高貝貝，崔金龍，白鋅，姚愛芬，郭寶軍

（滄州交通學院，河北黃驊，061199）

0 引言

隨著中國經(jīng)濟的不斷發(fā)展以及人們物質生活水平的不斷提高，人們的安全防患意識也在逐漸增強，快節(jié)奏生活下的人們對家庭的安全問題越來越重視。一方面，火災、煤氣泄露等安全隱患問題是社會重點關注的對象，每年因為意外火災造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失仍然很嚴重；另一方面，小區(qū)和單位防盜設施簡陋匱乏、治安防范力不足等因素，給入室盜竊者以可乘之機。為了更好地保護家庭的安全人們需要一種功能完善的安防系統(tǒng)。本文在傳統(tǒng)安防系統(tǒng)的基礎嵌入機器視覺傳感器，可實現(xiàn)多傳感器融合技術的智能家居環(huán)境的安防保障。下面對基于視覺物聯(lián)網(wǎng)技術的智能家居安防平臺的軟件系統(tǒng)設計進行介紹。

1 系統(tǒng)方案設計

基于視覺物聯(lián)網(wǎng)的智能安防系統(tǒng)由三部分構成，第一部分為采集家居環(huán)境參數(shù)的前端監(jiān)測節(jié)點設備（從機設備），主要實現(xiàn)采集環(huán)境溫度、煙霧濃度、可燃氣體濃度，監(jiān)測非法入侵事件、異常事件發(fā)生等功能；第二部分為互聯(lián)前端監(jiān)測節(jié)點的網(wǎng)關設備，網(wǎng)關設備使用ModBus 擴展協(xié)議組建一主多從無線通信網(wǎng)絡，將前端節(jié)點傳回的數(shù)據(jù)經(jīng)由網(wǎng)關設備上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺。第三部分為Tlink 物聯(lián)網(wǎng)云平臺，該平臺免費提供PC 端和手機端的云組態(tài)，可快速開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)云臺及數(shù)字化系統(tǒng)產(chǎn)品。本文使用Tlink 物聯(lián)網(wǎng)云平臺實現(xiàn)與網(wǎng)關設備間的數(shù)據(jù)傳輸，通過自定義云組態(tài)實現(xiàn)PC 端或手機端與用戶間的信息交互。系統(tǒng)方案設計架構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構圖

2 軟件系統(tǒng)設計

2.1 顯示屏驅動程序設計

顯示屏選用0.96O 寸LED 屏，屏幕通過I2C 接口與主控芯片相連。顯示屏驅動程序設計如下。首先，主函數(shù)調用OLED 屏初始化函數(shù)，完成相關屏幕參數(shù)設置；然后，簡單對屏幕做下清屏處理；最后，使用單字符顯示函數(shù)showChar()實現(xiàn)顯示字符串、整型數(shù)值復合函數(shù)功能，完成網(wǎng)關及子設備的相關參數(shù)顯示功能。圖2 是單字符顯示函數(shù)showChar()子程序設計流程圖。

圖2 單字符顯示函數(shù)程序設計流程圖

2.2 WiFi 模塊聯(lián)網(wǎng)驅動程序設計

利用AT 指令控制 ESP8266 WiFi 模塊實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，WiFi模塊通過主控芯片的串口2 相連。WiFi 模塊聯(lián)網(wǎng)驅動程序設計如下。首先，初始化ESP8266 實現(xiàn)退出透傳、重啟、檢查模塊是否存在、關閉回顯、檢查設置是否成功等操作；然后發(fā)送WiFi 名和密碼連接目標AP；最后通過TCP 協(xié)議到連接TLink 云平臺。圖3 為WiFi 模塊聯(lián)網(wǎng)驅動程序設計流程圖。

圖3 WiFi 模塊聯(lián)網(wǎng)驅動程序設計流程圖

2.3 LoRa 無線局網(wǎng)關模塊驅動程序設計

使用SPI 通信協(xié)議來驅動LoRa SX1278 無線模塊，LoRa 模塊驅動程序設計如下。首先，完成SPI 引腳及工作狀態(tài)設置和SX1278 工作參數(shù)配制；然后，如果設備為網(wǎng)關則通過LoRa 模塊每3 秒收集從機數(shù)據(jù)，如果設備為從機則通過LoRa 模塊時刻監(jiān)聽“網(wǎng)關詢問”指令任務。圖4 為LoRa 模塊驅動程序設計流程圖。

圖4 LoRa 模塊驅動程序設計流程圖

2.4 視覺異常事件監(jiān)測程序設計

使用OpenMV 機器視覺模塊的幀差異算法進行運動物體檢測，然后通過OpenMV 模塊的串口通信接口將數(shù)字量信號輸送給主控芯片，主控芯片使用串口1 與OpenMV 模塊相連，在串口1 的中斷服務函數(shù)中添加異常事件累計語句。OpenMV 嵌入式視覺模塊安裝到二自由度平臺上，通過水平和垂直方向的PWM 控制信號實現(xiàn)視覺模塊的寬視野異常事件檢測。圖5 為主控器串口2 接收異常事件監(jiān)測信號的程序設計流程圖。

圖5 常事件監(jiān)測信號采集程序設計流程圖

2.5 非法入侵事件監(jiān)測程序設計

門窗非法入侵監(jiān)測信號傳輸選用“凌承芯電子公司”的蜂鳥無線模塊，無線接收端為靈-R1 模塊，該模塊的4 路開關量輸出給主控芯片的外部中斷模式引腳。開關量為低電平時會觸發(fā)外部中斷服務函數(shù)，在中斷服務函數(shù)中添加非法入侵事件累計語句。圖6 為非法入侵事件監(jiān)測B 通道開關量信號采集程序設計流程圖。

圖6 非法入侵數(shù)字量信號采集程序設計流程圖

2.6 煙霧及可燃氣體監(jiān)測程序設計

煙霧傳感器及可燃氣體傳感器輸出的信號為模擬信號，使用主控芯片自帶的AD 轉換器將傳感器信號轉為數(shù)字量，方便后期數(shù)據(jù)的運算及儲存。圖7 為AD 轉換器程序設計流程圖。

圖7 煙霧及可燃氣體信號ADC 轉換程序設計流程圖

2.7 DHT11 傳感器驅動程序設計

DHT11 采用單總線雙向串行通信協(xié)議，每次采集信息都要由主控器發(fā)起開始信號，如果傳感器正常且存在則DHT11 將起始信號拉低一段時間，然后 DHT11 會向單片機發(fā)送響應并開始傳輸40 位數(shù)據(jù)幀，并且數(shù)據(jù)幀的高位在前。圖8 為DHT11 傳感器驅動程序設計流程圖。

圖8 DHT11 模塊連接電路原理圖

3 聯(lián)網(wǎng)測試

3.1 連接 TLink 云平臺

本文選用的是TLink 物聯(lián)網(wǎng)云平臺。首先，登錄TLink云平臺創(chuàng)建設備，并完成頁面參數(shù)設置（設備名稱、鏈接協(xié)議、掉線延時、傳感器）等操作。然后，配制設備的協(xié)議標簽，協(xié)議標簽是傳輸一幀數(shù)據(jù)的格式，包括數(shù)據(jù)頭、分隔、數(shù)據(jù)、結束符四部分構成。最后，設置網(wǎng)關程序關鍵參數(shù)，包括TLink 云平臺的IP 地址、設備端口號、設備ID 地址。網(wǎng)關設備發(fā)送的第一幀數(shù)據(jù)為設備序列號以便與TLink 云平臺建立連接，接著定期發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)即可。

3.2 發(fā)布云組態(tài)

為了提高用戶使用系統(tǒng)的便捷性，增強設備與用戶間的交互性，本文使用TLink 云平臺的云組態(tài)功能設計搭建了“基于視覺物聯(lián)網(wǎng)的智能家居安防系統(tǒng)”云組態(tài)，圖9 為“基于視覺物聯(lián)網(wǎng)的智能家居安防系統(tǒng)”云組態(tài)界面，云組態(tài)可發(fā)布成PC 端版和手機端版。云組態(tài)可實現(xiàn)顯示前端節(jié)點采集的溫度值、可燃氣體濃度、煙霧濃度、非法入侵事件累計次數(shù)、異常事件累計次數(shù)等信息。同時可通過下發(fā)數(shù)據(jù)操作實現(xiàn)前端節(jié)點的OpenMV 二組自由度平臺旋轉角度控制。如指令：1-X50-Y65，即為設備1 的OpenMV 機器視覺模塊X 軸轉動50PWM 值，Y 軸旋轉65PWM 值。

圖9 “視覺物聯(lián)網(wǎng)家居安防系統(tǒng)”云組態(tài)界面

3.3 聯(lián)調測試

系統(tǒng)上電后網(wǎng)關通過WiFi 模塊連接到Tlink 云服務器，此次測試網(wǎng)關設備通過無線局域網(wǎng)與三臺前端節(jié)點設備（從機）相連，網(wǎng)關設備每隔3 秒鐘廣播監(jiān)聽前端節(jié)點采集的溫度值、煙霧濃度值、非法入侵次數(shù)、事件異常次數(shù)等信息。聯(lián)網(wǎng)測試效果如圖9 所示，到此已完成“監(jiān)測端+云傳輸+智能端”三維一體的智能家居安防平臺的軟件系統(tǒng)設計。

4 結論

本文主要針對基于視覺物聯(lián)網(wǎng)技術的智能家居安防平臺的軟件系統(tǒng)進行了設計與實現(xiàn)，包括顯示屏驅動程序設計、WiFi 模塊聯(lián)網(wǎng)驅動程序設計、LoRa 無線局網(wǎng)關模塊驅動程序設計、非法入侵事件監(jiān)測程序設計、視覺異常事件監(jiān)測程序設計、煙霧及可燃氣體監(jiān)測程序設計、DHT11 傳感器驅動程序設計及“基于視覺物聯(lián)網(wǎng)的安防系統(tǒng)”云組態(tài)界面搭建。經(jīng)過聯(lián)網(wǎng)測試，嵌入視覺檢測技術的智能家居安防系統(tǒng)能夠準確實時的監(jiān)測家居環(huán)境，良好的云組態(tài)交互界面提高了用戶操作的便捷性和實用性。