1、 东北农业大学学士学位论文 学号： A02110021 基于 FPGA 智能窗控制系统 学生姓名： 李婷婷 指导教师： 崔天时 所在院系： 电气与信息 学院 所学专业： 电子信息工程 研究方向： 智能检测与控制 东 北 农 业 大 学 中国 哈尔滨 2015 年 5 月 Northeast Agricultural University Bachelors Degree Thesis Student ID： A02110021 Base on FPGA Intelligent Window Name： Li Tingting Tutor： Cui Tianshi College： Colleg
2、e of Electronic and Information Major： Electronic Information Engineering Direction： Intelligent Detection and Control Northeast Agricultural University Harbin China May 2015基于 FPGA 智能窗控制系统 -I- 摘 要 随着电子技术、自动控制技术、应用感测技术的飞速发展以及人民生活水平的日益提高，智能家居这个概念逐渐深入人心，随着人们对居住环境质量的关注度的提升，能够改善居室环境的智能产品也越来越受到广大消费群体的青睐。
3、基于目前的智能家居的发展态势以市场需求，本文以市场需求为导向设计了一种新型的、经济的智能窗控制系统。 根据 FPGA 智能窗控制系统需要达到的总体需求，通过调节硬件部分、软件部分以及机械部分，将智能窗控制系统划分为以下功能模块： 温度检测模 块、 CO2 气体检测模块，以及 Quartus II 开发软件和 GSM 通信等模块。从而实现智能窗的温度监控，气体监控以及智能窗的远程控制功能。 本设计总体方案采用 FPGA Cyc lone IV 系列的 EP4CE6F17C8N 作为核心控制芯片，由 L298N 作为电机驱动的两相四线步进电机拖动窗体完成开关动作，通过 DS18B20 温度传感器、
4、 GE6603 CO2 气体传感器进行相关环境参数的采集，由 GSM 通信模块 TC35i实现远程控制的功能。从而以相对稳定的性能实现智能窗户的基本功能，为人们营造出一个更加舒适便捷的智能生活 环境。 关键词： FPGA；智能窗；传感器； GSM 通信模块 基于 FPGA 智能窗控制系统 - II - Base on FPGA Intelligent Window Abstract With the rapid development of electronic technology, automatic control technology, the applic ation of sens
5、ing technology and increasing peoples living standards, the smart home concept has been widely accepted, w ith the enhancement of peoples quality of living environment of concern, it is possible to improve the indoor environment Smart products are increasingly popular majority of consumer groups. Ba
6、sed on the current development tr end of smart home market demand, the paper market demand-oriented design of a new, economic al smart window control system. According FPGA smart window control system needs to reach the overall demand, by adjusting the hardware components, software components and me
7、chanical parts, the smart window control system is divided into the follow ing modules: temperature detection module, CO2 gas detection module, and Quartus II development software and GSM communication modules. In order to achieve smart w indow temp erature monitoring, gas monitoring and remote cont
8、rol of smart windows. The overall program design using FPGA Cyclone IV family EP4CE6F17C8N as the core control chip, the L298N as a motor-driven two-phase four-wire stepper motor drive form completion switch moves through DS18B20 temperature sensor, GE6603 CO2 gas sensor related environmental parame
9、ters The acquisition, by the communication module TC35i GSM remote control functions. Thus a relatively stable performance to achieve the basic functions of smart w indows for people to create a more comfortable and convenient living environment intelligent. Keywords: The Intelligent Window; The Sen
10、sor; The GSM Communication Module 基于 FPGA 智能窗控制系统 -II- 目 录 摘 要 . I Abstract . II 1 前言 .1 1.1 研究背景 .1 1.2 国内外研究现状 .1 1.3 本设计的主要 内容 .2 2 研 究方案 .3 2.1 研究目标 .3 2.2 研究内容 .3 2.3 研究方法及技术问题 .3 2.4 设计中所需解决的关键问题 .5 2.5 实验方案 .5 3 硬件设计 .7 3.1 FPGA 的介绍 .7 3.2 温度检测 模块 .8 3.2.1 温度传感器的选择 .8 3.2.2 温度检测模块电路 .9 3.2.2.
11、1 DS18B20 的工作状态 .9 3.2.2.2 DS18B20 有两种供电接法 . 10 3.3 CO2 气体检测模块 . 10 3.3.1 CO2 气体传感器 . 10 3.3.2 CO2 气体传感器工作原理 . 12 3.3.3 CO2 气体传感器外围接口电路 . 12 3.4 GSM 通信模块 . 13 3.4.1 GSM 的介绍 . 13 3.4.2 TC35i 的介绍 . 13 3.4.3 TC35i 硬件原理图（见附录） . 15 3.5 显示器模块 . 15 3.6 电机设备 . 16 3.7 窗户机械模型模块 . 17 3.7.1 自动开关窗任务分析 . 17 3.7.2
12、 齿轮齿 条参数选择 . 18 3.7.3 自动开关窗机械模型 . 18 4 软件设计 . 19 4.1 FPGA 的开发环境与工具 . 19 基于 FPGA 智能窗控制系统 -III- 4.1.1 Quartus II 开发软件 . 19 4.1.2 硬 件描 述语言（ HDL） . 21 4.2 控制器 对 DS18B20 操作 . 22 4.3 实现电机动作 . 24 4.4 实现中文短信发送 . 26 4.4.1 无线通信模块初始化 . 26 4.4.2 无线通信模块发送短信息 . 27 4.4.3 无线通信模块接收短信息 . 28 5 应用与推广 . 29 5.1 智能窗的基本应用
13、. 29 5.2 智能窗的推广及演变 . 29 6 结论 . 31 参考文献 . 32 致 谢 . 34 附 录 . 35 基于 FPGA 智能窗控制系统 1 1 前言 1.1 研究背景 随着科学技术的飞跃发展生活水平的不断提高人们对安全、舒适、健康的生活需求变得日益迫切。近年来智能家居概念已经逐渐深入到国民的生活之中且不断地影响着人们 的思维。因此众多有条件的小区、别墅用户已经开始安装使用智能家居系统并尝试智能化为家居生活带来的安全、舒适和便利。智能家居系统在经历了早期混乱的概念纷争之后月前已经逐渐进入理性时代。针对目前的发展态势本设计以市场需求为导向设计了一种新型的、经济的智能窗控制系统。
14、 智能窗控制系统的研究及应用一直是最近几年的热点，而随着对安全性能及舒适度系数的提高，智能窗控制系统也已经逐步取代人们对于普通窗户的传统需求观念。温度监控和气体监控和 GSM 通信模块等则是基于 FPGA 智能窗控制系统中非常重要的几个组成部分，即以人为舒适程 度为目标的事实监控场合中所必须考虑到的关键问题。目前该领域产品由于成本、技术等方面的原因尚未普及，因此具有广阔的发展空间。我们本着“绿色环保”的设计理念设计了一款智能窗以解决普通窗户存在的种种弊病。本项目既符合了时代的潮流，同时也兼具现实意义。 1.2 国内外研究现状 随着智能家居的概念已经逐渐深入到国民的生活之中且不断地影响着人们的思
15、维。因此众多有条件的小区、别墅用户已经开始安装使用智能家居系统并尝试智能化为家居生活带来的安全、舒适和便利。智能家居系统在经历了早期混乱的概念纷争之后月前已经逐渐进入理性时代 。 然而在 智能 家居 发展过程中，除了 需要 各种新型设备的应用 之外 ，数据收集、传输、处理、储存与发送技术的发展和应用起到了关键作用。新型的监测器，为人们提供了大量的 实时 的数据 信息 ，新型的通讯技术， 也 使人们能 更加 迅速地传递这些数据 ， 而新型的计算机，则能高速 地 进行数据处理与存储。 智能 窗户 在发达国家已经得到了 初步 的应用 。新加坡、美国已有近四百万户家庭安装了这一类的“门窗智能化系统”。
16、 PARKS 公司的资料显示： 2010 年，美国一个家庭要安装家庭自动化设备的平均费用在 7000 至 9000 美元之间，美国家庭已使用先进家庭自动 化设备的比率为 0.53%，市场真正启动尚需时日。预计这五年内，家庭自动化的市场年平均增长率为 8%。与此同时国内关于此方面的研究也同样很多：例如使用 Luminary Micro(流明诺瑞 )公司生产的 Stellaris(群星 )系列微控制器 LM3S615，并以该芯片为核心搭建系统硬件平台开发出来的智能窗，可以实现自动智能防盗并能短信通知户主，监控煤气泄漏，自动防雨，自动防风，气体监控等智能遥控开关门窗。还有以使用 S3C2410芯片作
17、为核心处理器，在嵌入式 Linux 操作系统上，利用 LCD 触摸屏技术实现对主机的操作， 从而达到人机交互界面愈加人性化的也有基于单片机的智能窗户控制系统。 基于 FPGA 智能窗控制系统 2 基于智能建筑对智能窗的需求 ,结合 FPGA 控制技术和无线通信技术 ,对所设计的智能窗控制系统的工作原理、硬件结构、软件程序、功能特性进行了详细的阐述。并重点对根据不同自然环境条件如何控制窗的不同状态的实现方法和主控程序的设计进行了论述。最后指出所设计的智能窗能充分利用自然条件改善室内环境 ,满足建筑节能的要求，同时也由于 FPGA 具有高速的 CMOS 工艺，低功耗，开发周期短等特点，因此它所具有
18、的性能也是普通单片机所无法比拟的。 1.3 本设计的主要 内 容 本设计的主要研究内容是基于 FPGA 智能窗控制系统。研究对象主要是以 FPGA 为核心，通过将硬件部分，软件部分和机械部分相结合从而实现智能窗自我控制及远程调节控制为主要内容。本设计的主要功能是实现温度调节，气体调节以及 GSM 通信模块远程通知等功能。最后达到符合市场需求，满足人们对于品质生活的无限追求的目的。同时本设计也在线路布局以及器件安排方面进行了合理安排，充分考虑器件的性能特点，从而达到最佳设计优化，实现智能家居的绿色理念。 基于 FPGA 智能窗控制系统 3 2 研 究方案 2.1 研究目标 本设计旨在提出一种基于
19、 Verilog HDL 语言描述， FPGA 实现的智能窗控制系统。主要通过调节硬件部分、软件部分以及机械部分，从而使人们能够时刻处于最适宜人类的舒适条件下生活。 通过相应的传感器智能检测，即当室外下雨即温度降低时，智能窗将自动关闭；而当室外温温度达到人体最适温度值、室内湿度上升或 CO2 含量过高时智能窗将自动打开，并可通过利用移动终端（如：手机）的 GSM 移动网络的短消息服务的功能，从而得以实现对家居内的智能呼吸窗系统的远距离遥控监管，并得以获取当前家居智能窗的开闭状态。从而实现智能监管的目的。 2.2 研究内容 该系统设计主要可 分为硬件部分、软件部分以及机械部分。硬件部分由传感器，
20、电机以及辅助电路组成。软件部分通过 Verilog HDL 语言进行编程。机械部分可根据实际需求来进行设计。该系统基于机电一体化的设计初衷，综合运用了传感器技术、软件编程技术 ,电路设计技术智能控制技术等实现目标功能。 本系统设计能够依据室内外的气体状况和外界的天气情况来实时进行控制窗户的开启和关闭状态，具体有以下几个控制要 ： （ 1） 当外界气温上升或下降时温度传感器检测到这一下温度变化信号 (相当于触发开关 )并将信号传送给 FPGA 芯片来控制电机及时开关窗户并报警。防 止温度升高或降低对于人们生活质量的影响此后每过 5 分钟重新检测如果温度重新达到预设值则窗户自动打开 ； （ 2）
21、当室内 CO2 超过一定的标准时窗户自动打开并启动排气扇进行排气且此优先级最高同时报警器也会响起来提醒主人危险的存在及及时调节空气新鲜度 ; （ 3） 当存在多种情况同时发生时，智能窗控制系统将依据 CO2 温度 湿度的优先级原则选择最优响应； （ 4） 可由 用户 自行 选择 手动 模式 、定时模式和智能模式， 当有多种情况发生冲突时，能够 依据手动 定时 智能的优先原则顺序， 做出相应的响应动作 ； （ 5） 当用户外出时，可通过 GSM 移动网络作为信息平台， 实现远距离智能控制来获取室内最适宜状态。 2.3 研究方法及技术问题 本课题拟采用实证研究法，依据相关传感器检测技术、 FPGA
22、 控制理论和居室环境的需要，提设计方案，通过有目的有步骤的操纵，根据观察、记录、测定于此相伴随的基于 FPGA 智能窗控制系统 4 现象的变化来确定条件与现象的因果关系。主要目的在于说明各种自变量与某一种因变量的关系。 本系统设计采用的设计方案如 图 2-1 所示。 制电路板软件设计硬件设计选择器件硬件测试调试成功综合调试软件测试项目结题确定方案NNNYYY图 2-1 技术路线流程图 首先进行资料收集并研究，根据资料分析研究 FPGA 芯片 各引脚与功能、 Proteus 电路仿真软件、 Verilog HDL 语言的学习，来达到整体布局，合理规划好各种传感器型号及其安放位置，然后再进行下一步的硬件设计部分安装，设计前端信息采集模块、执行功能模块、核心控制模块、 GSM 模块、显示模块之间的连接方式，进行调试，从而发现设计硬件中的不合理之处，进行改善。再根据最终确定的设计方案，来制作印刷电路板。然后再进行软件设计，再设计的同时也需考虑到各种不同参数之间的优先级顺序，合理
