哈爾濱理工大學測試技術與通信工程學院 李冬明 王丹丹 吳海微

1.引言

隨著社會的快速發(fā)展，生活水平越來越高，安全意識也在逐步提升。在這種情況下，小型家用智能門鏡開發(fā)就非常有必要和前景了，它為人們的生命財產安全提供更好的保障。

相比現(xiàn)在市場上的只有報警功能的門鏡來說，本設計研究的家用智能門鏡的功能更加強大，能實時的遠程監(jiān)控裝有門鏡的環(huán)境，人體紅外探測及報警，提供圖片存儲功能，以及煙霧、震動、溫度的監(jiān)測及報警，能為用戶的人身和財產安全提供更好的保證。設計出這種小型的家用智能門鏡，還具有一定存儲能力、小型化、宜于安裝、并能在PC機上回放的功能。

2.系統(tǒng)模型

本系統(tǒng)的目的是實現(xiàn)對居住環(huán)境的溫度、震動、人體紅外探測數(shù)據(jù)的采集、分析、處理。系統(tǒng)由遠端的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)發(fā)送平臺、監(jiān)控平臺三部分組成，其中數(shù)據(jù)采集完成對居住環(huán)境的詳細信息采集及分類，數(shù)據(jù)發(fā)送平臺實現(xiàn)FTP傳輸，監(jiān)控平臺實現(xiàn)對數(shù)據(jù)分析、顯示及報警。本系統(tǒng)綜合利用了LabVIEW技術、ftp技術、Serv-U軟件技術、單片機技術、紅外觸發(fā)技術、紅外柵欄技術、震動傳感和溫度傳感技術。

3.設計方案

本設計本著高效的監(jiān)控系統(tǒng)及低成本的思想，核心處理芯片采用STM8S105系列單片機，這是一款低成本處理器，完全滿足設計要求，數(shù)據(jù)傳輸及處理采用LabVIEW編程，LabVIEW是通用的編程系統(tǒng)，由于它能完成任何編程任務的龐大函數(shù)庫，所以本設計大部分功能是利用它來實現(xiàn)軟件的設計。Serv-U是目前眾多的FTP服務器軟件之一，通過使用Serv-U，用戶能夠將任何一臺PC設置成一個FTP服務器，這樣，用戶或其他使用者就能夠使用FTP協(xié)議，通過在同一網(wǎng)絡上的任何一臺PC與FTP服務器連接，本設計用它來實現(xiàn)照片和數(shù)據(jù)的傳輸。本設計的總體框架圖如圖1所示。

圖1 家用智能門鏡總設計框

圖2 數(shù)據(jù)采集前面板

圖3 FTP傳輸前面板

圖4 顯示界面

本設計是利用單片機來采集紅外接近模塊、紅外柵欄模塊、溫度傳感模塊、煙霧傳感模塊以及震動傳感模塊的數(shù)據(jù)。然后利用工控主板來采集單片機上的數(shù)據(jù)并且進行分析。再把每半秒采集來的數(shù)據(jù)和照片通過ftp實時傳送到上位機上，在上位機上進行存儲，并且同時把圖片和數(shù)據(jù)以及報警的時間進行顯示。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊設計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務，就是采集傳感器輸出的模擬信號并轉換計算機能識別的數(shù)字信號，然后送入計算機進行相應的計算和處理，得出所需的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的好壞，主要取決于它的精度和速度。

數(shù)據(jù)采集模塊用于采集用戶住宅詳細信息和數(shù)據(jù)上傳至工控主板，安裝于用戶家里，主要由STM8S單片機、紅外人體探測模塊、紅外柵欄模塊、溫度傳感模塊、煙霧傳感模塊以及震動傳感模塊。

（1）各個模塊概述

紅外接近模塊：紅外人體接近模塊的工作原理是紅外熱釋電傳感器產生的檢測電流經行信號調理模塊處理、放大，之后轉化成有效的信號送入單片機。本設計采用紅外熱釋電傳感器專用信號處理芯片BISS0001來完成入侵信號的處理放大。BISS0001是由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間和封鎖時間定時器及參考電壓源等構成的數(shù)?；旌霞呻娐贰ISS0001與紅外熱釋電傳感器LHi778的連接電路。當有人在一定范圍內接近時傳感器發(fā)生觸發(fā)，進過一系列的變化就會輸出高電平。

紅外柵欄模塊：當有人隔斷柵欄的對射的紅外線時就會輸出高電平，單片機就會采集到高電平的數(shù)據(jù)，證明有人經過。

溫度傳感模塊：當室內的溫度發(fā)生變化時，溫度傳感的數(shù)據(jù)就會發(fā)生變化，通過單片機能采集到室內的溫度。這樣能為用戶帶來更加舒適的環(huán)境。

煙霧傳感模塊：它在內外電離室里面有放射源镅241，電離產生的正、負離子，在電場的作用下各自向正負電極移動。在正常的情況下，內外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。一旦有煙霧竄逃外電離室。干擾了帶電粒子的正常運動，電流，電壓就會有所改變，破壞了內外電離室之間的平衡，于是就會發(fā)出報警的信號，把數(shù)據(jù)送到單片機。

震動傳感模塊：它是被放在門上的，當有人開門時就會使電阻發(fā)生變化，這樣用戶可以根據(jù)電阻的變化來判斷是否有人開門。

（2）系統(tǒng)軟件設計

單片機是用來采集各個模塊的數(shù)據(jù)，并且通過I/O口輸出，在經過LabVIEW的軟件編程在工控主板上來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集于分析。為了能用計算機處理信號，須將采樣信號轉換成數(shù)字信號，也就是將采樣信號的幅值用二進制碼來表示，由于二進制碼的位數(shù)是有限的，只能代表有限個信號的電平，故在編碼之前，首先要對采樣信號進行“量化”。開辟一段循環(huán)緩沖區(qū)，設備連續(xù)采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)向緩沖區(qū)中存放的同時，LabVIEW依據(jù)設置，將緩存中的數(shù)據(jù)一段一段地讀取出來。最常用的采集方式，即連續(xù)采集。需要注意，程序讀取數(shù)據(jù)的速度要不慢于設備往緩沖區(qū)中存放數(shù)據(jù)的速度，這樣才能保證連續(xù)運行時，緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)不會溢出。

可以通過調節(jié)以下3個參數(shù)來達到上述要求：

1）buffer size（緩存的大?。?/p>

2）scan rate（采樣速率）

3）number of scans to read at a time（每次讀取的樣本數(shù)）

根據(jù)軟件的設計方案，利用LabVIEW圖形語言的編程環(huán)境，開發(fā)出了一套模塊化、用戶界面友好的測試系統(tǒng)如圖2所示。

用戶可以在圖形顯示控件里設置COM口，對緩沖區(qū)大小及等待時間等操作以便于觀察。該界面操作方便，在PC設備管理器里找到對應的串口即VIAS資源名稱，修改緩沖區(qū)大小默認為4096字節(jié)，點擊運行即可采集出單片機中的數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

該模塊主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)在利用無線網(wǎng)絡進行上傳，在保證能接受到服務器上傳的文件之后，找到照片及數(shù)據(jù)的地址，點擊運行即可實時的顯示服務器上傳的移動基站發(fā)電機的工作環(huán)境狀況，對于傳輸技術，主要有以下三種：

（1）遠程設備訪問（RDA）技術

（2）DataSocket技術

（3）其它技術

在分析了幾種遠程方法之后，既要實現(xiàn)監(jiān)控又要考慮經濟等方面的因素，選擇了通過FTP協(xié)議，通過建立局域網(wǎng)，實時的對發(fā)電機的工作環(huán)境實現(xiàn)監(jiān)控。監(jiān)控了室內的溫度、人體紅外探測、開門報警等的基本情況，這部分的程序員主要考慮LabVIEW的遠程實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，主要有以下三種方法：

（1）遠程設備訪問（RDA）技術

利用LabVIEW編程實現(xiàn)，結合FTP服務器軟件Serv-U，實現(xiàn)從服務器到客戶端的實時傳輸。圖像監(jiān)控采用高清外置攝像頭，存儲于服務器，通過無線路由器及Serv-U實現(xiàn)服務器與客戶端實現(xiàn)FTP傳輸數(shù)據(jù)集圖片。

（2）簡單的Serv-U介紹

Serv-U軟件（Serv-U是目前眾多的FTP服務器軟件之一。通過使用Serv-U，用戶能夠將任何一臺PC設置成一個FTP服務器，用戶或其他使用者就能夠使用FTP協(xié)議，通過在局域網(wǎng)的任何一臺PC與FTP服務器連接，進行文件或目錄的復制，移動，創(chuàng)建，和刪除等。這里提到的FTP協(xié)議是專門被用來規(guī)定計算機之間進行文件傳輸?shù)臉藴屎鸵?guī)則，正是因為有了像FTP這樣的專門協(xié)議，才使得人們能夠通過不同類型的計算機，使用不同類型的操作系統(tǒng)，對不同類型的文件進行相互傳遞。）建立了即可完成服務器與客戶端的局域網(wǎng)連接，完成通信。

（3）LabVIEW實現(xiàn)無線網(wǎng)絡傳輸

如下圖的程序來實現(xiàn)照片和數(shù)據(jù)的實時傳輸，把每0.5秒（可以更改）采集來的照片和數(shù)據(jù)利用ftp協(xié)議實時的傳到上位機上。

首先必須保證服務器與客戶端處在一個局域網(wǎng)內，主機即為客戶機的IP地址，用戶名是客戶機及密碼是客戶機自己設置的，端口號21（FTP服務器所開放的端口，用于上傳、下載），Local path為服務器存儲的照片及數(shù)據(jù)的地址。

經過以上的程序即可建立服務器的FTP服務，由于設計的是將各部分數(shù)據(jù)點的數(shù)據(jù)匯總到主機，設計上采用服務器及客戶端模式，由于服務器設計能通過Serv-U的設置訪問客戶機的文件，所以只需要設計服務器上傳即可，不需要設計客戶機的程序，服務器可以將文件傳輸?shù)娇蛻魴C自己設置好的位置，在保證了雙方能通信的情況下，設計其工作模式：

1）客戶機Serv-U處于工作狀態(tài)，監(jiān)聽通信端口，等待服務器上傳文件。

2）服務器建立連接開啟FTP。

3）選擇需要上傳的文件地址local path。

4）點擊運行即可進行數(shù)據(jù)傳輸。

3.3 數(shù)據(jù)分析、處理模塊

讀取傳輸過來的數(shù)據(jù)，將字符串轉化為數(shù)組進行處理，關鍵即為怎么對數(shù)據(jù)處理及報警的，取出對應的行量，和不能超過的最大值進行比較，若比它大則就報警，報警燈閃爍，否則只記入數(shù)據(jù)即可。在報警的同時，為實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)，就得必須記入時間，以便可以對記錄進行查詢，提高家用門鏡的工作性能。

圖4為客服端顯示圖片和數(shù)據(jù)的界面，當沒有報警時燈是綠色的，當超過設置的基準數(shù)據(jù)時就會出現(xiàn)報警（即報警燈紅色）點擊可以進入報警記錄界面，就會看到相應項目的報警的時間顯示。這個界面操作起來十分的簡單，功能齊全，用戶可以十分清晰地觀察到家里的安全性。

4.結束語

通過對本設計的研究，已經完成了具有實時拍照、實時傳輸、照片存儲、人體紅外報警、紅外柵欄報警、煙霧報警、振動報警及溫度顯示功能的家用智能門鏡。為用戶的人身財產安全提供很好的保障。

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