彭來(lái)強(qiáng)，胡 新

(溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系, 浙江 溫州 325035)

基于NI WSN的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭來(lái)強(qiáng)，胡 新

(溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系, 浙江 溫州 325035)

隨著物聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化是現(xiàn)代家居系統(tǒng)的必然發(fā)展趨勢(shì);將NI無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)引入到智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，基于NI WSN系列產(chǎn)品進(jìn)行了無(wú)線智能家居系統(tǒng)的總體框架、硬件型號(hào)和軟件流程設(shè)計(jì);系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)分別采集盜情、煙霧、溫濕度等參數(shù)，以無(wú)線形式通過網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)PC，在PC端利用Labview軟件實(shí)現(xiàn)了智能家居防盜系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、環(huán)境舒適度等參數(shù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，取得了良好的人機(jī)交互界面，并具有遠(yuǎn)程終端監(jiān)控功能;該智能家居監(jiān)控系統(tǒng)具備低功耗、實(shí)時(shí)性好、易擴(kuò)展及可現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)，在智能家居領(lǐng)域具有廣闊的市場(chǎng)前景和推廣應(yīng)用價(jià)值。

智能家居；NI WSN；節(jié)點(diǎn)；Labview；遠(yuǎn)程監(jiān)控

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和發(fā)展，開啟了智能家居網(wǎng)絡(luò)化、信息化的新時(shí)代。智能家居系統(tǒng)為人們提供了更加舒適、安全和便捷的生活方式，它可以實(shí)現(xiàn)包含防盜報(bào)警、安全監(jiān)控、智能開關(guān)控制、遠(yuǎn)程遙控、智能家電等在內(nèi)的多種功能。我國(guó)擁有超過4億戶家庭，住宅家庭智能家居潛在存量市場(chǎng)在12萬(wàn)億元左右，市場(chǎng)前景非常廣闊[1-3]。

在智能家居發(fā)展的前兩代，有線布線形式和分布式控制是智能家居系統(tǒng)的主要實(shí)現(xiàn)方式，其存在著布線繁瑣、功能單一、性價(jià)比低、擴(kuò)展性差等缺陷，線纜一般需要在施工時(shí)提前鋪設(shè)，大大限制了智能家居系統(tǒng)的普及應(yīng)用[4]。隨著物聯(lián)網(wǎng)及無(wú)線傳感器技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將逐步取代傳統(tǒng)有線形式，使智能家居系統(tǒng)的設(shè)備和節(jié)點(diǎn)可以分布在各個(gè)角落，增強(qiáng)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性和可擴(kuò)展性。同時(shí)，身處互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代人們對(duì)智能家居的性能提出了更高的要求，以往的監(jiān)控系統(tǒng)通常采用單片機(jī)+ARM終端的開發(fā)模式，其存在著功能單一、開發(fā)難度大、通用型不強(qiáng)、難于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控等缺點(diǎn)[5-6]。

美國(guó)國(guó)家儀器公司(National Instrument，簡(jiǎn)稱NI)于2009年8月推出了首款無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)(Wireless Sensor Network，簡(jiǎn)稱WSN)[7]。與有線測(cè)量系統(tǒng)相比，NI WSN成本更低、配置更靈活、設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，能幫助用戶突破傳統(tǒng)的功耗和網(wǎng)絡(luò)限制，更快、更靈活的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)，為智能家居系統(tǒng)的集成提供了專業(yè)級(jí)解決方案；同時(shí)，它能夠借助可靠的電池供電接受長(zhǎng)期部署，4節(jié)AA堿性電池可在3個(gè)點(diǎn)/分鐘的速率下持續(xù)供電3年之久。結(jié)合Labview圖形化編程語(yǔ)言，可以在上位機(jī)端實(shí)現(xiàn)功能豐富、界面友好的人機(jī)交互軟件，借助web發(fā)布工具還可實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控[8]。

1 總體設(shè)計(jì)

基于NI WSN的智能家居系統(tǒng)主要由以下三部分組成(見圖1)：傳感器、NI WSN網(wǎng)絡(luò)、顯示及操作終端。傳感器是智能家居系統(tǒng)中最底層的感知原件，其將系統(tǒng)監(jiān)控對(duì)象的物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并傳輸給數(shù)采設(shè)備，如紅外探測(cè)器、煙霧探測(cè)器、火焰?zhèn)鞲衅鳌貪穸葌鞲衅鞯萚9-11]。NI WSN網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，典型的NI WSN網(wǎng)絡(luò)由采集節(jié)點(diǎn)和以太網(wǎng)關(guān)組成，采集節(jié)點(diǎn)布置在傳感器附近，由電池供電工作，實(shí)時(shí)接收傳感器端傳來(lái)的電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理及采集后傳輸給以太網(wǎng)關(guān)。以太網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)著分布式測(cè)量節(jié)點(diǎn)與主控制器的通信，基于ZigBee技術(shù)的2.4 GHz、IEEE 802.15.4無(wú)線通信使網(wǎng)關(guān)能夠接收來(lái)自節(jié)點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)端口與Windows或Labview實(shí)時(shí)主控制器連接通信[12]。顯示及操作終端包含家庭PC機(jī)和遠(yuǎn)程監(jiān)控終端設(shè)備，可在本地及遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控。表1顯示了智能家居系統(tǒng)主要的設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)。

圖1 無(wú)線智能家居監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)/型號(hào)通道參數(shù)名傳感器Node1NIWSN-3202Node2NIWSN-3202Node3NIWSN-3202Node4NIWSN-3212AI0房間1煙霧煙霧傳感器AI1房間1火焰火焰?zhèn)鞲衅鰽I2房間1濕度阻抗式濕度計(jì)AI3正門紅外防盜1#紅外傳感器AI0房間2煙霧煙霧傳感器AI1房間2火焰火焰?zhèn)鞲衅鰽I2房間2濕度阻抗式濕度計(jì)AI3正門紅外防盜2#紅外傳感器AI0房間3煙霧煙霧傳感器AI1房間3火焰火焰?zhèn)鞲衅鰽I2房間3濕度阻抗式濕度計(jì)TC0房間1溫度J型熱電偶TC1房間2溫度J型熱電偶TC2房間3溫度J型熱電偶

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用圖形化編程語(yǔ)言Labview 2015進(jìn)行開發(fā)，NI WSN模塊可實(shí)現(xiàn)與Labview軟件的無(wú)縫連接，在NI MAX工具中可對(duì)所有網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置，在程序框圖中可直接讀取各節(jié)點(diǎn)通道數(shù)據(jù)、信號(hào)強(qiáng)度、擴(kuò)展電池使用情況等信息。Labview是典型的數(shù)據(jù)流程序結(jié)構(gòu)，支持多線程采集及處理。系統(tǒng)軟件主要分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層和用戶交互層，數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層由節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)分別基于ZigBee和以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，用戶交互層主要包含防盜監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警、環(huán)境舒適度、智能開關(guān)控制、視頻監(jiān)控等功能模塊。系統(tǒng)軟件構(gòu)架示意圖見圖2。

圖2 軟件構(gòu)架示意圖

軟件編程采用消息型隊(duì)列狀態(tài)機(jī)構(gòu)架，這種構(gòu)架非常適合包含人機(jī)交互與數(shù)據(jù)顯示的多線程采集任務(wù)。系統(tǒng)主要包含以下幾種狀態(tài)：

1)初始化(Initialize)：系統(tǒng)運(yùn)行后首先執(zhí)行的狀態(tài)，在該狀態(tài)中可對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初始化操作，并讀取通道設(shè)置參數(shù)將采集程序掛起，采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)入隊(duì)列；

2)等待事件(Wait for Event)：初始化完成后，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)移至“Wait for Event”狀態(tài)。該狀態(tài)通過事件結(jié)構(gòu)等待前面板發(fā)生改動(dòng)。

3)用戶自定義(User State)：在這些狀態(tài)中可通過隊(duì)列獲取采集數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、打印等功能。每個(gè)狀態(tài)完成后需指定下一個(gè)狀態(tài)，否則默認(rèn)進(jìn)入等待事件狀態(tài)。

4)停止(Stop)：退出程序。只有Stop狀態(tài)可以使應(yīng)用程序停止運(yùn)行，這種設(shè)計(jì)可以避免應(yīng)用程序意外關(guān)閉或不完全關(guān)閉。

2.1 防盜監(jiān)控系統(tǒng)

熱釋電紅外傳感器是防盜監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的核心器件，它可以把人體的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱電信號(hào)，并且對(duì)其它物體和小動(dòng)物不敏感，具有功能實(shí)用、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，非常適合家居日常安防監(jiān)控[13]。熱釋電紅外傳感器能感知防范區(qū)域內(nèi)移動(dòng)熱源(人或動(dòng)物等)運(yùn)動(dòng)時(shí)所引起的紅外輻射變化，其輸出的微弱電信號(hào)經(jīng)后續(xù)的放大、濾波、延遲等處理，經(jīng)電壓比較及信號(hào)處理后轉(zhuǎn)換為觸發(fā)電平，經(jīng)NI WSN 3202節(jié)點(diǎn)采集后，傳輸至PC端處理器，用于觸發(fā)報(bào)警。報(bào)警信息已短信或通知形式發(fā)送給用戶，并發(fā)出聲音報(bào)警，經(jīng)用戶反饋后形成閉環(huán)。為減少系統(tǒng)誤報(bào)率，可以設(shè)置多個(gè)紅外傳感器聯(lián)合監(jiān)控，每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)一個(gè)WSN 3202節(jié)點(diǎn)的一個(gè)通道。紅外防盜監(jiān)控系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 紅外防盜監(jiān)控系統(tǒng)原理

2.2 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

傳統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)由煙霧或火焰?zhèn)鞲衅鲉畏接|發(fā)報(bào)警，極易引起誤報(bào)。為提高火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，在不同的區(qū)域分別布置溫度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骱蜔熿F傳感器進(jìn)行聯(lián)合監(jiān)控，當(dāng)區(qū)域內(nèi)三種傳感器的輸出電壓均達(dá)到報(bào)警閾值，則觸發(fā)火災(zāi)聲音報(bào)警，并將報(bào)警信息存儲(chǔ)至PC服務(wù)器端，通知用戶。為避免室內(nèi)吸煙或廚房排煙不暢等造成的誤報(bào)，對(duì)煙霧傳感器采集的電壓信號(hào)取5次采樣值進(jìn)行平均處理，程序框圖如圖4所示。

圖4 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)程序框圖

2.3 環(huán)境舒適度監(jiān)控

溫濕度是影響人體舒適度最主要的兩大因素，也是智能家居環(huán)境的主要監(jiān)控參數(shù)。溫度由J型熱電偶傳感器獲取，對(duì)應(yīng)采集節(jié)點(diǎn)Node4(TC0～TC2)，濕度由阻抗式濕度計(jì)獲取，對(duì)應(yīng)采集節(jié)點(diǎn)Node1、Node2、Node3的AI2通道。Mean.vi實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度參數(shù)的5次平均處理，對(duì)平均后的參數(shù)進(jìn)行報(bào)警閾值設(shè)定，當(dāng)溫度不在10～25℃范圍、濕度不在40%RH～65%RH范圍內(nèi)時(shí)進(jìn)行提醒，提醒用戶環(huán)境參數(shù)的變化，以便及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。環(huán)境舒適度監(jiān)控子系統(tǒng)的程序框圖如圖5所示。

圖5 環(huán)境舒適度監(jiān)控子系統(tǒng)

2.4 電池能耗管理

NI WSN的節(jié)點(diǎn)依靠4節(jié)AA堿性蓄電池供電，其低功耗特點(diǎn)是智能家居系統(tǒng)的一大優(yōu)勢(shì)。 隨著智能家居的不斷推廣應(yīng)用，節(jié)點(diǎn)與傳感器數(shù)量不斷增加，對(duì)時(shí)效性要求也越來(lái)越高，需對(duì)電池能耗做進(jìn)一步的監(jiān)控與優(yōu)化。WSN節(jié)點(diǎn)的電池壽命與工作模式、通道數(shù)、采集點(diǎn)數(shù)、發(fā)送間隔等參數(shù)有關(guān)，在NI WSN開發(fā)環(huán)境中可以定義用戶自定義輸入/輸出變量(User-Defined I/O Variables，簡(jiǎn)稱UDV)，UDV變量可以是一組數(shù)據(jù)的均值、最大值、最小值或用戶定義的其它類型，當(dāng)節(jié)點(diǎn)向基站傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送UDV變量而非整個(gè)波形數(shù)據(jù)可以大大增加電池的壽命[14]。在軟件中，可以根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前數(shù)據(jù)流量來(lái)預(yù)估電池剩余壽命，以提醒用戶及時(shí)更換電池。圖x顯示了4通道模式下，在相同的發(fā)送頻率下采用UDV與普通類型數(shù)據(jù)時(shí)電池壽命對(duì)比圖。

圖6 UDV與普通類型電池壽命對(duì)比

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控發(fā)布

智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)允許用戶在遠(yuǎn)程終端實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境、監(jiān)控信息的實(shí)時(shí)查看與操控。Labview自帶Web發(fā)布工具，可生成HTML文檔并嵌入前面板靜態(tài)或動(dòng)態(tài)圖像，將開發(fā)的程序以內(nèi)嵌形式發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)，并可在本地及遠(yuǎn)程終端查看和控制程序前面板，且終端設(shè)備不需要安裝Labview軟件環(huán)境。遠(yuǎn)程發(fā)布步驟如下[15]：點(diǎn)擊菜單欄工具→web發(fā)布工具，彈出web發(fā)布工具配置對(duì)話框，選擇“內(nèi)嵌”查看模式，并啟動(dòng)web服務(wù)器，編輯完文檔標(biāo)題、頁(yè)眉、頁(yè)腳等內(nèi)容后，將html文檔保存至磁盤。發(fā)布VI或應(yīng)用程序后，用戶可在遠(yuǎn)程終端瀏覽器中輸入html地址查看和控制前面板，圖7為智能家居系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控效果。

圖7 智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證智能家居系統(tǒng)的功能和實(shí)時(shí)可靠性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。圖8(a)為正門防盜監(jiān)控頁(yè)面下熱釋電傳感器監(jiān)測(cè)電壓趨勢(shì)圖，當(dāng)活動(dòng)熱源在監(jiān)控范圍內(nèi)活動(dòng)時(shí)，繼電器常開觸點(diǎn)閉合，輸出感應(yīng)電源。在延時(shí)段內(nèi)(設(shè)置為10秒)，只要熱源仍在感應(yīng)范圍內(nèi)活動(dòng)，感應(yīng)電源持續(xù)輸出，直至其離開后才關(guān)閉輸出?？梢娖潇`敏度高，而且多個(gè)測(cè)點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測(cè)，可減少系統(tǒng)漏報(bào)的可能。圖8(b)為房間3模擬廚房排煙不暢時(shí)的煙霧和火焰報(bào)警器監(jiān)控趨勢(shì)圖，當(dāng)煙霧傳感器輸出電壓達(dá)到報(bào)警閾值時(shí)并未觸發(fā)火災(zāi)報(bào)警，這是因?yàn)榛鹧鎴?bào)警器和溫度傳感器均未達(dá)到報(bào)警閾值，此時(shí)系統(tǒng)僅提示煙霧報(bào)警，防止了火災(zāi)誤報(bào)的可能。圖8(c)顯示了房間1溫、濕度實(shí)時(shí)監(jiān)控圖，若有參數(shù)不在預(yù)設(shè)的舒適度范圍內(nèi)，將預(yù)警結(jié)果記錄于PC端數(shù)據(jù)庫(kù)中。圖8(d)顯示了用戶在報(bào)警列表頁(yè)面中可查詢到的所有參數(shù)的報(bào)警記錄信息。設(shè)計(jì)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)主要功能工作正常，靈敏度較高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，能對(duì)居家環(huán)境進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。同時(shí)，結(jié)合日益成熟的各種物聯(lián)網(wǎng)智能家電，系統(tǒng)可根據(jù)當(dāng)前監(jiān)控參數(shù)實(shí)現(xiàn)居家環(huán)境的主動(dòng)調(diào)節(jié)， 真正實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的“智能化”。

圖8 試驗(yàn)結(jié)果與分析圖

5 結(jié)束語(yǔ)

不斷發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)及無(wú)線傳感技術(shù)助力智能家居系統(tǒng)的功能不斷完善，并逐步走進(jìn)人們的日常生活。基于NI WSN技術(shù)構(gòu)建了無(wú)線智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架，通過節(jié)點(diǎn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境溫度、濕度、煙霧、火焰、非法入侵等情況進(jìn)行采集，在上位機(jī)PC端利用虛擬儀器Labview軟件實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示與緊急報(bào)警處理，具有良好的人機(jī)交互界面。通過Web發(fā)布工具，可在遠(yuǎn)程終端實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境的查看與操控。NI WSN模塊大大降低了系統(tǒng)開發(fā)難度，使系統(tǒng)在擁有低功耗、實(shí)時(shí)性的同時(shí)，具有靈活豐富的可擴(kuò)展功能，在智能家居領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

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Design of Smart Home Monitoring System Based on NI Wireless Sensor Network

Peng Laiqiang，Hu Xin

(Wenzhou Vocational and Technical College, Wenzhou 325035, China)

With the continuous development of Internet of things and computer technology, intelligent, networking, information are the inevitable trends of the modern smart home monitoring system. The NI wireless sensor network (WSN) technology is introduced into the design of smart home monitoring system. Based on the NI WSN series, the overall framework, hardware selection and software flow of the wireless smart home system were designed. The sensor nodes of the system collect the parameters such as security situation, smoke, temperature and humidity, and transmit the data to the host computer in the form of wireless. On the PC side, the Labview software is used to realize the real-time online monitoring of the intelligent home security system, the fire alarm system and the environmental comfort parameters, which has a good man-machine interface and the function of remote monitoring. The intelligent home monitoring system has the advantages of low power consumption, good real-time performance, easy to expand and remote monitoring, which has a broad market prospect and application value in the field of smart home.

smart home; NI WSN; sensor node; Labview; remote monitoring

2017-05-10；

2017-06-10。

彭來(lái)強(qiáng)(1968-)，男，浙江溫州人，講師，主要從事機(jī)械CAD、CAE設(shè)計(jì)/機(jī)電一體化方向的研究。

1671-4598(2017)08-0075-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.08.020

TN872

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