基于FPGA智能窗控制系统 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 .................................................................................................... 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
-III-
基于FPGA智能窗控制系统 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。
- 1 -
基于FPGA智能窗控制系统 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。
- 2 -
基于FPGA智能窗控制系统 2 研究方案
2.1 研究目标
本设计旨在提出一种基于 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，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） 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
- 3 -
基于FPGA智能窗控制系统 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。
确定方案选择器件硬件设计N硬件测试Y制电路板软件设计软件测试NY综合调试N调试成功Y项目结题
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
- 4 -