创新实验室智能控制系统(附件)
随着物联网技术的崛起和无线传感器网络技术的发展成熟，基于物联网技术的智能安全管理系统已在环境安全、智能家居、工矿安全生产等领域发挥不可替代的作用。本课题旨在将计算机与实验室设备通过网络通信技术连接在一起，实现实验室的智能控制。本系统前端感知信息模块使用光敏、红外等传感器，舵机、继电器等元器件实现各种模拟量的采集、变换等处理。系统的核心控制器使用ATmega328P-PU Arduino Uno开发板，利用MISP处理器的Arduino Yun Shield完成无线通信控制。本系统具备门禁控制、窗帘控制、红外遥控和红外报警等功能，并且在液晶显示屏上实时显示状态数据。经过测试，系统的功能和性能均符合创新实验室智能控制的要求，也可以在高校实验室或智能家居等场景推广，其应用价值具有很好的经济效益和社会效益。关键词 智能控制，Arduino，传感器
目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 国内外研究现状 1
2 系统方案设计 2
2.1 系统描述 2
2.2 系统需求分析 3
2.3 系统总体架构 3
3 硬件设计 5
3.1 无线传感器控制单元 5
3.2 传感器元件选型 6
3.3 总体控制模块 8
3.4 无线通信模块 10
3.5 显示模块 11
4 软件设计 12
4.1 无线通信设计 12
4.2 显示屏程序设计 15
4.3 主程序设计 16
5 系统测试 21
5.1 窗帘控制模块测试 21
5.2 灯光调节模块测试 22
5.3 红外遥控模块测试 24
5.4 红外报警模块测试 25
5.5 测试总结 26
结论 27
致谢 28
参考文献 29
附录A 系统样品照片 31
附录B 液晶屏寻址程序 32
1 绪论
1.1 研究背景和意义
智能 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
化是全球科技发展的一大热门趋势，无论是智能机器人的概念，还是智能家居概念。因此，将智能化与实验室相结合，既是为了提高高校学生实践创新能力，也是响应国家培养创新型人才号召，提高高校学生实践动手能力。实验室是实践教学的基础和必备硬件设施，开放性实验室为学生实践提供更加自由的空间。当前许多高校已经响应国家号召，设计并建立了创新型实验室。而目前大部分高校实验室由于实验室设备和人员配置的局限性，以及学生参与实验的随机性与流动性，其开放程度并不是很高，并没有完全实现实验室的开放化。同时，许多高校的实验室大多数是信息化管理即实验教学环节的人员信息及设备信息，能够清楚地知道实验室在教学实践时间的情况。尽管如此，众多高校实验室也并没有牵涉到实验室的智能控制。创新实验室内部环境调节、安全控制等都依赖实验管理员手动管理，不仅管理效率低，而且节能性，安全性、可靠性较差，因此开发具备智能实验室智能控制系统势在必行。
1.2 国内外研究现状
实际上，在上世纪末，实验室管理系统在一些欧美发达国家已初显雏形。伴随着第四次技术革命的浪潮越来越高，一些先进的计算机技术以及数据库技术等也被应用于实验室管理，用于管理实验室设备和安排人员值班。而国内首次提出将计算机技术应用于实验室管理却是在20世纪下半叶，因为当时国内计算机开发水平还比较低，因此国内实验室管理系统起步比较晚。国内实验室管理系统中最典型的就是“B/S实验室管理系统”[1]，此类系统主要是结合计算机技术和数据库技术，实现对实验室各项设施的信息化管理。同时，近几年智能家居的成长很是显著。智能家居概念起源虽早，但直到1984年第一栋智能建筑的建成，世界各国开始竞相建造智能家居。从第一栋智能建筑的出现到如今各种智能家居公司的崛起，也不断有学者尝试将智能家居的理念与实验室智能控制相结合。
2015年10月，北京理工大学申请了“一种基于物联网的实验室智能控制系统”[2]的专利。专利中包括投影仪，照明设备，报警装置等功能模块，不同模块将相应的控制信息发送给多路信号转换器，再由多路信号转换器进行相应的处理，实现实验室的“物联网”。2015年3月，中国科学技术大学自动化系秦琳琳等人设计实现了“基于物联网温室智能控制系统”。设计中包含现场监控，远程监控和数据库3部分，为了提高远程监控子系统的响应速度与交互性，采用了基于异步Java Script和XML技术(Ajax)的Web数据交互方式[3]。无论是采用无线路由器进行数据的转发还是利用web数据交互方式，都不能使得程序变得更加便捷且易操作。
在保证实验室性能的前提下，降低实验室的操作难度并提高维护力度，是非常有必要的。实验室智能控制系统是基于无线通信的系统，旨在为实验室人员提供更加方便操作的实验室环境，实现远程控制实验室门，窗帘以及投影仪等物，并能够实现安保预警的功能。
2 系统方案设计
2.1 系统描述
该系统用于智能控制实验室并能够对实验室的安全进行预警提醒，其整体示意图如图2.1所示。
图2.1 创新实验室智能控制系统示意图
创新实验室智能控制系统能够实现对实验室门的控制、窗帘的控制、投影仪的开关以及窗边安全预警等功能，通过无线通信完成实验室的智能控制，满足实验室人员掌握控制实验室的需求。
2.2 系统需求分析
2.2.1 功能需求分析
实验室人员通常需要掌握实验室的情况，以便更加方便控制实验室的各个部分。因此，实验室智能控制系统必须做到显示相关模块数据并能够对相应模块控制。因此需要满足下列需求：
按下实验门开关，用LED的状态代表实验门锁状态。
根据需要，精准调整窗帘的开合程度。
当外界光亮度过低或过高时，实验室的灯调整亮度。
识别设备红外编码并记录，还能再将红外编码发送出去控制相应的电器。
当有人在热释电红外检测器的检测范围内运动时，蜂鸣器发出警报。
2.2.2 经济可行性分析
目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 国内外研究现状 1
2 系统方案设计 2
2.1 系统描述 2
2.2 系统需求分析 3
2.3 系统总体架构 3
3 硬件设计 5
3.1 无线传感器控制单元 5
3.2 传感器元件选型 6
3.3 总体控制模块 8
3.4 无线通信模块 10
3.5 显示模块 11
4 软件设计 12
4.1 无线通信设计 12
4.2 显示屏程序设计 15
4.3 主程序设计 16
5 系统测试 21
5.1 窗帘控制模块测试 21
5.2 灯光调节模块测试 22
5.3 红外遥控模块测试 24
5.4 红外报警模块测试 25
5.5 测试总结 26
结论 27
致谢 28
参考文献 29
附录A 系统样品照片 31
附录B 液晶屏寻址程序 32
1 绪论
1.1 研究背景和意义
智能 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
化是全球科技发展的一大热门趋势，无论是智能机器人的概念，还是智能家居概念。因此，将智能化与实验室相结合，既是为了提高高校学生实践创新能力，也是响应国家培养创新型人才号召，提高高校学生实践动手能力。实验室是实践教学的基础和必备硬件设施，开放性实验室为学生实践提供更加自由的空间。当前许多高校已经响应国家号召，设计并建立了创新型实验室。而目前大部分高校实验室由于实验室设备和人员配置的局限性，以及学生参与实验的随机性与流动性，其开放程度并不是很高，并没有完全实现实验室的开放化。同时，许多高校的实验室大多数是信息化管理即实验教学环节的人员信息及设备信息，能够清楚地知道实验室在教学实践时间的情况。尽管如此，众多高校实验室也并没有牵涉到实验室的智能控制。创新实验室内部环境调节、安全控制等都依赖实验管理员手动管理，不仅管理效率低，而且节能性，安全性、可靠性较差，因此开发具备智能实验室智能控制系统势在必行。
1.2 国内外研究现状
实际上，在上世纪末，实验室管理系统在一些欧美发达国家已初显雏形。伴随着第四次技术革命的浪潮越来越高，一些先进的计算机技术以及数据库技术等也被应用于实验室管理，用于管理实验室设备和安排人员值班。而国内首次提出将计算机技术应用于实验室管理却是在20世纪下半叶，因为当时国内计算机开发水平还比较低，因此国内实验室管理系统起步比较晚。国内实验室管理系统中最典型的就是“B/S实验室管理系统”[1]，此类系统主要是结合计算机技术和数据库技术，实现对实验室各项设施的信息化管理。同时，近几年智能家居的成长很是显著。智能家居概念起源虽早，但直到1984年第一栋智能建筑的建成，世界各国开始竞相建造智能家居。从第一栋智能建筑的出现到如今各种智能家居公司的崛起，也不断有学者尝试将智能家居的理念与实验室智能控制相结合。
2015年10月，北京理工大学申请了“一种基于物联网的实验室智能控制系统”[2]的专利。专利中包括投影仪，照明设备，报警装置等功能模块，不同模块将相应的控制信息发送给多路信号转换器，再由多路信号转换器进行相应的处理，实现实验室的“物联网”。2015年3月，中国科学技术大学自动化系秦琳琳等人设计实现了“基于物联网温室智能控制系统”。设计中包含现场监控，远程监控和数据库3部分，为了提高远程监控子系统的响应速度与交互性，采用了基于异步Java Script和XML技术(Ajax)的Web数据交互方式[3]。无论是采用无线路由器进行数据的转发还是利用web数据交互方式，都不能使得程序变得更加便捷且易操作。
在保证实验室性能的前提下，降低实验室的操作难度并提高维护力度，是非常有必要的。实验室智能控制系统是基于无线通信的系统，旨在为实验室人员提供更加方便操作的实验室环境，实现远程控制实验室门，窗帘以及投影仪等物，并能够实现安保预警的功能。
2 系统方案设计
2.1 系统描述
该系统用于智能控制实验室并能够对实验室的安全进行预警提醒，其整体示意图如图2.1所示。
图2.1 创新实验室智能控制系统示意图
创新实验室智能控制系统能够实现对实验室门的控制、窗帘的控制、投影仪的开关以及窗边安全预警等功能，通过无线通信完成实验室的智能控制，满足实验室人员掌握控制实验室的需求。
2.2 系统需求分析
2.2.1 功能需求分析
实验室人员通常需要掌握实验室的情况，以便更加方便控制实验室的各个部分。因此，实验室智能控制系统必须做到显示相关模块数据并能够对相应模块控制。因此需要满足下列需求：
按下实验门开关，用LED的状态代表实验门锁状态。
根据需要，精准调整窗帘的开合程度。
当外界光亮度过低或过高时，实验室的灯调整亮度。
识别设备红外编码并记录，还能再将红外编码发送出去控制相应的电器。
当有人在热释电红外检测器的检测范围内运动时，蜂鸣器发出警报。
2.2.2 经济可行性分析
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