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基于Web的智能家居控制器的设计与实现

基于Web的智能家居控制器的设计与实现

作者：刘承磊山东农业大学

学位级别：硕士

智能家居是以住宅为平台,利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成,构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统,提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性,并实现环保节能的... 详细信息

智能家居是以住宅为平台,利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成,构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统,提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性,并实现环保节能的居住环境。智能家居作为综合国力和科技水平的具体体现,其特点和优势明显,具有广阔的市场前景。它不仅能为人们提供安全、舒适、节能、高效的工作和生活环境,还能运用现代高新技术,把有限的资金和有限的建筑空间进行综合开发利用,既节省建筑运行费用,又保护环境和有限的资源。智能家居的目标是使用多种方法和设备来提高人们的生活质量,使家庭生活变得更加舒适、安全和有效。随着信息技术的发展,互联网技术已经深入到人们生活中的方方面面。因此将家庭内部各种设备接入互联网,通过互联网对家庭内部各种设备进行操作成为可能。本课题旨在设计一种成本低廉、面向家庭的的远程智能家居控制器,主要用于控制电灯、电冰箱、空调等家用电器的运行状态。智能家居控制器采用ARM处理器S3C44B0作为核心处理单元,硬件平台由S3C44B0和以太网控制器CS8900等器件组成,软件主要以精简TCP/IP协议栈为核心,两者共同组建了嵌入式智能家居WEB服务器。精简TCP/IP协议栈包括了以太网控制器驱动程序、ARP协议模块、IP协议模块、ICMP协议模块、TCP协议模块和HTTP协议模块。在HTTP协议的基础上,建立了嵌入式WEB服务器TCP/IP Lean。用户可以使用任意的浏览器对家居中的设备和环境进行检测和控制。本文设计了基于ARM的嵌入式处理器,实现了简单的智能家居控制器,可以远程控制家中的电灯、电冰箱等家电,充分的发挥了32位处理器的优势,有效解决了PC作为控制中心的不足(比如体积大,功耗大,成本高等问题),本课题设计的系统完成了阶段性的设计目标,但由于时间原因,本课题还有很多需要完善的部分,例如,实现“三表”的远程数据传送。

关键词： TCP/IP协议栈智能家居设计

Cd、Pb作用下土壤碱性磷酸酶活性的Hormesis效应及预测

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Cd、Pb作用下土壤碱性磷酸酶活性的Hormesis效应及预测

作者：刘承磊南京林业大学

学位级别：硕士

Hormesis即毒物兴奋效应,是机体对毒物的一种应激反应,通常表现为低剂量刺激高剂量抑制的特点。土壤酶作为土壤中参与各种生理生化过程的重要组分之一,是土壤生态系统Hormesis研究的理想测试终点。目前有关镉(Cd)、铅(Pb)影响下土壤酶Ho... 详细信息

Hormesis即毒物兴奋效应,是机体对毒物的一种应激反应,通常表现为低剂量刺激高剂量抑制的特点。土壤酶作为土壤中参与各种生理生化过程的重要组分之一,是土壤生态系统Hormesis研究的理想测试终点。目前有关镉(Cd)、铅(Pb)影响下土壤酶Hormesis效应研究备受关注,而以往的研究主要集中在二者的独立作用,对两者复合作用下的特征及预测的研究还很不充分。本研究以崇明东滩湿地、洪泽湖河湖交汇区湿地以及伊犁河谷湿地为例,采集14种土地利用/覆被方式下的土壤样品,采用固定比率射线设计方法,研究:(1)Cd、Pb独立及复合作用下,不同土地利用/覆被方式土壤碱性磷酸酶(ALP)活性的Hormesis效应;(2)Hormesis效应特征参数与土壤基础理化性状之间的关系;(3)基于Cd、Pb独立作用下的Hormesis效应预测二者复合效应的变化,为复合Hormesis效应的预测及重金属复合污染的毒理学效应评估提供理论依据。本研究主要研究结果与结论如下:(1)Cd独立作用下,三类湿地12种土地利用/覆被方式下土壤ALP活性出现明显的Hormesis效应,最大效应浓度(M)变化在0.7-4.6 mg/kg之间,刺激区间(ZEBP)大小在1.4-4.7 mg/kg之间,最大刺激率(y)为6.6-23.9%。相比较而言,Pb独立作用下,三类湿地13种土地利用/覆被方式下土壤ALP活性出现明显的Hormesis效应,M变化在141.4-454.6 mg/kg之间,ZEBP大小在84.6-526.8 mg/kg之间,y为5.5-12.8%。Cd诱导下土壤ALP活性的Hormesis效应强度明显高于Pb。(2)RDA分析表明:Cd独立作用下,M和y的主要影响因子为2-63μm和63-200μm粒径土壤的含量,ZEBP的主要影响因子为63-200μm粒径土壤的含量与土壤全氮(TN)。相比较而言,Pb独立作用下,M的主要影响因子为土壤EC,但ZEBP和y的主要影响因子均为2-63μm和63-200μm粒径土壤的含量。由此可见,土壤质地(粒径差异)可能主导着Hormesis效应强度的高低。(3)Cd、Pb复合作用下三类湿地土壤ALP活性都出现了明显的Hormesis效应。当35-75%(1.75-3.75 mg/kg)的Cd与25-65%(125-325 mg/kg)的Pb混合时易于诱导土壤ALP活性表达Hormesis效应,三类湿地最大刺激幅度的高低表现为洪泽湖(9.8-50.3%)>崇明东滩(6.4-13.2%)>伊犁河谷(5.4-7.8%)。进一步分析表明:Cd、Pb复合作用时土壤ALP活性的变化由混合物中Pb的浓度主导。(4)Cd、Pb复合作用下土壤ALP活性的Hormesis效应很难通过Belz提出的传统线性模型进行预测。基于以往对复合Hormesis效应的研究中提出的二元线性关系与Belz模型相结合,采用数据拟合以及相曲线估计的方法,提出了一个二元线性预测模型μ=α×μ×p+β×μ×(1-p)+γ,该模型可以很好的预测土壤生态系统中Cd、Pb复合作用下土壤ALP活性的Hormesis效应。进一步分析表明:土壤全氮(TN)和200-2000μm粒径土壤的含量是模型参数α、β和γ的重要影响因子。

关键词： Hormesis 镉铅土壤碱性磷酸酶预测模型

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移乘背抱护理机器人舒适性生物力学模型分析

天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2024年第1期57卷 95-104页

作者：刘腾代吉张建军刘承磊郭士杰河北工业大学机械工程学院天津300130 天津大学装备设计与制造技术天津市重点实验室天津300350

为探索移乘背抱护理机器人人机交互力学特性与被护理人舒适性感受的潜在关联,研究显性的人机接触力相对于人体生物力学特性的映射关系,揭示影响被护理人舒适性的主要作用肌群,提出了舒适性测试试验与AnyBody背抱运动人体生物力学模型相... 详细信息

为探索移乘背抱护理机器人人机交互力学特性与被护理人舒适性感受的潜在关联,研究显性的人机接触力相对于人体生物力学特性的映射关系,揭示影响被护理人舒适性的主要作用肌群,提出了舒适性测试试验与AnyBody背抱运动人体生物力学模型相结合的方法.从被护理人的肌肉激活程度入手,对移乘背抱护理机器人背抱运动舒适性特征进行了分析.首先,介绍了移乘背抱护理机器人典型结构工作原理并进行了运动学分析,在此基础上搭建了舒适性测试试验系统,基于主观舒适性评分规划了服务于试验的基础运动轨迹,并通过试验得到了人机主要接触部位力学信息.然后,以试验数据为边界条件构建了基于AnyBody的背抱运动人体生物力学模型,依托逆动力学仿真分析得到了肌肉激活程度,并对比舒适性测试肌肉激活程度验证了仿真模型的有效性.最后,结合人机主要接触部位受力、肌肉激活程度及主观舒适性评分综合分析了移乘背抱护理机器人背抱运动舒适性特征,明确了影响被护理人舒适性的主要作用肌群.结果表明:影响被护理人舒适性的主要作用肌群有7个,且被护理人胸部压力与腋下压力值大小分别与影响其躯干和上肢舒适性的肌肉激活程度呈正相关.可通过建立胸部压力与腋下压力值相关的加权函数有效描述不同被护理人整体舒适性特征,为移乘背抱护理机器人舒适性运动控制提供了理论依据.

关键词：移乘背抱护理机器人人体生物力学模型肌肉激活程度背抱运动舒适性

面向踝关节康复的四自由度广义球面并联机构运动学性能

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机械工程学报 2021年第21期57卷 45-54页

作者：刘承磊张建军牛建业刘腾戚开诚郭士杰河北工业大学机械工程学院天津300401 河北省机器人感知与人机融合重点实验室天津300130 河北工业大学国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心天津300401

针对现有踝关节康复机器人运动特性与人体踝关节实际运动特性存在明显差异,导致人机相容性不理想的问题,基于高匹配度的U_(1)U_(2)型踝关节运动拟合模型,提出一种适用于踝关节康复且结构紧凑的四自由度广义球面并联机构。基于螺旋理论... 详细信息

针对现有踝关节康复机器人运动特性与人体踝关节实际运动特性存在明显差异,导致人机相容性不理想的问题,基于高匹配度的U_(1)U_(2)型踝关节运动拟合模型,提出一种适用于踝关节康复且结构紧凑的四自由度广义球面并联机构。基于螺旋理论分析其运动及约束特性,论证其与踝关节运动拟合模型运动的一致性;分别建立机构的位置及姿态运动学模型,证明了该机构的位置与姿态之间运动学完全解耦;基于雅可比矩阵极其条件数分析,阐明该机构在纯背伸趾屈和纯内外翻运动中均具有运动学的完全各向同性性质,且在踝关节工作空间内具有较好的灵巧性及可操作度,并无奇异位形等病态位置存在,通过数据对比验证该机构具有较好的运动学特性,适用于踝关节康复。

关键词：踝关节康复运动拟合模型广义球面并联机构运动学分析

基于工作空间的踝关节康复广义球面并联机器人运动学参数优化

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中国机械工程 2021年第16期32卷 1921-1929页

作者：刘秀莹张建军刘承磊牛建业戚开诚郭士杰河北工业大学机械工程学院天津300130 河北省机器人感知与人机融合重点实验室天津300130

为了解决现有踝关节康复机器人难以完全拟合人体踝关节运动的问题,在仿生学的基础上,提出了一种高匹配度的踝关节运动串联拟合模型,并研发了一款新型的三自由度广义球面并联机器人。为研究该并联机器人的拟合能力,基于螺旋理论分析了其... 详细信息

为了解决现有踝关节康复机器人难以完全拟合人体踝关节运动的问题,在仿生学的基础上,提出了一种高匹配度的踝关节运动串联拟合模型,并研发了一款新型的三自由度广义球面并联机器人。为研究该并联机器人的拟合能力,基于螺旋理论分析了其自由度特性,建立了机构的运动学模型,并在逆运动学的基础上阐明该机器人具有部分解耦特性。根据机器人具有双球心的特点,求解了动球心和动平台可达工作空间。最后,以踝关节运动拟合模型的工作空间与机器人的工作空间的匹配度为目标函数,采用遗传算法对运动学参数进行了优化。对比研究机器人与模型的工作空间散点图,并求得有效工作空间比分别为0.79和0.86,结果表明优化后的广义球面并联机器人工作空间能够满足踝关节的运动要求。

关键词：踝关节康复广义球面并联机器人逆运动学工作空间参数优化

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面向踝部康复的广义球面并联机构型综合

机械工程学报 2020年第19期56卷 79-91页

作者：刘承磊张建军戚开诚牛建业李为民郭士杰河北工业大学机械工程学院天津300130 河北省机器人感知与人机融合重点实验室天津300130

针对现有踝关节康复机器人难以充分拟合踝关节复杂运动,人机相容性较差的问题,提出一系列与踝关节实际骨结构匹配程度更高的串联等效拟合模型。为满足踝关节串联等效拟合模型对康复机器人机构本体的功能需求,给出一种具有串联等效拟合... 详细信息

针对现有踝关节康复机器人难以充分拟合踝关节复杂运动,人机相容性较差的问题,提出一系列与踝关节实际骨结构匹配程度更高的串联等效拟合模型。为满足踝关节串联等效拟合模型对康复机器人机构本体的功能需求,给出一种具有串联等效拟合模型的广义球面并联机构型综合方法。首先枚举出广义球面机构的基本构件及运动副,并依此构造出广义球面支链。继而基于螺旋理论分析单支链以及多支链组合对动平台的约束性能,给出支链的组合条件与原则,阐明不同支链在机构中作用的异同,并依此归纳出位置支链和姿态支链两类广义球面基本支链。最后基于基本支链的约束特性,根据支链组合条件,综合出一系列适用于踝关节康复机器人本体研究的广义球面并联机构,并通过螺旋理论证明其与踝关节串联等效拟合模型的自由度数及性质具有一致性,为此类康复机器人本体设计提供理论依据。

关键词：踝关节康复并联机构广义球面机构型综合

驱动支链完全解耦的可重构踝关节康复并联机构型综合

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机械工程学报 2022年第19期58卷 45-56页

作者：魏俊贾维涵刘承磊张建军黄海晶郭士杰河北工业大学机械工程学院天津300401 河北省机器人感知与人机融合重点实验室天津300401 天津大学天津医院足踝一病区天津300211

基于术后6~12周内的前、中、后期踝关节扭伤的康复运动需求,提出具有三种康复运动模式的可重构踝关节康复并联机构。首先,针对胫距关节和距下关节的轴线运动特征,研究踝关节康复运动切换机理和“双心”特性,提出符合踝关节自由度和轴线... 详细信息

基于术后6~12周内的前、中、后期踝关节扭伤的康复运动需求,提出具有三种康复运动模式的可重构踝关节康复并联机构。首先,针对胫距关节和距下关节的轴线运动特征,研究踝关节康复运动切换机理和“双心”特性,提出符合踝关节自由度和轴线运动特性的六种融合支链;根据构型约束支链的选取方案,筛选出四种无约束支链。其次,基于旋量理论对六种融合支链进行过约束设计,验证符合实际需求的融合支链;根据传递力旋量与动平台运动轴线关系,提出一种驱动支链完全解耦优化方法,得到三种无约束驱动支链以及十二种机构构型,使得机构在三种康复模式中实现完全解耦。最后,通过ADAMS仿真验证机构的三种运动分支及完全解耦的正确性。可重构踝关节康复机器人依据患者康复需求采取对应康复模式,适用范围广,针对性强,控制简单。

关键词：踝关节康复可重构机构型综合过约束设计完全解耦融合支链

踝关节康复四自由度广义球面并联机构的运动学分析及尺度优化

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生物医学工程学杂志 2021年第2期38卷 286-294页

作者：刘旭升张建军刘承磊牛建业戚开诚郭士杰河北工业大学机械工程学院天津300401 河北省机器人感知与人机融合重点实验室天津300130

剖析人体踝关节生理结构及运动特性,提出一种四自由度广义球面并联机构来满足踝关节康复运动需求。采用螺旋理论分析机构运动特性,基于球坐标描述位置、欧拉角描述姿态的方法,建立机构位置逆解封闭矢量方程。根据逆解约束条件分析机构... 详细信息

剖析人体踝关节生理结构及运动特性,提出一种四自由度广义球面并联机构来满足踝关节康复运动需求。采用螺旋理论分析机构运动特性,基于球坐标描述位置、欧拉角描述姿态的方法,建立机构位置逆解封闭矢量方程。根据逆解约束条件分析机构工作空间,以机构动球心工作空间匹配踝部胫距关节运动空间、动平台工作空间匹配踝部距下关节运动空间为目标,采用遗传算法对机构关键尺度参数进行优化设计。研究结果表明,该广义球面并联机构工作空间能够满足人体踝关节康复实际运动空间。通过本文研究结果,可为高匹配度踝关节康复机器人本体设计提供理论依据和实验参考。

关键词：踝关节康复广义球面并联机构位置逆解工作空间尺度优化

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基于正态分布的腐蚀管道剩余寿命预测方法

腐蚀与防护 2023年第3期44卷 100-106,118页

作者：刘承磊杨静祝明张畅关喆肖宁劲中油管道检测技术有限责任公司油气管道输送安全国家工程实验室廊坊065000

由于常规的腐蚀管道剩余寿命预测方法存在过度保守和缺乏合理性的问题,分析了内检测数据中系统测量误差和随机误差的来源和特点,确定了内检测数据调整方法。基于正态分布原理建立了管道缺陷生长速率计算模型,采用95%上限分位数对应的生... 详细信息

由于常规的腐蚀管道剩余寿命预测方法存在过度保守和缺乏合理性的问题,分析了内检测数据中系统测量误差和随机误差的来源和特点,确定了内检测数据调整方法。基于正态分布原理建立了管道缺陷生长速率计算模型,采用95%上限分位数对应的生长速率预测含缺陷管道的剩余寿命,该方法同时考虑了维修计划的保守性和合理性。结合典型工程案例对剩余寿命预测结果进行对比分析,发现改进后的剩余寿命预测方法有助于建立更加科学合理的维护响应策略,提升管道运营效率。

关键词：内检测生长速率数据误差正态分布剩余寿命预测