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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：A02110021Base on FPGA Intelligent WindowName：Li TingtingTutor：Cui TianshiCollege：College of Electronic and Information
2、Major：Electronic Information EngineeringDirection：Intelligent Detection and ControlNortheast Agricultural UniversityHarbin ChinaMay 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。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
3、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 Cyclone 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、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
4、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1-I-IV-Base on FPGA Intelligent WindowAbstractWith the rapid development of electronic technology, automatic control technology, the application of sensing technology and increasing peoples living standards, the smart home concept has been widel
5、y accepted, with 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. Based on the current development trend of smart home market demand, the paper market demand-orie
6、nted design of a new, economical smart window control system.According FPGA smart window control system needs to reach the overall demand, by adjusting the hardware components, software components and mechanical parts, the smart window control system is divided into the following modules: temperatur
7、e detection module, CO2 gas detection module, and Quartus II development software and GSM communication modules. In order to achieve smart window temperature monitoring, gas monitoring and remote control of smart windows.The overall program design using FPGA Cyclone IV family EP4CE6F17C8N as the cor
8、e 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 parameters The acquisition, by the communication module TC35i GSM remote control functions. Thus a relative
9、ly stable performance to achieve the basic functions of smart windows for people to create a more comfortable and convenient living environment intelligent. Keywords: The Intelligent Window; The Sensor; The GSM Communication Module- IV -目 录摘 要IAbstractII1 前言11.1 研究背景11.2 国内外研究现状11.3 本设计的主要内容22 研究方案3
10、2.1 研究目标32.2 研究内容32.3研究方法及技术问题32.4 设计中所需解决的关键问题52.5 实验方案53 硬件设计63.1 FPGA的介绍63.2温度检测模块73.2.1 温度传感器的选择73.2.2 温度检测模块电路83.2.2.1 DS18B20的工作状态83.2.2.2 DS18B20有两种供电接法93.3 CO2气体检测模块93.3.1 CO2气体传感器93.3.2 CO2气体传感器工作原理113.3.3 CO2气体传感器外围接口电路113.4 GSM通信模块123.4.1 GSM的介绍123.4.2 TC35i的介绍123.4.3 TC35i硬件原理图（见附录）143.5
11、 显示器模块143.6 电机设备153.7 窗户机械模型模块163.7.1 自动开关窗任务分析163.7.2 齿轮齿条参数选择173.7.3 自动开关窗机械模型174 软件设计184.1 FPGA的开发环境与工具184.1.1 Quartus II 开发软件184.1.2 硬件描述语言（HDL）204.2 控制器对DS18B20操作214.3 实现电机动作234.4 实现中文短信发送254.4.1 无线通信模块初始化254.4.2 无线通信模块发送短信息264.4.3 无线通信模块接收短信息275 应用与推广275.1 智能窗的基本应用275.2 智能窗的推广及演变286 结论29参考文献30
12、致 谢32附 录33-IV-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。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
13、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
14、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”。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
15、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
