基于Arduino的智能空调控制系统的设计与实现.pdf
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公开高蕊夫淫硕士学位论文基于Arduino的智能空调控制系统的设计与实现TheDesignandImplementationofaSmartAirconditionerControlSystemBasedonArdtfino论文作者塞旦拯南开大学研究生院二O一四年五月万方数据南开大学学位论文原创性声明本人郑重声明:
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论文题目申请密级口限制(2年)口秘密(lo年)口机密(20年)保密期限20年月日至20年月日审批表编号批准日期20年月日南开大学学位评定委员会办公室盖章(有效)注:
限制2年(可少于2年):
秘密10年(可少于10年):
机密20年(可少于20年)万方数据南开大学学位论文使用授权书根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法,我校的博士、硕士学位获得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。
本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。
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同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。
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20211320161:
8001indexhtm。
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本人同意遵守上述规定。
本授权书签署一式两份,由研究生院和图书馆留存。
作者暨授权人签字:
南开大学研究生学位论文作者信息年月日论文题目基于Arduino的智能空调控制系统的设计与实现姓名朱月振学号2120110347答辩日期2014年5月22日论文类别博士口学历硕士团硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口院系厮计算机与控制工程学院专业计算机系统结构联系电话18222707l81Emailttzychengmailcom通信地址(邮编):
南开大学西区公寓31402备注:
是否批准为非公开论文否注:
本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。
由作者填写(一式两份)签字后交校图书馆,非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。
万方数据摘要摘要智能空调控制系统一般包括一台空调设备与一台控制设备,两者使用有线或无线的方式进行互联通信。
控制设备向上通过网络与用户远程通信,负责接收用户控制请求以及向用户反馈消息;向下负责把解析过的用户请求传递到空调设备进行控制。
传统的控制方式是使用Web浏览器和手机短信方式,随着智能手机引领新的潮流,在Android平台开发远程控制终端成为新的控制方式。
传统的智能空调控制系统以单片机作为控制中一tb,空调设备通过内置无线模块(如WIFI)与控制中心进行通信。
单片机的使用降低了系统成本,但存在的存储能力有限、处理能力差等固有缺陷却影响着系统的整体性能,空调设备内置的无线模块意味着空调的智能化只能局限在新式空调范围内。
本文提出了一种新的设计方案:
以PC机携带两台服务器分别提供Web服务和控制功能替代单片机、以Arduino开发板集成WIFI模块并搭载温度传感器和红外发射装置作为终端控制单元,既弥补了单片机存在的缺陷,又实现了空调的无关性。
另外,为丰富智能空调控制系统的功能,本文还设计了自动化温度预警功能和定时开关机功能。
温度预警功能使用户可以自行设定预警温度范围,在室温超出范围后由服务器向用户发送预警邮件和预警短信。
定时开关机功能使用户自主控制空调的开机与关机时间。
为验证系统的可行性,本文结合主流控制方式设计了两种用户控制方案,分别是基于Web浏览器的用户控制和基于Android平台的智能手机控制。
实验表明,本系统能够正确完成以下任务:
开启空调、关闭空调、调温、显示实时温度、温度预警与定时开关机。
关键词:
智能空调控制系统,WIF,Arduino,Web,Android万方数据AbstractAbstractASmartAir。
conditionerControlSystemusuallylncludesanair-conditionerandacontroldevicewhichcommunicateviacableorwirelessmannerThecontroldevicecommunicateswithusersthroughnetworks,receivescontrolrequestsandresponsestousersupwardly,andparsesusersrequeststopasstoair-conditionerdownwardlyThetraditionalcontrolmethodsofsystemsarethroughtheWebbrowserorGSM-SMS,however,theremotecontrolterminaldevelopedontheAndroidplatformhasbecomethenewcontrolmodealongwiththenewtreadofsmartphonesSmartAir-conditionerControlSystemsuseSingleChipMicrocomputers(SCM)asthecontrolcenterofthesystemsandtheair-conditionerscommunicatewiththecontrolcenterviathebuiltinmodulesuchasWIFISCMreducesthecostofsystems,butitsinherentdefectssuchaslimitedstoragecapacityandpoorprocessingcapacityaffecttheoverallperformance,andbuiltinwirelessmoduleofair-conditionermeansonlynewkindofair-conditionercanbeintelligentInthispaper,anewdesignispresentedtoresolvetheseproblems:
onePCwithtwoservers,oneofthemprovidesWebservicesandtheotherprovidescontrolfunctions,isusedtoreplacetheSCMtosolvetheperformanceproblems,andadevelopmentboardnamedArduinointegratedwithWIFImoduleandequippedwithtemperaturesensorandinfraredemissiondevicebecomestheterminalcontrolunitThenewdesignmakesupthedefectsofSCM,andalsoachievestheindependenceofair-conditionerInaddition,inordertoenrichthefunctionsofSmartAir-conditionerSystems,thispaperalsodesignedautomatedtemperaturewarningfunction(ATW)andtimerswitchfunction(TS)ATWallowsuserstosettheirOwnforewarningtemperaturerangeandsendswarningemailsandwarningmessageswhenroomtemperatureoutoftherangeTSenableuserstOcustomizethetimetobootorshutdownail-conditionerInordertoverifythefeasibilityofthesystem,thispaperdesignedtwousercontrolschemesoneiSbasedonWebbrowserandtheotheriSbasedonAndroidplatformExperimentsshowthatthissystemcouldcorrectlycompletethefollowinglI万方数据Abstracttasks:
turnonorofftheair-conditioner,thermostat,displayrealtimetemperature,temperatureforewarningandtimerswitchKeywords:
SmartAir-conditionerControlSystem,WIFI,Arduino,Web,Android11I万方数据目录目录摘要IAbstractII目录IV第一章引言1第一节智能家居简介1第二节智能空调简介2第三节论文组织结构3第二章研究现状与本文应用技术4第一节研究现状42。
1。
l家庭内部网络组网方式4212远程监控方式5第二节本文应用技术7221Arduino集成控制技术7222Android应用开发技术7223WebService技术8224Ajax技术一8第三章智能空调控制系统的设计10第一节系统设计思想10第二节服务器模块1l321后台服务器模块12322Web服务器模块13第三节Arduino采集控制模块1533。
1室温采集模块15IV万方数据目录332空调控制模块15第四节Android客户端模块16第四章智能空调控制系统的实现18第一节服务器模块的实现18411数据库的构建18412后台服务器的实现21413Web服务器的实现24第二节Arduino采集控制模块的实现。
32421室温采集模块32422空调控制模块35第三节Android客户端模块的实现39431开发环境的搭建39432实时温度与室温历史记录40433空调控制44434温度预警设定45435定时开关机设定46第五章智能空调控制系统的测试48第一节功能测试48511室温采集测试48512空调控制测试49513温度预警测试49第二节性能测试5l521WIFI性能测试51522红外性能测试52523温度预警性能测试52524定时开关机性能测试53V万方数据目录第三节本章小结54第六章总结与展望55第一节论文总结55第二节问题和展望56参考文献57致谢59附录。
61附录A:
图索引61附录B:
表索引63个人简历、在学期间研究成果64VI万方数据第一章引言第一章引言第一节智能家居简介坐在客厅的沙发上,或是躺在卧室的床上,用手机、平板电脑,甚至是声音等多种方式来控制房间里灯光的不同效果、背景音乐的播放与切换;在公司上班的时候,用电脑获知家里的实时情况并加以控制,比如在温度高的时候关上窗帘、在有客人来访的时候开启门禁;在下班回家的路上,拿起手机提前打开车库门、开启室内的空调、放好一池热水等,这些仅仅是智能家居的一些表现。
2012年4月,室内装饰协会的智能化委员会,与中国智能家居网以及中国智能家居星际联盟合作,联合发布了国内智能家居领域的指导手册,即智能家居系统产品分类指导手册,手册将智能家居系统产品归纳为二十个分类,包括智能照明系统、暖通空调系统、厨卫系统、电视系统、运动与健康监测、自动抄表、防盗报警等。
智能家居【2J是这样一种解决方案,它集多种技术于一身,如网络通信技术、自动化控制技术、物联网技术、嵌入式技术、新能源技术和综合布线技术等,以家居环境为载体,以家电等家庭设备为控制对象,近可通过语音识别和直接触摸,远可通过互联网等途径进行控制,从而提供一种便捷、可靠、灵活、实用、人性化的设计理念,最终为用户呈现出舒适、健康【3儿4|、安全【5J、便捷、节约环保的居家环境。
人们都说家是温馨的港湾,而一旦有了智能家居控制系统,那么你就好像把家带在了身边,随时随地都能体验到家的温馨,并且可以把她营造得更为温馨、舒适、和谐。
智能家居系统一般是由一个主控系统和若干个子系统共同组成,主控系统是一个集中的控制中心,通过直接或间接的方式,对各个子系统的设备进行信息采集、分析和管理控制。
子系统是一个能够完成特定功能的模块,负责将采集的信息传回主控系统,并能根据主控系统的指令做出规范动作,如家庭背景音乐子系统、家庭安全控制子系统。
主控系统可以经因特网与远程主机和手机终端等进行消息交互,使用有线和无线的方式与子系统进行连接通信,通信方式主要有两种类型:
有线技术和无线技术。
比较出名的有线技术是电力载波技万方数据第一章引言术,代表是X10技术和PLCBUS技术,其中X10系统包括一个发送控制信号的控制单元,多个接收控制信号的被控制单元,被控制单元通过设定唯一的编码进行区别,编码包括两个部分(A至P和1至16),共256种可能。
控制与被控制单元连到室内电力线的电源接口上,并通过电力线通信,家电设备则连接到被控制单元上,接受来自控制单元的控制。
因为电力载波技术的固有缺陷(信号衰减严重,对噪声敏感),未能在国内得到采用。
无线技术的代表是使用广泛且易于接入互联网的WIFI技术,近距离、自组织、低功耗、以及低成本的ZigBee技术,另外,蓝牙、RF射频技术也得到了一定的使用。
第二节智能空调简介空调是人们生活、工作、娱乐活动中不可或缺的部分。
随着人们不断追求人性化、智能化的生活,传统的空调已经不能满足人们的需求,尤其是在智能家居系统得以高速发展的当下,人们迫切希望空调能够加入智能家居的队伍。
El前在智能空调领域主要有两个研究方向:
一个目的是为了节能,即变频技术【6j,其通过改变电流的频率来降低空调压缩机的转速,从而降低压缩机的功率;另一个则是与智能家居系统中的诸多智能家电类似,利用联网技术与智能终端设备,把人与空调紧密联系在一起,使之能够更好地为用户服务,提供更为方便、舒适、人性化的服务,本文就是以这种研究方向为出发点。
智能空调在一般的智能家居系统中已经比较常见,它们一般通过智能家居系统中的主控系统来完成运算与控制功能。
主控系统的角色多是由一些嵌入式设备来扮演,通过有线或者无线的方式把空调、洗衣机、冰箱等全套家电集中到一个控制系统中。
但一般的嵌入式设备存在一些固有的缺陷,即处理能力较弱,存储空间不足等,为了弥补这些不足,有的企业选择把主控系统移植到性能较高、存储空间足够大的PC机,以此作为智能家居系统的服务器与控制中心,为用户提供更为完善的服务。
本文采用PC机代替嵌入式设备作为主控系统的方式,并根据服务器向上为用户提供服务、向下连接智能家电终端的特性,设计出一种以两台服务器代替原有一台服务器的智能空调控制系统。
两台服务器一台向上提供强大的Web服务,一台向下提供完善的智能控制,并通过数据库完成信息共享与交互。
这种设计结构清晰、简单,既利于功能的独立设计,又利于后期的维护与扩展。
另2万方数据第一章引言外,本文终端控制单元的实现,使用源代码开放的Arduino平台携带WIFI模块、温度传感器与红外控制装置,使得任何空调(即使不支持WIFI功能)都能实现智能化控制。
第三节论文组织结构本文第一章首先对智能家居系统的理念、系统构成以及应用的关键技术进行了详细介绍,然后又对智能家居系统的重要组成部分智能空调控制系统做了阐述。
空调智能化已经成为全球空调行业的必然趋势,在未来的几年甚至几十年中,智能空调控制系统将会与互联网、手持终端设备完美融合到一起。
第二章介绍了相关的研究工作和使用到的关键技术。
首先罗列了智能空调控制系统常用的组网方式,即有线和无线方式,并对每种方式包含的一些具体技术进行了阐述。
其次介绍了智能空调控制系统的三种控制方式以及国内外运用这些技术取得的一些研究成果。
最后,对本文中应用的一些关键技术及其特性进行了简单的介绍。
第三章首先介绍了智能空调控制系统的设计思想,中心为既相互独立又彼此关联的两台服务器,向上通过互联网远程连接用户手持终端设备,向下利用WIFI技术沟通终端控制单元。
然后分别对系统中服务器模块的工作过程、Arduino采集控制模块的搭建与工作原理、Android客户端模块的实现方式与功能进行了具体描述。
第四章在上一章节的设计基础上进行了具体的实现。
如后台服务器模块的收、发消息,Web服务器的用户控制,Arduino采集控制模块的室温采集、无线传递、红外控制,Android客户端模块的空调控制、温度预警和定时开关机等。
第五章对智能空调控制系统进行了具体的功能测试与性能测试。
如通过浏览器和智能手机两种方式测试空调控制系统的室温采集、空调控制、温度预警、定时开关机等功能;测试距离与障碍物对WIFI信号与红外控制信号的性能影响;测试空调控制系统中温度预警功能与定时开关机功能的时延。
第六章是本文总结,首先对本文在设计与实现智能空调控制系统的工作进行了概述,其次指出了系统存在的不足和局限性,以及未来工作的研究方向。
万方数据第二章相关工作与关键技术第二章研究现状与本文应用技术第一节研究现状在智能家居系统中,家庭网络主要包括家庭内部网络、网关和外部网络,其中家庭内部网络用于连接用户家里的家电设备以及传感器等。
家庭内部网络的组网方式有多种,如有线电视电缆和电力线形式的有线技术,Wifi、蓝牙、ZigBee等无线技术。
智能家居系统中的外部网络一般是因特网,用户使用上网工具经过外部网络登录到家庭网关监控家庭内部状况。
常见的用户监控方式有通过拨打电话或发送短信控制家电、使用Web浏览器访问智能家居系统的Web服务器进行监控、使用智能手机接入Internet访问家庭网关控制家电设备等。
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