馬玉娟，楊國(guó)華，2，衛(wèi)寧波，張 康，喬月妮

(1.寧夏大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化系， 寧夏 銀川 750021；2.寧夏沙漠信息智能感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750021)

基于ARM-LabVIEW的家居安防監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馬玉娟1，楊國(guó)華1，2，衛(wèi)寧波1，張 康1，喬月妮1

(1.寧夏大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化系， 寧夏 銀川 750021；2.寧夏沙漠信息智能感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750021)

隨著人們對(duì)居住環(huán)境的舒適度及家庭安全防范要求的提高，設(shè)計(jì)新型高效家居環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)顯得尤為重要。采用ARM Cortex a8芯片作為嵌入式系統(tǒng)處理器，運(yùn)用STC12C5410AD無線模塊實(shí)現(xiàn)家用電器的遠(yuǎn)程開關(guān)控制，選用AM2305溫濕度傳感器以及ZYMQ-2氣體傳感器實(shí)現(xiàn)報(bào)警數(shù)據(jù)的采集，USB攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，利用LabVIEW圖形化軟件，通過開發(fā)環(huán)境的搭建、軟件程序的移植與設(shè)計(jì)等過程設(shè)計(jì)了一套家居智能安防系統(tǒng)。最后，系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試表明，該系統(tǒng)不僅監(jiān)控界面友好、便于操作，而且測(cè)試成本低、效率高、可擴(kuò)展性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，滿足智能家居安防監(jiān)控的要求。

ARM；LabVIEW；數(shù)據(jù)采集；家居安防

智能家居是一種兼?zhèn)浣ㄖ?、信息家電、設(shè)備自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)通信，集成系統(tǒng)、服務(wù)、結(jié)構(gòu)、管理為一體且以住宅為平臺(tái)的智能化居住環(huán)境。智能家居系統(tǒng)是利用綜合布線技術(shù)、先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)將家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)，如安防、燈光控制、各類信息家電等有機(jī)地結(jié)合在一起，通過網(wǎng)絡(luò)化綜合智能控制和管理，有效提升家居環(huán)境的安全性、節(jié)能性和舒適性[1]。

從智能家居在中國(guó)市場(chǎng)的發(fā)展情況來看，雖然目前智能家居系統(tǒng)已出現(xiàn)了不少的研究公司和產(chǎn)品，有了進(jìn)一步的發(fā)展，但整體市場(chǎng)仍處于初級(jí)發(fā)展階段，且傳統(tǒng)的對(duì)智能家居安防的研究多采用電纜和電話線有線監(jiān)控方式，存在布線復(fù)雜、維護(hù)費(fèi)用高、監(jiān)控不準(zhǔn)時(shí)等問題[2]；操作環(huán)境多采用Linux系統(tǒng)，作為軟件開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)費(fèi)時(shí)，并且QT控制界面步驟繁多、編程需要C與C++交叉編譯，工作量大，操作起來有一定的困難[3]，容易讓用戶產(chǎn)生排斥心理。因此，本文提出的系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)來降低功耗和成本，利用LabVIEW圖形化編程功能能方便直觀地實(shí)現(xiàn)操作界面的開發(fā)，充分考慮用戶的體驗(yàn)，結(jié)合有線與無線兩種通信網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展應(yīng)用范圍，引入模塊化設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)的開放性的設(shè)計(jì)思路，最終構(gòu)建一個(gè)家居服務(wù)平臺(tái)，特別是通過無線控制家電技術(shù)，提高其操作的便捷性，使得操作所見即所得。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)功能

智能家居系統(tǒng)是一種能夠?qū)矣秒娖?、安防設(shè)備和數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行智能化監(jiān)控的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括煤氣檢測(cè)模塊、高溫報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和家電控制模塊等[4]。其中煤氣檢測(cè)模塊、高溫報(bào)警模塊具有安防的功能，對(duì)家居環(huán)境的安全性提供保障；數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)的溫度濕度、煙霧煤氣等物理量進(jìn)行采集，并把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋給主控模塊，主控模塊作出相應(yīng)處理，調(diào)用相應(yīng)的控制模塊對(duì)風(fēng)扇、照明燈具和智能窗簾等家電設(shè)備進(jìn)行控制，以便為用戶提供一種安全、便捷、舒適的居住環(huán)境。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊是用來存放系統(tǒng)中的各類設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備異常記錄等信息，從而方便用戶查看歷史記錄。

2.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)以ARM Cortex a8為核心處理器，Wince嵌入式系統(tǒng)為家居總中心監(jiān)控系統(tǒng)，使用LabVIEW完成了控制程序及人機(jī)界面的編寫，系統(tǒng)通過各類傳感器模塊采集家居環(huán)境的溫濕度、煙煤氣體濃度等信息，外圍設(shè)備有USB攝像頭、LCD顯示屏、SD卡，底層鏈路可分為有線與無線兩路，有線經(jīng)Modbus通信協(xié)議，通過RS-485總線送入裝有Wince的嵌入式監(jiān)控平臺(tái)，完成對(duì)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的顯示、分析、存儲(chǔ)和報(bào)警功能，并根據(jù)相應(yīng)參數(shù)完成對(duì)燈光、空調(diào)、窗簾等家居設(shè)備的自動(dòng)控制；無線模塊通過STC12C5410AD模塊，主要完成對(duì)家居設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。遠(yuǎn)程用戶可通過局域以太網(wǎng)或WiFi訪問整個(gè)家居環(huán)境。本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3 硬件接口設(shè)計(jì)

3.1 無線模塊電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)無線通信模塊采用STC12C5410AD單片機(jī)，此模塊具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾能力，兼容8051功能且速度比8051要快8～12倍， 單片機(jī)STC12C5410AD幾乎包括了數(shù)據(jù)采集和控制中所有必要的單元模塊，可算得上一個(gè)系統(tǒng)級(jí)芯片(SOC)，能夠很容易地構(gòu)成典型的測(cè)量和控制系統(tǒng)。其中單片機(jī)STC12C5410AD的引腳電路如圖2所示。

圖2 STC12C5410AD引腳接口電路

3.2 溫濕度傳感器接口電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的溫濕度傳感器選用AM2305數(shù)字式溫濕度傳感器[5]。它包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)高精度測(cè)溫元件，其中測(cè)濕范圍是0～99.9%RH，分辨率0.1%RH，精度 ±2% RH；測(cè)溫范圍是-40～+80 ℃，分辨率0.1 ℃，精度 ±0.3 ℃， 響應(yīng)時(shí)間都小于5 s，能充分滿足測(cè)量要求。該傳感器上電后等待3 s左右，當(dāng)主機(jī)按Modbus通信協(xié)議詢問傳感器時(shí)，傳感器會(huì)回復(fù)主機(jī)當(dāng)前溫濕度值。AM2305的接口電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 AM2305傳感器接口電路

3.3 煙霧、煤氣傳感器接口電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的煙霧和可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)選用ZYMQ-2氣體傳感器[5]。它所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。氣體傳感器ZYMQ-2的信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 ZYMQ-2信號(hào)調(diào)理電路

4 系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件采用在Wince操作系統(tǒng)下基于LabVIEW圖形化編程軟件[6]來完成整個(gè)項(xiàng)目，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，人機(jī)界面友好，易于操作，可擴(kuò)展性強(qiáng)，且測(cè)試成本低，易被用戶接受。該軟件總系統(tǒng)功能如圖5所示。其包括前端信號(hào)的采集處理、信息的傳輸存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程的家電控制以及視頻的采集。

圖5 系統(tǒng)軟件總體流程圖

4.1 系統(tǒng)主控界面的設(shè)計(jì)

在嵌入式Wince主控系統(tǒng)用戶登錄成功后，即可進(jìn)入智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)主界面，如圖6所示。在主界面中，用戶可通過手動(dòng)切換下面各個(gè)房間的按鈕，從而對(duì)廚房、次臥、客廳、主臥四個(gè)房間的溫濕度、可燃?xì)怏w、報(bào)警安防等信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析和判斷處理，通過歷史曲線實(shí)時(shí)記錄整個(gè)家居環(huán)境。當(dāng)廚房出現(xiàn)燃?xì)庑孤?、煙霧或其他房間高溫等異常情況時(shí)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，用戶可通過歷史曲線的查詢從而確定是哪個(gè)房間出現(xiàn)的報(bào)警信息，通過無線模塊用戶還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)家用設(shè)備開關(guān)的控制[7]。

圖6 系統(tǒng)主控界面(截圖)

4.2 家電控制模塊軟件實(shí)現(xiàn)

控制模塊主要是對(duì)家用電器的工作狀態(tài)進(jìn)行控制[8]，采用有線方式和無線遠(yuǎn)程操作兩種控制方式，對(duì)家居環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)進(jìn)行安防報(bào)警，隨時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)家電設(shè)備的自動(dòng)開啟和關(guān)閉，從而提高用戶生活質(zhì)量，達(dá)到節(jié)能便捷的目的。其中家電設(shè)備包括電燈、門窗等，圖7所示為家電啟動(dòng)流程圖。

圖7 家電控制流程圖

4.3 數(shù)據(jù)采集模塊軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用AM2305數(shù)字式溫濕度傳感器來采集各個(gè)房間的溫濕度信號(hào)，確定固定的采集周期實(shí)時(shí)更新溫濕度值，當(dāng)采集到的溫度值超出設(shè)定好的高溫閾值時(shí)，發(fā)出高溫報(bào)警信號(hào)，根據(jù)設(shè)備地址從而確定是哪個(gè)房間，具體流程如圖8所示。

圖8 溫濕度采集流程圖

每個(gè)房間的溫濕度值都通過Modbus通信協(xié)議采集傳輸，因此在LabVIEW程序設(shè)計(jì)中不同房間的溫濕度值只需修改其輸入指令中的設(shè)備地址，將各個(gè)程序并聯(lián)即可。圖9為客廳溫濕度采集結(jié)果顯示，圖中溫濕度值為當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示。

圖9 溫濕度采集結(jié)果(截圖)

4.4 視頻采集軟件實(shí)現(xiàn)

為降低成本和方便系統(tǒng)安裝，本系統(tǒng)采用目前普遍使用的USB攝像頭配合NI的IMAQ Visio模塊來實(shí)現(xiàn)可視化圖像采集[9]。圖10為圖像采集流程圖。LabVIEW圖形化程序在選擇攝像頭端口號(hào)后打開攝像頭、對(duì)其進(jìn)行初始化設(shè)置，然后在while循環(huán)中進(jìn)行視頻的采集，最后按下停止按鈕關(guān)閉攝像頭。其所采視頻圖像如圖11所示。

圖10 視頻采集流程圖

圖11 視頻采集圖像(截圖)

5 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)采用嵌入式ARM主控板，本控制系統(tǒng)集成了可擴(kuò)展的接口，并提供了與之相兼容的各種軟硬件資源，監(jiān)控界面選用LabVIEW圖形化編程軟件，該軟件開發(fā)時(shí)間短，系統(tǒng)使用穩(wěn)定可靠，人機(jī)交互界面友好，成本低效率高，易于擴(kuò)展與維護(hù)?？刂浦行呐c智能終端間采用有線與無線兩種傳輸方式，經(jīng)Modbus通信協(xié)議將采集信息傳輸至控制平臺(tái)，且通過有線或無線兩種方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)家用電器開關(guān)的控制，更加便捷穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)家居環(huán)境的監(jiān)控，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 趙立輝， 王京， 霍春寶. 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電視技術(shù)， 2013， 37(22)：82-85.

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楊國(guó)華(1972— )，教授，主研電氣自動(dòng)化及新能源發(fā)電技術(shù)，為本文通訊作者；

衛(wèi)寧波(1990— )，研究生，主研電工電子新技術(shù)；

張 康(1990— )，研究生，主研電力系統(tǒng)通信技術(shù)；

喬月妮(1989— )，女，研究生，主研方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)通信技術(shù)。

責(zé)任編輯：閆雯雯

Design on Home Security System Based on ARM-LabVIEW

MA Yujuan1， YANG Guohua1，2， WEI Ningbo1， ZHANG Kang1， QIAO Yueni1

(1.DepartmentofElectricalEngineeringandAutomation，NingxiaUniversity，Yinchuan750021，China；2.NingxiaKeyLabonInformationSensing&IntelligentDesert，Yinchuan750021，China)

With the impediment of the quality of life， people become more and more interested in the comfort of living environment and the security protection of family， its particularly important to design a new efficient household environment intelligent monitoring system. In this paper ARM Cortex a8 chip is adopted as embedded system processor， STC12C5410AD wireless module is used to achieve the remote control of household appliances switches and the collection of alert data by transducer and the real time monitoring of the security of community by USB camera， using LabVIEW graphic software， through the development of environment construction， the transplanting and design of software programmer， etc to design a home security and protection system. Finally， the running debugging of the system shows that the interface of the monitor is good-looking and the system is easy to manipulate， furthermore， the test shows that this system has low cost， high efficiency， and strong expansibility， thus achieving real time monitoring and control of home environment， and meeting the requirements of intelligent home security monitoring.

ARM； LabVIEW； data collection； home security and protection

【本文獻(xiàn)信息】馬玉娟，楊國(guó)華，衛(wèi)寧波，等.基于ARM-LabVIEW的家居安防監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù),2015，39(11).

寧夏自然科學(xué)基金項(xiàng)目(NZ12140；NZ14050)

TP302.1

A

10.16280/j.videoe.2015.11.025

馬玉娟(1992— )，女，研究生，主研電工電子新技術(shù)；

2014-12-29