智能配肥系统设计

智能配肥系统设计（精选7篇）

智能配肥系统设计 篇1

目前, 我国农业生产中肥料使用普遍存在着结构不合理, 偏施、过量氮肥的情况。长期过量施用化肥会导致土壤的酸化, 加剧养分的淋溶, 降低了土壤保肥能力[1], 导致土壤的盐渍化、土壤的板结, 影响农作物的连作[2]。我国化学肥料的生产同样也存在着很多问题:一是品种结构不合理, 以生产低浓度、单一营养的肥料为主;二是复合肥加工工艺不先进[3], 目前的复合肥料生产工艺主要有团粒法、料浆法、掺混法、挤压法等[4,5,6], 这些工艺普遍存在着能耗高、效率低的弊端;三是新型高效肥料发展进程缓慢。

2009年扬州市耕地质量保护站承担了“县域测土配方施肥专家系统”研发工作, 为全国农业部门开展测土配方施肥技术服务提供应用软件和技术支撑。截至2015年, 全国已有1 000多个项目县应用扬州市耕地质量保护站研制的工具软件, 成功建成了当地的测土配方施肥专家系统。项目县的农业技术员对辖区内的所有主推作物制定了参数模型并生成了施肥方案, 通过专家会、商会等形式对参数模型和施肥方案结果进行了科学论断, 最终形成了很多具有价值的工作成果。“测土─配方─供肥─施肥”是一个完整的技术流程。但由于种种原因, 在很多情况下农民即使有了“县域测土配方施肥专家系统”生成的科学配方也买不到与之相对应的肥料。好的配方不能应用到实际生产中, 无形之中就是对测土配方施肥专家系统成果的浪费。本研究就是利用现有的计算机技术, 为测土配方施肥建设好“最后一公里”的道路, 解决其所面临的窘境。从测土配方施肥的技术角度出发, 在已有的“县域测土配方施肥专家系统”成果数据的基础之上, 利用GIS组件进行二次开发, 结合PLC层面上的Modbus协议, 开发了智能配肥系统。系统有效地管理以县为单位的测土配方施肥成果数据, 方便农户以地块为单位的作物施肥方案的查询并同步配制精确的配方肥, 提升了测土配方施肥工作的实际指导意义。

1 系统设计

1.1 系统架构

基于面向对象的可视化设计, 系统总体架构可以拆分为3层, 如图1所示。农民、种植大户以及农场主需要使用系统进行作物施肥方案的查询, 系统管理者需要对系统进行日常的管理, 包括系统设置和数据更新。系统层为用户提供友好且美观的操作界面, 保证系统具备良好的用户体验, 方便使用。用户可以通过浏览地图来查询自家地块的作物施肥方案, 并可以将肥料配比信息发送给配肥机械进行实时配肥。数据层主要对存放的空间数据、属性数据以及各种模型参数进行管理。数据层和系统层能够进行数据交换, 系统层对数据进行管理和调用。

1.2 开发技术路线

本研究从用户对配肥机械的需求进行分析, 再到对系统设计的可行性进行论证, 搜集资料、数据准备和程序开发同步进行, 经过与配肥机械进行对接调试, 最终投入实际应用。具体开发技术线路如图2所示。

1.3 系统设计原则

1.3.1 规范性。

建立标准的工作空间, 形成规范的文件结构体系。数据存储严格按照文件结构体系, 数据定义严格参照“县域耕地资源管理信息系统”数据字典的规范。

1.3.2 科学性。

在作物目标产量预测、施肥模型参数设置、施肥方案生成等一系列过程当中都有成熟的科学理论依据作技术支持, 并且生成的施肥方案结果通过了专家的论证, 具有科学性、准确性和可控性。

1.3.3 易用性。

系统能够长时间、不间断地运行稳定, 保障农忙时节肥料配制高峰时期的平稳过渡。系统UI界面友好, 操作简便。系统的后台数据维护简便, 易于更新。

1.3.4 通用性。

系统具有规范的接口, 便于和第三方厂商的肥料机械进行系统对接。程序架构标准, 方便功能扩展, 能够满足未来用户的新需求。

1.4 系统功能模块

按照设计目标, 系统以县级工作空间为单位, 通过科学规范地管理数据, 实现3个核心功能:一是方便快捷地部署数据;二是实现空间数据的可视化, 方便用户进行施肥方案的查询;三是按照用户的需求, 一键定制作物不同施肥时期的配方肥料。系统总共划分为5个功能模块, 如图3所示。

1.4.1 数据管理。

数据管理是以县级行政区域为单位, 一个县的数据构成一个工作空间。数据管理包括数据的部署、删除以及用户在使用时对数据的选择。

1.4.2 地图操作。

在系统中, 空间数据以地图的形式展示, 用户可以采用放大、缩小、漫游和全图等方式来操作地图。

1.4.3信息查询。

用户通过信息查询功能查看目标地块的相关信息。在信息查询界面中可以查看目标地块所有的属性数据, 包括土壤养分、立地条件、理化性状、排灌条件等, 可以查看指定作物的施肥方案。

1.4.4 肥料配制。

根据查询的施肥方案, 用户可以一键定制作物不同施肥时期的配方肥料。培肥机械自动完成称重、搅拌和封装。

1.4.5 系统设置。

系统设置功能涵盖系统各个方面的设置, 包括销售商设置、基础肥料设置、配肥机设置、打印机设置等。

2 系统开发

2.1 开发环境

程序运行环境定位于Windows平台。开发工具选择的是Microsoft Visual Studio 2008 (VB.NET) , 由于它整合了新的对象并简化了程序语言, 程序开发变得更加简洁, 开发效率得到了提高[7]。运行框架则选择的是Microsoft.NET Framework 3.5, 它拥有多种新的功能特性, 便于开发者编写用户体验尚佳的应用程序, 可以有效实现跨技术边界的无缝通信。

2.2 数据管理模块实现

2.2.1 数据规范。

数据的标准化有助于数据的存储和管理, 便于数据的调用和挖掘。要提高数据应用的广度和深度, 就需要制定出一套数据标准化的规则, 从数据的采集、整理、制作、入库到应用, 都要严格按照此规则来进行。

2004年, 扬州市耕地质量保护站编写并发行了《县域耕地资源管理信息系统数据字典》[8,9]。此数据字典以《全国耕地地力调查与质量评价技术规范》《测土配方施肥技术规范 (试行) 》和《测土配方施肥专家咨询系统编制规范 (试行) 》为依据, 经过多年的使用修订已经基本完善, 被农业部作为耕地质量管理和测土配方施肥工作的相关数据规范使用, 全国各省、市、县所有项目单位都按照此数据字典制作了当地的数据。由于本研究涉及的数据对象与耕地地力评价的数据对象基本是一致的, 所以本研究沿用了此套数据字典。

2.2.2 数据库。

微软公司的Access数据库提供可视化界面, 可以对表、窗体、查询和报表这4个组成部分[10]进行浏览, 提供了强大的数据分析汇总的能力, 处理较大数据量时有助于提高工作效率。Access数据库可以允许系统的数据访问组件引擎来对数据库进行操作, 支持多种程序语言的开发, 定位为小型关系型数据库, 广泛用于个人、小型企业和公司部门。

Access数据库有其自身优点, 也有其不足的地方, 结合本文所研究的系统来看, Access数据库凭着部署简单、免费使用的特点成为首选。当然, Access也有其不足, 当数据库过大时, 其性能严重下降, 当数据读写操作刷新过快时也会引起数据库问题[11], 而这些问题出现的条件在本文所研究的系统当中几乎不存在, 因此不会对系统的性能有任何影响。

2.2.3 工作空间建立。

建立一个脉络清晰、结构合理的工作空间对于数据的存储、管理以及程序的调用都有着重大意义。本文所研究的系统涉及了多种类别的数据, 针对不同类别数据的特点制定不同的存储策略是建立工作空间的基础。一个标准的工作空间结构如图4所示。

Model文件夹内存储层次模型、隶属函数模型和县级参数库。Data Table文件夹内存储原始属性数据库。Raster File文件夹内存储栅格数据。Vector File文件夹内存储矢量数据, 为Shape File格式的空间数据。Map File文件夹内存储用于显示的图集文件。Query Data.mdb主要存储用户查询时的相关历史记录。Work Space.wsx文件为工作空间配置文件, 记录工作空间的配置信息。

2.3 地图控制模块实现

2.3.1 GIS组件。

地理信息系统 (Geographic Information System, 简称为GIS) , 它是借助于计算机对基于空间分布的数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。1967年, 罗杰·汤姆林森博士开发了世界上第一个地理信息系统 (加拿大地理信息系统) 用于对土壤、农业、野生动植物进行研究, 以分析加拿大农村的土地能力。GIS技术在过去的50多年间得到了迅猛发展, 其凭借特有的空间数据展示和分析能力已然已经成为了国防、交通、农业、地质勘查等众多行业应用研究的重要工具[12,13]。

在对系统的研发需求、组件的功能和性能、组件开发的难易度和组件的价格等诸多因素进行综合考虑后, 本研究最终选择了ESRI公司的Map Objects组件。Map Objects组件具有众多可编程对象, 为开发人员提供了有力的GIS制图支持。支持众多的数据格式, 包括“县域测土配方施肥专家系统”所使用的Shape File文件, 具有完善的图层管理机制, 支持图层符号化渲染, 提供多种数据查询方式, 具有一定的空间分析能力。

2.3.2 地块查找与定位。

智能配肥系统的最终用户为肥料销售人员以及农户, 他们的文化水平和电脑应用能力普遍较低, 在屏幕上通过地图来查找自家地块还存在一定的困难。为了能够引导他们快速查找地块, 系统采取了卫星辅助定位、图层逐级显示和农户地块信息库等3项技术, 帮助其查找自家地块。

得益于Map Objects组件对栅格文件的支持, 数据制作者可以从相关部门购买目标区域内的卫星图片或者航拍片, 在制作图集时, 将这些卫星图片加入到系统中, 可以让使用者根据卫星图片上村庄、建筑、道路以及沟渠等物体信息迅速找到目标地块。图集中包含多个图层, 采用逐级显示技术可以在不同比例尺下看到不同的显示内容, 解决了多图层同时显示会占用大量计算机系统资源的问题, 还可以避免多图层重合显示会让使用者辨识困难的缺点。在查询地块施肥方案查询时, 系统会自动建立农户与地块的关联信息, 以后只需要按照查询向导选择乡镇、村、组, 再选择农户姓名即可直接调出地块的施肥方案信息。

2.4 配方设计模块实现

本系统的核心功能之一就是查询目标地块的施肥方案信息。每个地块施肥方案信息生成的技术流程包括通过计算目标产量[14]─计算作物施肥方案─专家认证─方案发布等环节。具体如图5所示。

采用特尔菲法从全国耕地质量评价指标体系中选取与作物生产潜力密切相关的指标, 构成评价指标体系, 建立判别矩阵, 计算各个评价指标组合权重, 形成层次分析模型和隶属函数模型。系统根据这2种模型以及作物最高产量计算出地块的目标产量[14]。

模型参数库保存了目标产量预测、施肥用量推荐以及肥料配方设计过程中所需要的各种参数, 基于Access格式文件建立。模型参数库涉及了作物品种、土壤肥料、植物营养、作物栽培等多方面的知识, 确保系统从目标产量预测到施肥方案设计更加科学合理。

如果农业技术人员定制的模型参数不合适或者存在错误的操作, 都会直接影响到系统最终生成的施肥方案。因此, 在发布施肥方案之前需要经过专家们的科学认证, 确保不会对农业生产产生负面影响。

2.5 肥料配制模块实现

2.5.1 通讯协议。

Modbus协议目前已经成为全球工业领域最流行的通讯协议[15]。在我国, 已经将Modbus协议作为国家标准 (GB/T 19582—2008) 。协议标准开放, 可以免费使用, 得到了全球众多厂商的支持。协议数据帧结构简单、紧凑, 开发维护方便。集合Modbus协议的特性和实际情况, 本研究采用了MTU模式和CRC16校验方式来进行通讯, 保障数据传输的速度和安全。

2.5.2 通讯流程。

实时配制肥料就需要在系统与配肥机械之间建立通讯, 将肥料配比和用量的数据传递给配肥机械。通讯流程如图6所示。

2.5.3 通讯安全。

在系统与配肥机械通讯的过程当中, 由于人为或者环境的影响, 可能发生数据传输错误, 导致配制出错误配方的肥料、重复配制肥料或者系统运转中断等非正常情况的出现。因此, 系统从传输机制、数据校验等层面进行了多重保护。通讯流程即是从传输机制层面确保肥料配制功能的逻辑正确, 避免程序运行冲突, 从而保障系统能够长时间稳定地运行。数据校验层面的保障则由功能代码来实现。对长时间不响应、CRC校验失败的消息, 系统在发送失败后会重复发送, 直到达到系统预设次数的上限。

3 系统推广与应用

到目前为止已经与无锡耐特公司、扬州牧羊集团、湖北比富得公司、秦皇岛三农机械公司等6家肥料机械生产厂商进行了合作, 生产出了不同外观、不同特点的配肥机械。在《2015—2017年农业机械购置补贴实施指导意见》的指导下面向全国地区进行了销售, 涵盖江苏、内蒙、贵州、湖南和福建等多个省份。

仪征市新集镇测土配方施肥合作社成为了第1家智能配肥系统的试验点, 2011—2015年每年该机器为周围666.7hm2左右耕地提供稻麦测土配方施肥方案及配方肥料。统计结果表明, 与习惯施肥相比, 每季平均节省肥料 (纯养分) 35.1 kg/hm2, 平均增加产量459 kg/hm2, 增收节支达1 098.45元/hm2。江苏省吴江、海安、姜堰、张家港以及外省的县市区先后也引入智能配肥系统, 为农民提供个性化的配方肥料。得益于GIS技术和Modbus协议的引入, 系统实现了空间数据的可视化以及肥料配制的一键式体验。面对新颖的供销模式, 广大农民普遍给出了好评。

4 结语

在当前全国已有1 000多个项目县应用软件工具建成了当地的测土配方施肥专家系统的背景下, 本研究集合了在各项领域中发挥强大作用的GIS技术以及在工业领域流行甚广的Modbus协议成功完成了智能配肥系统的研发, 探索出了一条将测土配方施肥专家系统成果推广给了广大农户的新途径, 顺利解决了测土配方施肥“最后一公里”的问题。

(1) 系统成功实现了技术、厂商和农户的对接。在将测土配方施肥成果进行推广的同时, 确保农户能够购买到相应配方的肥料, 实现了测土配方施肥项目、肥料生产销售商家以及广大农户三方共赢的局面。

(2) 凭借GIS技术所特有的空间数据展示技术和数据分析能力构建了一套用户体验极佳的交互系统。用户很容易通过地图浏览查询出目标地块的施肥方案。

(3) Modbus在系统和配肥机械之间起到了纽带作用, 成功实现了两者之间的通讯, 为肥料配制的自动化配制奠定了基础。系统从传输机制、数据校验等层面对通讯进行了多重保护, 形成了一套完善的流程体系。用户可以根据自主意愿一键完成多个施肥时期配方肥的配制。

(4) 相对于其他基于模型公式实时计算肥料配方的配肥机, 本系统所有作物的施肥方案都经过了专家们的论证。在结果的科学性、准确性、可控性上更胜一筹。在特殊情况下, 用户可以更改作物的目标产量或者是土壤的化验数据, 系统也可以实时计算出新的配方或者用量, 系统功能显得更加灵活。

(5) 每个使用县域测土配方施肥专家系统的项目县, 都已经积累了完整的基础数据和成果数据, 可以进一步促进智能配肥系统的推广。智能配肥系统的设计符合测土配方施肥工作的要求, 也会进一步加强测土配方施肥技术作用的发挥。

(6) 经过地方测土配方施肥合作社的实践检验, 智能配肥系统明显能够对农业生产起到节本增收的作用。

智能配肥系统设计 篇2

随着科学技术的不断进步，人们对工作，生活的自动化水平也提出了越来越高的要求，“智能门禁管理系统”就是为了满足人们对现代化办公和生活场所的更高层次 安全管理的需要应运而生的。目前智能门禁管理系统已广泛应用于工厂、学校、写字楼宇、物业小区、商店、金融系统、电信系统、军事系统、宾馆等多种场合，大 大提高了整体的工作效率及系统安全管理需求。传统的方法是工作人员对出入人员进行登记放行，这种方法费事、费力又容易出错，而且管理不严格。因而智能、安 全、高效的现代化门禁管理已经成为社会发展的必然趋势，同时它也是现代化智能建筑的一个重要组成部分

门禁系统,又称为出入口控制系统，是一套现代化的、功能齐全的门禁系统,不止是作为进出口管理使用，而且还有助于内部的有序化管理。它将时刻自动记录人员 的出入情况,限制内部人员的出入区域,出入时间,礼貌地拒绝不速之客.同时也将有效的保护您的财产不受非法侵犯。

通过使用本公司门禁系统，您将体会到以下诸多优势：

1、可以树立公司或机关规范化管理形象，提高公司在客户心中的管理档次，同时规范化公司或内部的管理体制。

2、一张感应卡可以替代所有的门钥匙，而且可以将每张卡设置不同的开门权限，授权持卡员工进入公司内其职责范围内可以进入的门。所有的进出情况在电脑里都有记录，便于针对具体事情的发生时间进行查询，落实责任。

3、可以将不受欢迎的人员拒之门外，例如可以杜绝传销、保险等行业的业务员在未经许可的情况下擅自闯入您的办公室，干扰您正常的办公秩序。同行的竞争者不会轻易地进入您的办公或开发场所顺手拿走您的业务资料或核心技术资料。

4、如果员工的感应卡遗失可以在系统内即时挂失，这样即使其他人捡到了该感应卡也无法进入公司，这样相对与普通机械锁要方便得多，您不必为了安全起见重新换 锁，为公司的每个人重新配钥匙。对于辞职或开除的员工感应卡采用禁用的方式，该员工以后都无法进入公司进行窃取或破坏等报复活动，如果您不采用感应卡门禁 管理方式，您恐怕为了以防万一必须多次更换公司大门的锁。

5、采用先进的分体式结构控制，即读卡部分与控制部分进行分离，外人无法通过机械或其他高科技方法打开您的电锁进入您的办公场所。而其他诸如密码门禁，机械锁都无相应安全机制，可以通过电路短路或万能钥匙轻易进入您的办公场所。

6、系统扩展性好，具有联网功能，您可以随时以低成本升级增加新的控制门。

7、采用原装全天候感应器，确保系统的稳定运行。系统对设备的故障进行自检和跟踪监测,并有灯光提示,以便维护人员及时维修。系统运行时无需连接专用电脑，停电时系统信息不遗失，并可以配备UPS后备电源，维持系统的正常运作。

8、基于WIN2K/NT的全中文操作系统，人性化设计、软件短小精悍、形象直观、界面友好，操作方便简单。普通文员就可以胜任相应管理软件操作。

9、嵌入式数据库管理：即将所有门禁系统管理数据库资料全部存储在设备里面，全面提高系统数据的安全性及可靠性，同时系统数据可以随时映相到管理PC机上，方便将数据备份或重新下载。

10、高速度数据传输：十万条开门记录信息只需三分钟的时间便可以全部采集完成，大大缩短了系统数据采集的时间。

11、系统管理无地域限制：由于整个系统全部是基于以太网络进行数据通信，因而整个网络范围内的任何一台电脑（在授权许可的条件下）均可实现对整个门禁系统的管理与控制，而且可以跨Internet实时高速的进行远程管理与控制，您可以轻松的实现运筹帷幄、决控千里的。

12、大容量数据存储：系统每台门禁控制器均可以存储17920个持卡人数据信息及十万条开门记录信息。

13、系统布线及接线简单方便：系统布线只需按照以太网络布线方式及要求实施即可，接线只有很少的几个端子接线，甚至连接线工具都可不备。一

系统设计依据：

1.以人为本

“人”是企业管理的主体，系统设计应紧紧围绕着人们的实际需求，以实用、简便、经济、安全的原则，同时照顾到不同职务层次、不同部门的需要，满足企业管理这一特定使用功能。

2.适用性

当今科技发展迅速，可应用于门禁系统的技术和产品可谓层出不穷，工程中选用的系统和产品都应能使用户得到实实在在的受益，并满足近期使用和远期发展的需要。在多种实现途经中，选择最经济可行的途经。

3.先进性

系统的设计和产品选用在投入使用时应具有一定的技术先进性，但不盲目追求尚不成熟的新技术或不实用的新功能，以充分保护用户的投资。

4.可靠性

系统的设计应具有较高的可靠性，在系统故障或事故造成中断后，能确保数据的准确性、完整性和一致性，并具备迅速恢复的功能。

5.实施的可行性

以现有成熟的产品为对象设计，同时还考虑到周边信息通信环境的现状和技术的发展趋势，并考虑行政主管部门归口管理的要求，使设计的方案现实可行。

6.标准化、开放性

标准化、开放性是信息技术发展的必然趋势，在可能的条件正点，设计中采用的产品都尽可能是标准化、具良好开放性的，并遵循国际上通行的通信协议。应用软件尽量采用已商品化的通用软件，以减少二次开发的工作量和利于日后的使用和维护。

7.可扩充性

系统设计中考虑到今后技术的发展和使用的需要，具有更新、扩充和升级的可能。

8.数据安全

采取必要的措施保障内各智能化系统数据的安全。

9.易操作性

小区智能化系统是面向各种管理层次使用的系统，系统及其功能的配置以能给用户提供舒、安全、方便、快捷为准则，其操作应简便易学，而绝不能因“智能”而给用户带来不便，甚至烦恼。

10.针对性

企业智能化系统的设置并非千篇一律的，而应根据工程的实际情况，如工程规模、配套设施、市场定位、用户对象、管理要求、规划及平面布局等等因素，作出有针对性的设计。

二

系统组成

本系统主要是由管理微机、打印机、门禁控制器、非接触式IC卡读卡器、数据传感器、系统管理软件、出门按钮、再配合电子开门器（电控锁）组成整套门禁管理系

三、系统设计所遵循的规范：

1、《智能建筑设计标准》(DBJ08-47-95)

2、《商用建筑线缆标准》(EIA/TIA-569)

3、《民用建筑电气设计规范（JGJ/T16-92）》

4、《电气装置安装工程施工及验收规范（GBJ23-90，92）》

智能远程抄表系统设计 篇3

【关键词】集中抄表；集中器；远程抄表

智能远程抄表系统基本解决了人工抄表和一般自动抄表系统的难题，不但能够实现水、电、气表的远程查抄、计量和收费等功能，还具有通断控制功能（控制中心需取得通断控制的合法权限），同时在系统中增加了各种防护措施，包括防断线、防强磁干扰、防开启等，能够自动检测断线、强磁干扰、非法检修等状态，并由管理中心计算机显示。此外智能采集器预留多个数字采集端口，可采集住户的若干报警信息并通过软件处理报警信息，为其他系统的集成进入（如安全防护系统）留有接口。

一、抄表系统的构成

系统构成框图如图1所示。采用用户载波表加载波采集终端，即可进行电力线载波通信功能的操作，完成电能计量、电压和功率测量等；集中器挂接在同一台配变器下的电力线上，根据设置的要求定时或随时通过电力线抄收台变下所有载波表的测量数据并保存；主站计算机可通过电话网或其他通信媒介对集中器发布设置、广播命令或抄表命令，对集中器进行综合数据的抄收，对集中器下的任一台载波电表进行召抄或通断电控制，从而实现远程抄表和监控功能。

二、分块功能

1.数据集中器

数据集中器在抄表系统中起着很重要的作用，工作原理如图2所示。

集中器根据已设置好的不同的抄表方案对各载波电表实现双向数据传送，具有内部硬时钟可与系统进行广播校时，并实施定时抄表命令，存储抄表数据，可通过各种网络媒介与主站完成数据交换。集中器的作用是将配变台区载波电能表连成本地网络，能自动抄录数据采集终端及载波单表的数据，集中并存储。通过抄表器或电话线将数据传输给电力局的计算机中心。

从图2可看出，数据集中器是由CPU，RAM、直流电源、指示电路及接口组成，是一个能通过载波接口及RS232接口与外界通信的单片机系统。下面简要介绍各组成部分：

（1）直流电源：利用220V交流电降压后，经整流、滤波、稳压后分别得到+24V，+5V.

（2）指示电路：指出数据集中器工作是否正常、欠压。

（3）主机：由CPU，RAM以及附加电路组成运行程序，完成各项功能。

（4）接口电路：具有RS232接口、载波通信接口、RS485接口两个接口电路。其中RS232接口和RS485接口是通过电缆进行抄表器通信、计算机通信。载波通信接口是利用电力线与载波单表、采集终端进行载波通信。

2.数据采集终端

数据采集终端是一个测量电表用电量的单片机系统，如图3所示。

其中主机是核心，程序存在主机CPU中。由于单元式公寓一个单元大多为10-14户，所以数据采集终端设计为16户。表计输出的采样脉冲，经过输入电路实现信号电平转换，再经施密特电路整形变换成方波，以满足单片机对输入信号的要求。因为单片机的P门只能通8路数据，所以16路脉冲，要采用分时制，先通1-8路，再通9-16路，故需要经过一个选通电路。

附加电路，为确保数据采集终端安全可靠地运行，除上述主要组成部分之外，还有许多附加电路，如看门狗、掉电检测、实时时钟、状态指示电路、蜂鸣器、片外EPROM等。数据保护是数据采集终端的关键问题之一。采用看门狗电路、系统复位电路和上、掉电检测电路，就是为了保护数据。实时时钟电路提供时间（年、月、日、时、分、秒）。

状态指示电路，用以指示数据采集终端的运行状态，分三种：

A.正常运行时，短路片断开，“底度”指示灯闪烁。

B.常亮（设置参数时除外）或常暗，表示数据采集终端工作不正常。

C.设置参数时，短路片接通，“底度”指示灯常亮。数据采集终端内装有备份电池，停电时为时钟芯片供电，以保持时间正确。“欠压”指示灯亮时，表示电池电压低，应换新电池。片外EPROM各户的表号、电表常数、底度、功率限额等参数及整数值用电量，都保存于这个EPROM中。停电时，这些数据也能长期保持。

3.载波电表

载波电能表的工作原理如图4所示。

载波电表的组成，以CPU为核心，由RAM、电量转换电路、接口、直流电源等构成一个单片机系统。

（1）直流电源，从220V交流电压经变压器降压，整流、滤波及稳压后得到+24V，+5V，+24V供载波电路用，+5V供其他电路用电。

（2）主机，程序存在CPU内的E-PROM中，RAM用于存放用户的用电数据。其任务是：

A.每当电表正转转过一圈，CPU就累计电量，并存入EPROM。

B.接收抄表器发来的参数、表号，存入EPROM。

C.与数据集中器进行载波通信。

4.主站

主站在计算机上运行电力载波远程用电管理软件，经电话网或其他网络媒介对集中器进行抄表和各种方案设置，并可通过集中器对载波电表进行实时操作；例如，综合数据的抄读、电表实时电量读取，远程拉、合闸控制；集中器校时，广播校时等操作。主站的工作框图如图5所示。

主站系统包括计算机硬件、计算机软件、调制解调器、公用电话网或电台等数据传输通道。本系统只用1台计算机来完成表计数据的查询、建库、以及各种处理功能。当然，也可考虑配备多台电脑，应用计算机网络连接到电业局各部门完成各种处理功能。例如：可以实现自动、集中、定时地抄录各用户的电量，迅速统计低压实时线损，通过银行向各用户自动完成转账收款、电费结算，为供电部门的用电监察提供服务。通过主站操作，用电管理人员可以随时获取所需要的各种数据信息，它是本系统最主要的人机界面。抄表主站系统的配置如图6所示。

三、系统硬件设计

1.数据采集器

采集器的线路示意图如图7所示。此电路有两套供电工作系统，即正常供电情况下的供电和断电情况下的供电。

在正常情况下，由市电转化后的电源供给单片机89C51和单片机89C2051工作。在这里，两个单片机都不断检测用户电表电平，当检测到某个用户电表电平发生由高到低的变化时，单片机89C51将把记录用户电表度数的相应存储区内的用户电表度数加一，若单片机89C2051检测电平发生由高到低的变化，在把存储器X25045内的电表度数加一之前，还需要检测一个标志位的电平，当这个标志位的电平为低时，不进行计数。

而正常供电情况下，这个标志位的电平一直为低。所以正常供电情况下，单片机89C2051只能检测脉冲变化，而不能进行计数。与此同时，单片机还不断检测按键电平情况，当按键电平发生有高到低变化时，单片机把对应用户的存储区内的数据取出并送至数码管显示。除此之外，单片机还不断检测中断接收电路中的标志位，若标志位变真，表示集中器要求该采集器发送用户数据，之后单片机通过发送电路将用户数据发送到集中器去。

在断电情况下，由后备电源（充电电源）工作，此时单片机89C51不能工作，一次用户数据显示和发送工作都不能进行，此时单片机89C2051负责完成用户电表脉冲的检测和计数工作。

当由断电情况下的工作变为正常供电情况下的工作时，单片机89C51首先将存储器X25045内的数据读出并与存储器28C256内的数据相加，然后将X25045内的数据清零，这样即可完成断电检测工作。

2.数据集中器

数据集中器负责将所有采集器的数据集中存储至存储器28C256中，并负责将数据通过PSTN网传送至监控中心计算机，具体是通过单片机实现的。其线路示意图如图8所示。

在这里，单片机每隔24h通过发送电路依次发出指令至所有采集器，由于每个采集器有唯一的地址码，所以一次只有一个采集器通过比较集中器发送的地址码与本机地址码相符，即一次只有一个采集器发送数据至集中器。这样集中器通过依次发送地址码即可通过接收电路接收所有采集器的数据。集中器单片机还不断检测中断接收电路中的远端拨号标志信号，若检测到远端拨号标志信号，就把存储器28C256内的数据取出通过市话网发送至远端的计算机。

四、系统软件设计

（一）数据采集器

在数据采集器的程序设计中，为了确保系统的可靠性和实时性，提高数据采集器程序的执行速度和精度，节约系统资源，这里采用C语言进行程序设计。软件的功能由各个子程序完成。主要的子程序有数据采集与处理、通信中断、存储器操作子程序和延时子程序。

1.主程序

主程序首先对单片机进行初始化，还包括堆栈指针设置；端口的通信方式；定时器的预分频系数和初值设置，串行通信的控制寄存器和波特率寄存器的设置等，并且调用数据采集与处理子程序对电表进行流量采集，利用存储器操作子程序对数据进行存取，通过通信中断子程序响应数据集中器的命令。其工作流程图如图9所示。

在主程序设计中，为了满足系统的低功耗，在硬件上做到选择合适的低功耗芯片，实现低功耗的目的。手段之一就是在数据采集器工作空闲通过SLEEP指令将单片机设为低功耗方式，这种方式功耗最小，而且所有I/O脚都能保持SLEEP指令执行前的原有状态。

2.数据采集与处理子程序

数据采集与处理子程序是数据采集器程序设计中的重要部分。它通过对串行通信接收到数据进行分析、比较、判断并转入存储器操作子程序进行数据存储。数据采集与处理子程序的程序流程图如图10、图11所示。

在数据采集器进行数据采集时，它仍可响应通信中断，但不是立刻处理，只是将中断标志位置为1，等待其将8个通道的数据扫描完后，再去响应通信中断。这样做主要是为了不丢信号。

通信中断子程序，通信中断程序负责与集中器的通信并执行数据集中器下达的各项指令，如图11所示。在接收集中器命令帧时，为了防止长期处于侦听接收数据状态，进而影响对电表的采集过程，所以对接收过程进行计时，从数据集中器唤醒数据采集器开始250ms内数据未接收到或通讯字节接收时间间隔超过2.5ms，则终止此次通讯。

当数据接收完毕之后，需对命令帧进行检验，保证命令帧的可靠性。通过以下步骤实现：检验报头，检验报文长度、累加校验报文、检验报尾。任何一步检验报错均视为干扰信号并中断检验，返回到主程序中。只有以上四个步骤的检验都通过，才确认为正确的命令帧。

对通过校验的不同命令帧，数据采集器处理方法有所不同，但差别不大，均需经历以下几步：

①检验命令所指采集器地址与采集器地址是否一致；

②通过总线读取存储器，获取所需表的抄收数据；

③根据规定的应答帧格式建立应答帧；

④通过RS-485总线向数据集中器发送应答帧；

⑤返回主程序。

存储器操作子程序，存储器操作子程序包括对28C256的读操作和写操作。读操作是在向数据集中器发送应答帧时进行的，写操作是在数据采集上来并处理好后进行的，这部分非常重要，因为系统一旦工作后，记录的数据是绝对不能丢失的。

延时子程序，据采集器工作时，很多情况下需要延时环节。在通道A/D转换期间，对通道的操作都会引起模数转换中断，造成无法获得模数转换结果。因此，程序设计中的延时子程序相当重要，延时子程序的延时时间必须足够大，但又不能过大，以免影响整个系统的运行速度。对于长时间延时，一般采用循环来实现。

（二）数据采集器

1.主程序

主程序负责轮询16个数据采集器，对采集数据进行处理和存储，同时响应管理中心和IC卡抄表器的命令，主程序流程图如图12所示。

由于89C51只有一个串口，而系统既要与上位机通信，又要与下位机通信，在设计时采取的措施是：接收或发送上位机时，下位机屏蔽；接收或发送下位机时，位机屏蔽。其中通信中断子程序1用来接收和解析管理中心下传的命令并执行相应操作，如开户时对采集器初始化表底数，上传电表表数据等操作，其操作和数据采集器的通信中断子程序类似；通信中断子程序2用来接收抄表器命令并上传抄表数据，其操作和数据采集器的存储器操作子程序类似。

2.电源管理程序

电源管理程序是对电源模块进行管理，程序流程图如图13所示

电源管理程序主要负责检测蓄电池的电压，根据电平高低进行恒流、恒压、浮充充电，充电过程中的各种状态由两个指示灯显示。YellowLED亮表示恒流充电：YellowLED间隔亮表示恒压充电；GreenLED亮表示浮充充电；GreenLED闪亮表示浮充放置。

注：通信中断子程序、存储器操作子程序、延时子程序都与数据采集器的子程序相同。

本系统具有技术水平高、可靠性好、数据准确、适应性强、功能全、模块体积小、功耗低，系统操作界面简单易懂、安装维护方便。就现在的方案来说电力远程集中抄表用到了自动控制技术，通信技术，程序设计以及数据库技术，整个系统是比较完善的。这套系统的使用极大地减少电力部门的劳动量，为电力企业上等级和创优必将起很大的作用，同时提高了电力系统的现代化管理水平，有很好的社会效益和经济效益，对系统稍加扩充，便可完成对煤气表、自来水表的自动抄收，从而推进智能化小区的建设。但是，我们也应该清醒地认识到，从我国集中抄表系统的整体发展水平来看，要满足大面积推广使用的的要求，在系统的可靠性及数据传输质量上还有待进一步的提高。

智能配肥系统设计 篇4

关键词：自动称重,自适应,多级给料

近几年, 我国农业部正大力推广测土配方施肥技术, 该方法能够根据测定的土壤养分、计划种植作物、目标产量等因素, 制定个性化的施肥方案, 为每块农田“量身”配肥。配肥机通过自动给料、自动称重、自动搅拌、自动装袋等过程生产出满足要求的掺混肥。配肥机的称重过程属于动态称重, 由于机械振动、空中飞料、随机干扰等因素的影响, 现有配肥机在称量精确度和速度上有待提高。本文选用信捷PLC对智能配肥机进行控制, 采用平滑滤波、多级给料、自适应设定给料参数等方法高了配肥机的称量精度和速度。

1 配肥机的组成及工作原理

1.1 配肥机的组成

配肥机主要由提升机、储料斗、称重斗、输送带、搅拌器、夹袋包装等六部分组成。如图1所示。提升斗将物料提升一定高度后, 倒入储料斗内;称重斗对储料斗落下的物理量进行计量;输送带负责将称量后的物料从称重斗输送到搅拌斗, 物料在搅拌斗充分搅拌后倒入包装袋内。

1.2 工作原理

当工作人员将肥料倒入原料斗后, 如果该提升斗对应的储料斗没有满, 提升斗将向上爬升, 然后自动将物料倒入对应的储料斗内;储料斗下端设有电控的料门, 当料门打开时, 储料斗内的物料在重力作用下落入下端的称重斗内;称重斗通过重力传感器测量料斗内物料的重量, 当斗内物料达到设定重量后, 关闭料门, 完成称重;称重斗下端料门打开后, 物料落入输送带上, 输送带向上爬升, 将物料倒入搅拌斗, 搅拌后通过装袋机构将物料倒入包装袋内。

2 配肥机控制系统硬件选型

2.1 配肥机电控部分结构

系统主要分为控制核心、输入部分、输出部分和上位监控四部分。其中控制核心负责采集输入部分信号, 经分析处理后, 控制输出部分进行动作, 上位监控完成人机交互。

2.2 硬件选型

输入部分包括5个按钮开关、14个接近开关、4个检测物料的阻旋开关和一路称重信号。除称重信号外, 其余信号都是24伏开关量输入, 可以直接进入PLC;系统中选用4个电阻应变式传感器测量称重斗的实时重量, 由于传感器送出的是0到20mv的微弱模拟量信号, 所以对称重信号采用称重模块进行处理, 该模块将模拟量信号变成数字信号, 然后通过RS485串口传送给PLC。系统中称重传感器选用S型, 量程是50公斤, 称重模块选用西泰克公司的多路数字接线盒Hirs-4。

输出部分负责控制16个气缸和3个电机, 输出24伏直流信号控制中间继电器, 然后再通过中间继电器控制气缸和电机。

根据输入、输出点数和信号类型, 控制核心选用信捷公司的XC系列PLC XC2-60RT-E, 该PLC具有36点输入和24点晶体管输出, 2个串口通讯端口, 其中1个是RS485口, 与称重模块连接, 1个是RS232口, 与上位触摸屏通讯。上位触摸屏选用信捷公司的TH765-N, 7寸, 6万色。

2.3 系统软件设计

系统软件控制程序流程图如图2所示。

系统上电之后, 首先进行初始化, 对一些参数、设备状态进行初始设定, 然后进行设备的开机自检, 检测设备的动作部分是否能够正常运行。由于重量数据处于快速变化中, 每秒钟要采集50个数据, 为提高PLC对动态数据的响应速度, 程序采用信捷PLC的顺序功能块, 使CPU对主程序和动态数据采集、处理程序并行、同时执行。

2.4 动态称重数据的采集和处理

信捷XC2-60RT-E有2个串口通信口, COM1口下载程序、连接人机接口, COM2口与其它设备通信, COM2口有RS232和RS485两种物理接口, 2种物理接口不能同时使用。称重模块也有RS232和RS485这2种物理接口, 考虑到通信的可靠性, 为了避免周围电磁环境对通信信号的干扰, 采用RS485通信方式, 将称重模块采集到的重量信号送入PLC的COM2口。PLC的COM1口与触摸屏连接。

通信协议使用自由口格式, 波特率设定为19200, 停止位1位, 偶效验。为提高COM2口的快速响应性, 在信捷XC2-60RT-E的顺序功能块内编写自由口程序, 实时采集动态重量数据。

顺序功能块内自由口程序主要分为3部分, 参数设定程序、数据接收程序和数据处理程序。参数设定程序实现称重模块内部参数的设定功能, 如传感器的零点标定、称重模块地址号、数据格式等;数据接收程序不断扫描COM2的接收字节数, 当达到4个字节后, 将接收到的4个字节送入预定的内存中。

配肥机在工作过程中, 由于落料的冲击、机械振动、电磁干扰等因素影响, 秤重传感器送出的原始数据波动比较大, 影响了配料的速度和精度。动态称重信号属于非平稳信号, 本文在对重量数据进行处理时, 首先剔出粗大误差, 然后再采用滑动平均滤波法对动态重量数据进行处理。

3 提高称量精度和速度的措施

智能配肥机的关键性能指标是称量速度和精度。在快速称量时, 空中飞料、机械设备振动、给料冲击等因素都会影响计量的精度。为了提高称量的速度和精度, 本文采取了以下措施:

3.1 多极给料控制

采用大给、中给和小给三级给料方式。大给时, 粗给料和细给料2个给料门同时打开, 这时给料速度最快;中给时, 只打开粗给料门, 关闭小给料门;小给时, 关闭大给料门, 只开小给料门。大给提高给料的速度, 小给保证给料的精度。

3.2 给料量的自适应调节

加料的目标量设为m, 大给、中给、小给的给料量设为n1、n2、n3, 小给结束后, 空中的落料量设为n4, 则有如下方程:

加大n1和n2可以提高加料的速度, 但会影响最终的加料精度;加大n3可以提高精度, 但会减小加料的速度。n1、n2和n3的设定是影响称量速度和精度的关键问题。

整个放料过程可分为7个阶段: (Ⅰ) 大给料的过渡段; (Ⅱ) 大给料的稳定段; (Ⅲ) 中给料的过渡段; (Ⅳ) 中给料的稳定段; (Ⅴ) 小给料的过渡段; (Ⅵ) 小给料的稳定段; (Ⅶ) 给料结束过渡段。设定n1、n2和n3时, 要保证各级给料稳定段的存在。稳定段的判定采用如下方程:

式中m (k) 为当前采集到的重量。

各级给料稳定段的存在, 保证了称量的精度;但稳定段时间过长, 影响称量速度, 要提高称量速度, 必须使中给和小给的稳定段尽量短。n1、n2和n3的设定值, 与称量目标、物料特性、配肥机结构有关, 需要在现场多次调节, 才能确定最佳值。根据现场实验情况, 本文将中给料稳定时间设为300ms到400ms, 通过程序自动调节给料设定值。当中给料的稳定时间小于300ms时, 增加中给料n2的值;当稳定时间大于400ms时, 减小中给料n2的值;当稳定时间处于300ms到400ms之间时, 保持n2的不变。将小给料的稳定时间设置到400ms到500ms;

n4为料门关闭后, 空中的落料量, 其统计特性为正态分布, 其值越小, 则称量精度越高。每次给料结束后, 本文采用如下方程对n4进行估计:

其中, m'为实际称量重量。取前3次估计的平价值作为下次称量时落料量的预估值。

4 结束语

使用信捷PLC对自动配肥机进行控制, 系统成本低、稳定可靠, 操作简单。采用多极给料控制, 自适应调节各级给料的设定值, 解决了称量速度和精度的矛盾。

参考文献

[1]曾繁玲.基于施耐德Twido PLC的自动称重包装机的控制[J].制造业自动化, 2012, 34 (05) :147-149.

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智能配肥系统设计 篇5

基于智能规划与矩阵运算的智能排课系统设计

为解决目前高校自动排课系统设计复杂、排课效率低的问题,提出了一种基于智能规划和矩阵运算的.排课算法.该算法能高效、快速、优化地实现自动排课,并简化了程序的复杂性.

作 者：宋建强 钱雪忠 作者单位：江南大学信息工程学院,江苏无锡,214122刊 名：科技资讯英文刊名：SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION年，卷(期)：“”(31)分类号：P20关键词：自动排课 智能规划 智能排课

智能追踪调速风扇系统的设计 篇6

【关键词】单片机 温度检测 热释红外传感器 智能控制

1. 设计背景

1880年，美国人舒乐首次将叶片直接装在电动机上，再接上电源，叶片飞速转动，阵阵凉风扑面而来，这就是世界上第一台电风扇。

近年来，随着空调业的价格水平不断下降，其风头早已超过了风扇，但空调的强大制冷效果以及高耗电量、且封闭空间的弊端，使得传统的借助空气流动降低热量但通风效果和功耗低的风扇仍然存在很大的市场。部分风扇企业考虑到两者之间的差异性，就在现有的功能上借鉴并创造设计出了一些更具人性化和个性化的功能，形成了空调、风扇两者互补的局面，使两者相得益彰，共同发展，透过当今千姿百态的电风扇市场，我们可以预言：今后的电风扇一定会继续吹着创新设计风和人性功能风。

分析了人们的实际需求后，我们设计研发出这款自动追踪调速风扇。

2. 系统方案

本系统采用AT89S52单片机为控制器，分为主控台和工作区两部分。系统通过热释红外传感器定位人群信息，在主控台设置阈值温度、转速与温度的对应关系。通过主控单片机将信息发送至工作区，工作区电机工作并将DS18B20温度传感器检测到的温度回传给主控台，单片机将接收到的信号进行处理，进而控制直流电机的转速和舵机的转角。使人在一定范围内都能够一直吹到凉爽的风，使用起来更加方便灵活。

整个温度自动散热系统有检测模块 、环境温度采集模块、供电模块、主控制模块以及电机模块，显示模块这六大模块组成。

检测模块：采用热释红外传感器检测，它具有传输距离远，可靠性强，且能准确的进行人体移动探测。

环境温度采集模块：选用美国DALLAS公司生产的数字温度传感器DS18B20，它具有测量范围广，且测量精度高，可采用单片机直接进行温度的读取，使用方便。

供电模块：供电模块采用220V＼50Hz经变压器得到5V直流电给主控模块供电，由主控模块给其他功能模块供电；

主控模块：整合处理控制各功能模块，STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器它带有32个I＼O口，三个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量二级中断结构），全双工串行口，性价比高。

电机模块：采用舵机同直流电机搭配，舵机具有扭力大容易控制。小型直流减速电机，减速电机控制精度低，且速度均匀性好，控制简单，电源要求低，易于实现。

显示模块：采用12864液晶显示，此液晶显示器界面简洁，控制简单，在显示数字和汉字方面符合实际需求。

3.硬件电路设计

（1）驱动电路的设计

电机/舵机由STC89C52单片机控制。当进入工作状态后，热电释红外传感器检测人群的范围，单片机输出PWM信号，调节其占空比，可以改变舵机转动的角度。占空比越大，舵机转角越大；占空比越小，舵机转角越小。

温度传感器DS18B20将采集到的环境温度与设置的参数进行比对，然后由单片机输出PWM信号，调节占空比，改变直流电机的转动速度。电机的转速与PWM信号的占空比成正比关系，即占空比越大，转速越快。

（2）热释红外传感器电路的设计

热释红外传感器主要用来检测人群所处的位置信息。本系统共采用6个HC-SR501型热释红外传感器，按半圆形排列，每一个传感器感应30°范围内的人群信息。HC-SR501配有菲涅尔透镜，检测距离达到7米，在6个传感器的共

同作用下，最大检测扇角为180°，满足实际应用的需求。

（3）测温电路的设计

本系统采用DS18B20温度传感器检测工作区的环境温度信息。DS18B20是一种数字输出形式的温度传感器，所以抗干扰能力较强。本系统中DS18B20主要有两方面的作用，首先是在系统启动前检测环境温度，并将其与事先设定的阈值温度比较，当达到阈值温度时，系统开始运行。另一方面，当系统处于运行状态时，将实时的环境温度与设定好的转速调节温度相比较，根据不同等级，改变电机转速。

4.软件设计

软件部分重点在于主控台可以通过按键对工作区阈值温度、温度和转速的对应关系等信息进行设置。难点在于驱动电路方面，主要包括电机驱动和舵机驱动两部分。根据人群位置的信息，计算改变舵机的转角；根据环境温度的高低，调节风扇电机的转速。本系统程序主要包括主程序、DS18B20和红外热释电传感器的初始化、读传感器子程序、参数设置子程序、驱动电路子程序等等。由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格保证初始化及读写时序，否则将无法读取测温结果。

5.结束语

本系统是采用热释红外传感器定位人群位置，并用DS18B20实时采集环境温度，单片机STC89C52为数据处理中心，电机/舵机作为动力单元，加上显示单元构成的，设计难点在于电机转速根据温度变化的调节以及转向机构的实时精确控制。通过调节舵机转角和电机转速实现风扇只在人群的范围内转动，并根据环境温度开启关闭电源、调整风扇转速等。

【参考文献】

[1]郭天祥.51单片机C语言教程，2009

[2]韩九强，周杏鹏.传感器与检测技术[M].北京：清华大学出版社，2010.

[3]基于DS18B20的温度测量模块设计.周润景.2010

黄淮学院2014学生科研项目

浅谈家居智能安全系统设计 篇7

关键词智能家居；智能安全；无线控制

中图分类号TP文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)081-0192-01

1家居智能化的发展现状

家居的智能化在发达国家，特别是美国、日本、欧洲那些电子产业先进的国家应用都比较普遍，并且非常受欢迎。我国虽在这方面起步比较晚，但是从事此类产品开发的企业还是很多的，直到目前为止，家居智能产品在我国市场上的普及率还是比较很低的。究其原因，有以下几个方面：

1）虽然出现在市场上的智能产品很多，但还只是智能产品没有成为智能系统，当然这从智能产品也不能使人们充分的感受到智能产品的优越，家居智能化的好处。

2）当然市场上也出现了一些智能系统，它们似乎成了奢侈品的代名词，少则几万元一套，多则几十万元一套。对于这样昂贵的价格不是一般老百姓所能承受的。这可能是普及不开的重要原因之一。

3）现在的智能产品大多缺乏人性化，不实用，对普通消费者来说花了大价钱购买的产品并不能让消费者觉得物有所值，这可能就是普及不开的另一重要原因吧。

目前，家居的智能化主要由两大部分组成，一部分是家居生活智能化：主要以减轻家居劳动、改善家居环境、增强家居舒适度为目的，属于追求精神享受。这部分应用的前提条件是家庭经济条件较好，对于整天为生活而忙碌的人们，这个部分可能是不必要的。另一部分是家居安全智能化：主要是以保障家居中的生命及财产安全为目标，这种产品虽不是什么必须品，却可以有效的保护家的安全，对于整天为生活而忙碌的人们，只要条件允许他们会考虑的。因此，后者是家居智能化在当前的一段时间甚至以后的好长一段时间直至普通百姓的生活水平大幅提高之前的发展重点，本文研究的就是这种系统。

2家居智能安全系统的设计

对于家居智能安全系统的设计一般由四个部分组成：检测部分，家居网络通信部分，远程通信控制部分以及执行部分。

2.1检测部分

检测部分负责检测家中出现的各种危险信号，属于系统的关键部分，但是这部分实现起来不难，它的检测主要靠各种传感器来完成。一般从以下几方面考虑。

烟火有害气体的检测：这部分主要是为发现、防止火灾的发生和室内有毒有害气体超标的检测。这部分所用的传感器按原理分有温度型、烟雾型和光电型。就目前资料来看，大多数报警器的设计是采用温度传感器或者烟雾传感器完成的。

非法入侵的检测主要防止入室盗窃、入室抢劫这类恶性事件的发生。这类检测方式按原理来分也有三类：

第一类通过红外线对管检测，当有人非法入侵，挡住光线，产生信号实现报警。但是这种检测方式有一定的缺陷，首先对安装精度要求较高。其次是不管发射部分还是接收部分均需要电源，必须有线连接，这样不利于推广。再者是对于熟悉情况的人员或发现检测器的人员，完全可以避开被检测到，使安全系统形同虚设。

第二类是热释电红外探测技术。此技术是通过检测人在常温下向外的红外辐射进行报警。但在实际的应用过程中，由于人体所辐射出的红外能量太过微弱，这就导致了传感器的灵敏度很低。如果在设计中采用这种方法，最好在设计时就选用菲涅尔透镜把微弱的红外线能量进行“聚焦”，这样就可以把传感器的探测距离大大增加。这种检测方式的缺陷是不容易区分人与动物，如果家中养有宠物容易产生误动作。

第三类是门磁窗磁检测。按通常的逻辑有人要想进入房间，不管是非法还是合法都只有门窗可以通过。门磁窗磁传感器就是通过检测门窗是否有位移发生来判断是否有人非法入侵。

对智能系统来说，还有一些专门针对弱势人群的安全保护设计，这也是其它普通安全产品所不具备的。比如长时间未动作检测，可以用来检测老人不慎摔倒不能动，还可以检测老人不舒服躺在床上不想动等等，这可以让在外工作的子女随时了解家中的异常情况。这部分也可以通过热释电技术来实现。还有应急事件检测，当老人在家意外摔倒、扭伤，或者有外人入室作案时实现轻松报警。并且这部分所实现的报警信号一般都会与视频监控连接以便能在第一时间保存图像信息。

2.2家居内部网络通信部分

目前对于家庭内部的联网方式按采用的传输介质分为有线和无线两种方式。有线联网技术在应用时有很大的局限性，正在慢慢地被淘汰。无线联网技术可以提供更大的灵活性、流动性，省去了花在综合布线上的费用和精力，应用于家庭网络已成为必然趋势。目前在家居领域中常用的无线联网技术主要包括蓝牙、ZigBee、红外线、UWB和射频等技术。下面来介绍这几种常用的无线技术。

蓝牙技术是通过把一块无线电收发芯片嵌入到传统的电子设备中而实现通信功能。蓝牙通信使用射频信号，它使用的无线电频段在2.4－2.48GHz之间，其射频信号可以穿透大多数固体物质。蓝牙无线收发器采用频技术。跳频是在一次传输过程中，信号从可用频段的一个频率跳到另一个频率，这样蓝牙传输不会长时间保持在一个频率上，也就不会受到该频率信号的干扰，这一点特点非常适用于家居智能系统。其优点是体积小、功耗低，通信的干扰小，可靠性高，其缺点是成本太高。

ZigBee技术是现在新兴的无线组网技术。主要应用在短距离范围内以及数据传输速率不高的各种电子设备之间，所以非常适用于家电和小型电子设备的无线控制指令传输。其设计的目标功能就是自动化控制。其主要特点包括省电、可靠、时延短、网络容量大、安全、高保密性。

红外通信的技术非常成熟，在家居的控制中扮演着重要的角色：从家电遥控器，到电梯、门禁系统，乃至便携式电脑，都可以见到红外通信的身影。由于其价格低廉，使用方便，解决了有线连接的诸多不便，在家居无线通信中占有很大的市场。但是由于红外线有方向性，不能绕过物体传播等特点，使红外控制在某些方面力不从心，大有被其它无线技术替代的迹象。

超宽带UWB技术是一种时域通信技术，与以上的无线通信技术截然不同，它不使用载波，将信号以0或1的方式直接通过纳秒级脉冲发送出去，其特点是在很宽的带宽上发送低功率信号。它最引人注目的特点是具有很高的数据传输速率，每秒传送数据可达100Mb。并且UWB技术的实现远比其它无线技术简单，功耗极低，具有很高的安全性。另外，UWD信号抗干扰和抗多径衰落能力强，具有多个可利用的信道，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。随着家居智能化的进一步发展，人们要追求更高家居娱乐目标，对信号的传输速率提出了更高的要求。则低成本、低功耗、高传输速率的UWB技术也越来越多受到关注。

这部分的设计是智能产品的重中之重。整个系统的工作是否可靠、性能是否稳定，全由这部分决定。在进行这部分设计时，不管实现什么功能，原则上不能改变家居内部原有产品，这就要求在设计时可能会采用多种通信方式共存的方式，以适应不同家居的不同环境。

2.3远程通信部分

家居内部的网络通信只能解决内部各传感器与主机之间的通信，保证准确的检测出危险信号，并采取相应的安全措施。但对智能安全系统来说还要与相关关系人进行通信，让相关关系人能够了解、控制现场情况。这部分是市场上普通的安全产品做不到的，常用的远程通信方式有基于网络通信和基于电话通信两种方式。

通过网络通信是通过一个网关将相关关系人与家联系到一起。它的特点是只要能上网，无论何时何地，都可以对家进行了解、控制。其优点是工作性能稳定、可靠，缺点是危险的发生不一定发生在能上网时候，并且家居安全系统需要一天24小时连接到网络上，这样的话网络安全就成了不容忽视的问题，处理不好反被利用可能会造成更加严重的后果。

基于电话控制是现在比较常用的方式，其主要是GPRS/GSM技术的应用。目前，移动电话的业务在不断的增加，GPRS/GSM技术已经比较成熟，它具有覆盖范围广、传输速度快、通讯质量高和永久在线等优点，在德国、日本、新加坡等地的家居智能化系统中都得到了广泛的应用，我国一些地方的110联动报警也采用这种方式。目前同时伴随着3G网络的大力推广，移动通信对图像以及视频的传输能力大大增强，这也会极大的促进移动电话在家居智能化中应用。

2.4执行部分

执行部分主要是负责处理各种危险信号，比如各种燃气阀门机械手，当出现火情警报信号时可以关闭燃气。现在市场上的各种类似的器件很多，只要我们做一个小电路，给它个信号就能实现既定的功能。

3总结与展望

家居智能系统是人类科技发展智慧结晶，能给人们提供安全的保障，更重要的能让人们的生活智能化，提高人们的生活质量。随着时间的推移，经济的发展，智能家居必将更多的走进普通百姓的家中。这将会成为以后很长一段时间新的研究热点。

参考文献

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