胡紅博

關鍵詞： 智能家居; 遠距離; 可視化風險; 自動監(jiān)測; 系統(tǒng)設計; 抗干擾性

中圖分類號： TN931+.3?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）04?0171?04

Design of long?distance visualized risk automatic monitoring system for smart home

HU Hongbo

（School of Physics and Electromechanical Engineering， Zunyi Normal University， Zunyi 563000， China）

Abstract： In allusion to the problems of large monitoring time?consumption and poor anti?interference capability existing in the traditional monitoring system， a long?distance visualized risk automatic monitoring system based on dual?sensor combination is proposed and designed for the smart home. The system is composed of two parts of hardware and software. The hardware is mainly used to monitor the temperature and combustible gas in the home environment. The software is mainly used to monitor visualized risks. The experimental results show that in comparison with the ARM embedded monitoring system and the monitoring system based on the Internet of Things， the improved monitoring system has a time?consumption reduced by 81.2 s and 28.3 s respectively， and an anti?interference performance improved by 66.104 and 93.85 respectively， which has a certain advantage.

Keywords： smart home; long distance; visualized risk; automatic monitoring; system design; anti?interference performance

0 ?引 ?言

智能家居是指通過家庭總線技術將家庭中各種與信息相關的通信設備、家用電器和家庭安保裝置連接到一個智能化系統(tǒng)上，從而對家居信息進行集中或者異地監(jiān)視、控制和管理，以保證各設施之間的協(xié)調運作[1?2]。智能家居能夠利用監(jiān)測系統(tǒng)對家居環(huán)境的溫濕度、風速以及光照強度等進行遠程監(jiān)測，通過調節(jié)室內開關對其進行控制，還能夠為人們提供現代化的通信信息服務，從而打造出一個高效、舒心的家居環(huán)境[3]。由此可見，智能家居監(jiān)測系統(tǒng)已成為智能家居服務系統(tǒng)發(fā)展中必不可少的組成成分，是家居智能化推進中的關鍵課題。

1 ?智能家居遠距離可視化風險自動監(jiān)測系統(tǒng)

智能家居，即將家庭內部各種設備有機地連接在一起，使其組合成為一個綜合體，以此綜合體為對象，運用家庭智能控制系統(tǒng)完成家居信息的采集、標準化處理以及控制等，最終達到智能家居風險的遠距離可視化監(jiān)測的目的[4]。本文設計監(jiān)測系統(tǒng)主要由管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。管理系統(tǒng)主要對各種家居設備數據進行存儲、查詢和處理?？刂葡到y(tǒng)主要對家居設備進行控制，兩者之間主要通過MODEM相連接，整體結構如圖1所示。

1.1 ?溫度傳感器設計

在設計溫度傳感器時，針對家居環(huán)境中設備的多樣性及不定性，采用DS18B20，PT1000鉑電阻以及熱敏電阻組成的多溫度傳感器，其中DS18B20是由DALLAS公司生產的單總線式數字溫度傳感器，具有性能好、抗干擾能力強、能耗低、靈敏度高以及處理效果明顯等優(yōu)勢[5?6]，眾多優(yōu)勢使得這一溫度傳感器可以廣泛應用于多種溫度監(jiān)測中，尤其是對于多點溫度的監(jiān)測，可直接將溫度轉化成串行數字信號給上位機處理，且在同一總線上可以掛接多個傳感器芯片，其測量溫度范圍為-55～125 ℃，精度在0.5 ℃，反應時間≤500 ms。DS18B20內部結構主要由四部分組成，分別是64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。其外形及管腳排列如圖2所示。

根據圖2可知，低溫度系數晶振的震蕩頻率基本不受外界溫度的影響，其主要作用是產生具有固定頻率的脈沖信號，并將脈沖信號傳遞給計數器1;高溫度系數晶振的震蕩頻率與外界溫度之間具有顯著的相關關系，高溫度系數晶振產生的脈沖信號主要作為輸入信號向計數器2傳遞[7?8];以-55 ℃為基準，不同溫度對應的數值可用于設置各計數器以及晶振、溫度寄存器的數值。假設-55 ℃所對應的數值為計數器1和溫度寄存器的數值，用計數器1的數值減去低溫度系數晶振產生的脈沖信號數值，不斷減小計數器1的數值并重復此過程，當計數器1的數值降低至0時，溫度寄存器的數值增加1，此時重新設置計數器1的數值，加之低溫度系數晶振產生的脈沖信號不斷輸入計數器1，計數器1的數值將會不斷發(fā)生改變。依照此過程循環(huán)，直至計數器1的數值重新轉變?yōu)?，停止對溫度寄存器數值的改變，此時的溫度寄存器數值則可看作是所測溫度。計數器2的操作流程與計數器1相似。

1.2 ?可燃氣體傳感器模塊設計

可燃氣體是家居環(huán)境中存在的另一個風險因素，采用MQ?5催化型傳感器對可燃氣體進行遠距離自動監(jiān)測，其主要采用氣敏材料SnO2，此材料會根據環(huán)境的變換發(fā)生改變，處于標準環(huán)境時，其電阻率數值較小;處于固定的檢測環(huán)境時，其電阻率的數值會增加，且與氣體的濃度變化呈現正相關關系[9]。MQ?5催化型傳感器基本不受酒精以及煙霧濃度變化的影響，但甲烷、丙烷、丁烷的濃度變化會對其造成較大的影響，因此，MQ?5催化型傳感器主要用于對室內可燃氣體甲烷的檢測。

MQ?5主要由SnO2敏感層、微型陶瓷管、測量電極和加熱器構成。其中，加熱器提供了測量的條件。通常情況下，MQ?5會被封裝在具有特殊材質的腔體內，封裝之后的MQ?5有6個引腳，其中4個引腳用于對脈沖信號的測量，另外兩個引腳主要用于對氣體的加熱。等效電路如圖3所示。

圖3中，陰影圓[R0]表示測量氣體中的等效電阻，外部連接測量電路，可以認為是負載電阻[RL]。這個負載電阻的大小會直接影響該器件的可測量范圍，而其具體數值的確定則主要由A/D轉換器的位寬來決定。

1.3 ?復位電路設計

復位電路是在RC電路基礎上添加按鍵開關，來實現人為復位和遠程自動復位的兩部分控制功能。人為復位主要針對處于家居環(huán)境的情況，遠程自動復位主要針對處于外出環(huán)境的情況[10]。當發(fā)生風險時，通過移動設備進行遠程可視化監(jiān)測。

在系統(tǒng)運行初始階段，電容和電壓的數值固定，不會輕易發(fā)生改變，則復位引腳將會穩(wěn)定地從低電平向高電平發(fā)生轉換，從而產生上電復位信號。然而，在系統(tǒng)運行過程中，不可避免地會產生障礙因素，導致系統(tǒng)混亂甚至進入死機狀態(tài)。因此添加手動復位，主要負責完成系統(tǒng)的重新啟動以及系統(tǒng)初始化，這一操作只需要按下開關按鍵即可，對此選擇復位電路圖如圖4所示。

2 ?軟件設計

在設計系統(tǒng)軟件過程中，主要針對家居風險進行可視化監(jiān)測分析，具體可視化編程源代碼如下：

Public void RetrieveDrawing（Visual v）

{

Drawing Group dGroup=VisualTreeHelper. Get Drawing（v）;

Enum Drawing Group（dGroup）;

}

//開始并初始化系統(tǒng)

Public vid EnumDrawingGroup（DrawingGroup drawingGroup）

{

DrawingCollection dc=drawingGroup.Children;

//請求對家居環(huán)境進行視頻監(jiān)測

Foreach （Drawing drawing in dc）

{

//對視頻數據進行解碼

If （drawing.GetType（）==typeof（DrawingGroup））

{

EnumDrawingGroup（（DrawingGroup）drawing）;

}

else if （drawing.GetType（）==typef（GemetryDrawing））

{

//顯示視頻監(jiān)測圖像

}

else if （drawing.GetType（）==typeof（ImageDrawing））

{

//確定是否需要進行設備控制

}

else if （drawing.GetType（）==typeof（glyphRunDrawing））

{

//發(fā)送請求，并反饋監(jiān)測信息

}

else if （drawing.GetType（）==typeof（VideoDrawing））

{

//對監(jiān)測信息進行釋放，結束可視化監(jiān)測

}

}

}

3 ?實驗結果分析

3.1 ?實驗參數設置

實驗參數設置如表1、表2所示。

3.2 ?實驗結果分析

為了驗證改進系統(tǒng)的有效性及可行性，采用改進系統(tǒng)與ARM嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)、基于物聯網的監(jiān)測系統(tǒng)進行對比，以監(jiān)測耗時為指標進行實驗分析，結果如圖5所示。

由圖5可知，采用ARM嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)時，其隨著監(jiān)測設備數量的增加，系統(tǒng)運行耗時逐漸增加且出現多處波動，穩(wěn)定性較差，最高用時高達95 s;采用基于物聯網的監(jiān)測系統(tǒng)時，其監(jiān)測耗時隨著監(jiān)測設備數量的增加而多處波動，但相較ARM嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)耗時有所降低，約為42.1 s;采用改進監(jiān)測系統(tǒng)時，系統(tǒng)運行耗時隨著監(jiān)測設備數量的增加會出現上下浮動情況，但其整體耗時較為穩(wěn)定，在設備數量為40～50時出現耗時大的現象，但隨后下降，整體耗時約為13.8 s，相比ARM嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)、基于物聯網的監(jiān)測系統(tǒng)分別降低了81.2 s，28.3 s，具有一定的優(yōu)勢。為進一步驗證改進系統(tǒng)的有效性及可行性，采用改進系統(tǒng)與ARM嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)、基于物聯網的監(jiān)測系統(tǒng)進行對比，以系統(tǒng)抗干擾能力為指標進行實驗分析，結果如表3所示。

由表3可知，采用基于物聯網的監(jiān)控系統(tǒng)時，系統(tǒng)抗干擾能力隨著實驗次數的增加而增高，平均值約為43.29，但穩(wěn)定性較低;采用ARM嵌入式系統(tǒng)時，系統(tǒng)抗干擾能力隨著實驗次數的增加，抗干擾能力逐漸增高，平均值約為109.394;采用改進監(jiān)測系統(tǒng)時，系統(tǒng)抗干擾能力顯著，且抗干擾能力相比ARM嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)、基于物聯網的監(jiān)測系統(tǒng)分別提高了66.104，93.85，具有一定的優(yōu)勢。

4 ?結 ?論

針對傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的監(jiān)測耗時多、系統(tǒng)抗干擾能力差的問題，提出并設計了基于雙傳感器結合的智能家居遠距離可視化風險自動監(jiān)測系統(tǒng)。實驗結果表明：本文系統(tǒng)運行耗時相比ARM嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)、基于物聯網的監(jiān)測系統(tǒng)分別降低了81.2 s，28.3 s;抗干擾能力相比ARM嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)、基于物聯網的監(jiān)測系統(tǒng)分別提高了66.104，93.85。

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