络。BACnet在试图为代表设备和它们之间的交互与控制应用程序创建一个成熟的标准模型。最新的OBIX（开放式建筑信息Xchange公司）标准[8]已经出现:OBIX是一项旨在创建标准的XML和Web服务来促进智能建和应用程序之间的信息交换。该技术委员会正在努力定义一个标准的Web服务协议进行机械和电器系统在商业楼宇内的信息交流。尽管有了这些努力，坚持不同的（或者实际上没有）的标准，有越来越多的传感器系统和模块变得可用，但必须对许多应用提供必要的信息。一些传感器厂商都集中在可使用wifi或者蓝牙进行通信的IP平台。其他系统提供专有的平台，往往以研究为基础接口：Smart-ITs[2],Wavenis[1]和i-Bean[11]提供分散式网络的简单的数据流。该技术的格局可概括为如下，中间件系统假定组件节点有显著处理和通讯能力-这种假设通常在普通计算机系统中不被遵守，特别是在系统用于现有的建筑，例如在家中就很普遍。传感器系统通常只有简单的控制数据接口，并且不为复杂应用程序提供具有吸引力的编程平台。这就使得在某种程度上不需要定制重要的应用程序去建立分权应用和处理不可避免增加的设备的困难（或者故障）。此外，需要自身管理，自身描述，自身配置，自身优化和其他所谓的“自身”属性等向需要更多的面向自主和分散的方法的中间件的普适系统[9]。3．结构我们已经设计的结构平台作为一个干净整合动态嘈杂数据源，灵活的语义控制系统方式。结构为应用提供一个统一的视图信息，不管信息是怎样获得的，并且支持广泛的性能和传感器平台内之间的共享融合应用。结构具有完全分散式架构；设备智能空间中每个运行实例。每个实例管理由连接到该设备的传感器（物理逻辑）提供的本地数据-在这种基本型的传感器连接到更多的计算机的集线器，然后在他们之间交换信息的“局域星”拓扑结构。总的来说，设备在智能空间的数据中维持一个整体的模式。所有的数据使用的资源描述框架（RDF）[16]，提供了建模以标准化的上下文信息和属性的方式。结构存储和使用Jena框架操纵该数据[10]。数据进入结构来描述使用本体和构建提供查询服务，允许应用程序去询问，防止实体而不是数据。实例之间的数据交换通过结构的执行传播[15]，它提供了稳定的和良好的控制网络利用率。应用程序连接到一个正在运行的实例结构，并使其服务获得要求的信息。特定领域的知识组件可以请求来自多个源的汇总数据，以提供新的或精确的信息。所有的数据存储在系统的原数据，描述数据的寿命和安全限制。结构提供了一个核心组件（如图1所示），提供人口管理，数据管理，查询和数据传播等功能[13]。每个部署包含一个数据存储管理器负责维护当地的数据模型，并删除那些到期的旧数据。查询服务允许应用程序请求它们需要调整自己的行为的数据。在消息层选择节点共享数据，同时负责汇总信息选择的本地被传播的数据视图并且集成构建远程部署的组件。最后，网络层抽象化潜在的交流媒介。图1：构建架构图3.1映射传感器数据构建视图中的所有信息来源生成RDF三元传感器。这种一致性意味着以支持特定的中间件标准或传感器协议，开发人员必须从系统内部表示定义到RDF的映射。（这将更方便组成底层系统信息，并可以解释RDF和XML应用程序对底层系统信息的打开。）该OBIX标准提供了一种方法在XML中建模感官设备。我们使用一个简单的恒温器的例子从OBIX规范文档[8]，以展示XML信息如何从oBIX通过SLT转换为RDF格式。这一过程是在图2所示的oBIXXML片段模型恒温器的当前状态；它的温度；目标温度；以及控制所述炉中的制动器。一个XML变换被用于将XML转换成RDF。这些RDF值被插入到构建的数据存储。3.2虚拟传感器虽然家庭自动化系统在家庭检测信息专注于“向内”，一个普遍方法来辅助生活应该“向外”看，以在网络上和通过其他数字频道提供信息。在构建这些信息的来源是一个简单的附加传感器的优势，对XML和Web服务形成的共识使得格式接近（如果没有的话）RDF。图2从oBIX转换到RDF的图解表示我们相信，这种融合传统家庭自动化与开放存取网络信息对于智能家居应用中非常重要，授予应用程序开发人员可以访问的电视节目表里的天气预报，股票行情，超市价格等等。虽然这些数据的来源对传统智能家居应用比较有用，但它们针对居民的定制应用程序更具价值。人们可以很容易的设想着个场景，个人的医疗或其他要求从远程服务器安全下载，以及来自以家庭为基础的传感器获得的信息摘要上载于提供医疗遥测的方案。构建提供了这些统一的功能。3.3程序设计除了我们在网络传感器的工作，我们还发展了一批虚拟传感器。而不是使用物理或者网络数据，虚拟传感器构造的数据存储，使用RDF查询语言的兴趣（例如SPARQL或RDQL）来查询数据。当这样的数据是可用的，他是由传感器处理和所得到的值被添加到数据存储区。这种方法的一个可能用途是数据收集。例如，虚拟传感器可用于从天气预测的几个网络传感器计算平均温度。应用程序从以同样方式构造的虚拟传感器中查询数据。我们把虚拟传感器的发展进一步通过开发一个推理框架与构造的数据存储整合。这种框架能够为系统发现常规行为模式，并利用这些信息来确定基础动作的序列的上下文。一个说明性例子的上下文中，一个辅助生活的智能家居应用中如果在某个地方安装一个警报传感器用来确保体弱者用户夜间安全洗浴将成为可能。如果一个人在浴室花费过多的时间，将会触发报警。4.示例方案在本节中，我们开发一个简单的智能家居场景来演示更多的语义驱动的方法，简化了应用程序的集成方案。我们的目标是展示如何使用上下文融合和对称信息表示提供一个超过传统的基于传感器系统明显丰富的普遍应用。4.1方案考虑一个智能家居，使其有一个独立的供暖控制系统和个性化的报警系统。在冬季，尤其是如果房子是任何长时间空置的，需要采取措施确保温度不会低于冻结（或其他水管可能破裂）。通常，这将用恒温器控制中央加热来实现，然而，这家采用储热。储热器采用廉价的电力将存储在陶瓷砖里的热量释放（通常在夜间），在白天当电力它是昂贵的。它比典型的加热系统更经济，如果它在白天储存足够的热量可在每个夜晚加热房子。典型的解决方案是用户手动打开加热器在寒冷等的天气下和在温暖的天气。我们的建议是使用网络公布的天气数据来调节温控器存储和加热。我们使用网络传感器获取的气象预测，并利用这些预测来调整温控器，以反映预期的温度和存储适量的热量。这使恒温器自动调节。如果天气预测是不正确的，该恒温器将确保温度不低于冻结，在必要时加热。这当然会需要更昂贵的电力。这个解决方案足以确保房子的温度不降的太低。但是，如果主人希望离开房屋很长时间或者邀请的客人在他们离开时呢？我们已经开发了网络传感器，提取发布日历文件中的数据。通过关于房子的预期占用信息，并改变恒温器的温度从而我们提高了供热系统的效率。4.2解决方案的原理结构提供了一个解决传感器异质性，设备波动性，数据传输，并在智能环境应用集成的问题解决方案。建模环境在使用RDF标准下提供一个共同用的水平抽象的表示智能空间中生成的信息。这允许所有数据进行管理操纵，并且独立用来获取它的传播的技术。以这种方式，结构是能够处理异构传感器和设备的，是典型的智能环境。设备在智能空间中的布置可频繁改变，因为器件的开启和关闭受到用户位置变换的影响，以及新的数据的整合。通过使用建立开发协议（如Zerconf[3]）来检测运行实例的构造和分散的数据传播协议，构建具有稳定的变化。由于基础设施是完全分散的，一个部署的故障或移除对智能空间的影响微乎其微。允许构造在进化尺寸摆设，而不需要集中管理。新设备只需要检测构造加入了智能空间的运行实例。在上一节描述的智能家居应用中，一个新的温度计可以连接到网络，并在构造中发现协议以确保温度计的数据是可用的，无论应用程序是否使用温度数据。5.结论和正在进行的工作现有的家庭自动化系统表现出的应用程序和他们利用传感器网络之间的紧密耦合。因为它是需要同时跨距多个应用程序集成和共享感知数据的系统，这需要有一个明确的中间件支持。我们引入一个基于中间件的传感器融合的智能家居成为构建。构建对待智能环境中的所有部件如传感器或执行器和由这些组件的地图数据转换成统一的格式。这为我们提供了一个共同的抽象层次，简化了操作过程和数据查询。构建扩展传统模式的家庭自动化系统，重点在于家庭信息感知包括来之外部数字媒体信息感知。随着越来越多的信息被编辑成数字格式并可利用，额外的附加特性可以很容易的集成应用程序辅助生活。我们正在描述一个示例即如何构建融合遥感数据并且促进其消费的辅助生活场景。我们下一步是继续建立物理和虚拟传感器在智能家居环境中使用的存储库。我们正在补充这项工作发展的一个推理框架，执行的数据聚合和处理来自不同传感器相同数据类型可能出现的矛盾（例如位置传感器立即提供的数据显示一个人在两个不同地方）。我们还开发了一套方案是评估建构性能。结构目前正在开发，并且在2006年第四季度将软件作为开放源代码发布。多个传感器示范应用和本体描述上下文数据将是本发布的一部分，以及本文介绍的智能家居应用原型。致谢这项工作因“安全和可预见的普适计算”和“以用户为中心的平台评估上下文感知自适应服务”受到爱尔兰科学基金会的特别支持。参考文献[1]Coronissystems,wavenistechnology[2]TheSmart-Itsproject./.[3]Zeroconf./.[4]S.BushbyandH.Newman.TheBACnetcommunicationprotocolforbuildingautomationsystems.ASHRAEJournal,33(4):14–21,April1991.[5]A.K.Clear,S.Knox,J.Ye,L.Coyle,S.Dobson,andP.Nixon.Integratingmultiplecontextsandontologiesinapervasivecomputingframework.InContextsandOntologies:Theory,PracticeandApplications,RivaDelGarda,[6]L.Coyle,S.Neely,P.Nixon,andA.Quigley.Sensoraggregationandintegrationinhealthcarelocationbasedservices.In1stWorkshoponLocationBasedServicesforHealthCare,November2006.ToAppear.[7]S.Dobson,L.Coyle,andP.Nixon.Hybridisingeventsandknowledgeasabasisforbuildingautonomicsystems.InJournalofTrustedandAutonomicComputing,Sept.2006.Toappear.[8]B.Frank.oBIXspecification.WorkingDraft0.8,December2005.[9]J.KephartandD.Chess.Thevisionofautonomiccomputing.IEEEComputer,36(1):41–52,January2003.[10]B.McBride.Jena:ImplementingtheRDFmodelandsyntaxspecification.InProceedingsofthe2ndInternationalWorkshopontheSemanticWeb,HongKong,May2001.[11]S.Rhee,D.Seetharam,S.Liu,N.Wang,andJ.Xiao.i-beans:Anultra-lowpowerwirelesssensornetwork.InInteractivePosterintheFifthInternationalConferenceonUbiquitousComputing(UBICOMP),2003.[12]A.RowstronandP.Druschel.Pastry:Scalable,DecentralizedObjectLocation,andRoutingforLarge-ScalePeer-to-PeerSystems.LectureNotesinComputerScience,2218:329–350,2001.[13]G.Stevenson,L.Coyle,S.Neely,S.Dobson,andP.Nixon.Construct—adecentralisedcontextnfrastructureforubiquitouscomputingenvironments.InIT&TAnnualConference,CorkInstituteofTechnology,[14]I.Stoica,R.Morris,D.Karger,F.Kaashoek,andH.Balakrishnan.Chord:AScalablePeer-To-PeerLookupServiceforInternetApplications.InProceedingsofthe2001ACMSIGCOMMConference,pages149–160,2001.[15]S.Voulgaris,M.Jelasity,andM.vanSteen.ARobustandScalablePeer-to-PeerGossipingProtocol.InTheSecondInternationalWorkshoponAgentsandPeer-to-PeerComputing(AP2PC),2003.[16]W3C.ResourceDescriptionFramework(RDF)./RDF/.基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的