家用智能門鏡開發(fā)

哈爾濱理工大學(xué)測試技術(shù)與通信工程學(xué)院 李冬明 王丹丹 吳海微

1.引言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，生活水平越來越高，安全意識(shí)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(cái)產(chǎn)安全提供更好的保障。

相比現(xiàn)在市場上的只有報(bào)警功能的門鏡來說，本設(shè)計(jì)研究的家用智能門鏡的功能更加強(qiáng)大，能實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)控裝有門鏡的環(huán)境，人體紅外探測及報(bào)警，提供圖片存儲(chǔ)功能，以及煙霧、震動(dòng)、溫度的監(jiān)測及報(bào)警，能為用戶的人身和財(cái)產(chǎn)安全提供更好的保證。設(shè)計(jì)出這種小型的家用智能門鏡，還具有一定存儲(chǔ)能力、小型化、宜于安裝、并能在PC機(jī)上回放的功能。

2.系統(tǒng)模型

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

3.設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)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(jī)，這是一款低成本處理器，完全滿足設(shè)計(jì)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(wù)的龐大函數(shù)庫，所以本設(shè)計(jì)大部分功能是利用它來實(shí)現(xiàn)軟件的設(shè)計(jì)。Serv-U是目前眾多的FTP服務(wù)器軟件之一，通過使用Serv-U，用戶能夠?qū)⑷魏我慌_(tái)PC設(shè)置成一個(gè)FTP服務(wù)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(luò)上的任何一臺(tái)PC與FTP服務(wù)器連接，本設(shè)計(jì)用它來實(shí)現(xiàn)照片和數(shù)據(jù)的傳輸。本設(shè)計(jì)的總體框架圖如圖1所示。

圖1 家用智能門鏡總設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)是利用單片機(jī)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(dòng)傳感模塊的數(shù)據(jù)。然后利用工控主板來采集單片機(jī)上的數(shù)據(jù)并且進(jìn)行分析。再把每半秒采集來的數(shù)據(jù)和照片通過ftp實(shí)時(shí)傳送到上位機(jī)上，在上位機(jī)上進(jìn)行存儲(chǔ)，并且同時(shí)把圖片和數(shù)據(jù)以及報(bào)警的時(shí)間進(jìn)行顯示。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)，就是采集傳感器輸出的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)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(xì)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(jī)、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(dòng)傳感模塊。

（1）各個(gè)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(chǎn)生的檢測電流經(jīng)行信號(hào)調(diào)理模塊處理、放大，之后轉(zhuǎn)化成有效的信號(hào)送入單片機(jī)。本設(shè)計(jì)采用紅外熱釋電傳感器專用信號(hào)處理芯片BISS0001來完成入侵信號(hào)的處理放大。BISS0001是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間和封鎖時(shí)間定時(shí)器及參考電壓源等構(gòu)成的數(shù)?；旌霞呻娐?。BISS0001與紅外熱釋電傳感器LHi778的連接電路。當(dāng)有人在一定范圍內(nèi)接近時(shí)傳感器發(fā)生觸發(fā)，進(jìn)過一系列的變化就會(huì)輸出高電平。

紅外柵欄模塊：當(dāng)有人隔斷柵欄的對射的紅外線時(shí)就會(huì)輸出高電平，單片機(jī)就會(huì)采集到高電平的數(shù)據(jù)，證明有人經(jīng)過。

溫度傳感模塊：當(dāng)室內(nèi)的溫度發(fā)生變化時(shí)，溫度傳感的數(shù)據(jù)就會(huì)發(fā)生變化，通過單片機(jī)能采集到室內(nèi)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(nèi)外電離室里面有放射源镅241，電離產(chǎn)生的正、負(fù)離子，在電場的作用下各自向正負(fù)電極移動(dòng)。在正常的情況下，內(nèi)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(yùn)動(dòng)，電流，電壓就會(huì)有所改變，破壞了內(nèi)外電離室之間的平衡，于是就會(huì)發(fā)出報(bào)警的信號(hào)，把數(shù)據(jù)送到單片機(jī)。

震動(dòng)傳感模塊：它是被放在門上的，當(dāng)有人開門時(shí)就會(huì)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(shè)計(jì)

單片機(jī)是用來采集各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)，并且通過I/O口輸出，在經(jīng)過LabVIEW的軟件編程在工控主板上來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集于分析。為了能用計(jì)算機(jī)處理信號(hào)，須將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，也就是將采樣信號(hào)的幅值用二進(jìn)制碼來表示，由于二進(jìn)制碼的位數(shù)是有限的，只能代表有限個(gè)信號(hào)的電平，故在編碼之前，首先要對采樣信號(hào)進(jìn)行“量化”。開辟一段循環(huán)緩沖區(qū)，設(shè)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(shí)，LabVIEW依據(jù)設(shè)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(shè)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(yùn)行時(shí)，緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)不會(huì)溢出。

可以通過調(diào)節(jié)以下3個(gè)參數(shù)來達(dá)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(shè)計(jì)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(shè)置COM口，對緩沖區(qū)大小及等待時(shí)間等操作以便于觀察。該界面操作方便，在PC設(shè)備管理器里找到對應(yīng)的串口即VIAS資源名稱，修改緩沖區(qū)大小默認(rèn)為4096字節(jié)，點(diǎn)擊運(yùn)行即可采集出單片機(jī)中的數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

該模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在利用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行上傳，在保證能接受到服務(wù)器上傳的文件之后，找到照片及數(shù)據(jù)的地址，點(diǎn)擊運(yùn)行即可實(shí)時(shí)的顯示服務(wù)器上傳的移動(dòng)基站發(fā)電機(jī)的工作環(huán)境狀況，對于傳輸技術(shù)，主要有以下三種：

（1）遠(yuǎn)程設(shè)備訪問（RDA）技術(shù)

（2）DataSocket技術(shù)

（3）其它技術(shù)

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

（1）遠(yuǎn)程設(shè)備訪問（RDA）技術(shù)

利用LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)，結(jié)合FTP服務(wù)器軟件Serv-U，實(shí)現(xiàn)從服務(wù)器到客戶端的實(shí)時(shí)傳輸。圖像監(jiān)控采用高清外置攝像頭，存儲(chǔ)于服務(wù)器，通過無線路由器及Serv-U實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與客戶端實(shí)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(wù)器軟件之一。通過使用Serv-U，用戶能夠?qū)⑷魏我慌_(tái)PC設(shè)置成一個(gè)FTP服務(wù)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(tái)PC與FTP服務(wù)器連接，進(jìn)行文件或目錄的復(fù)制，移動(dòng)，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(jì)算機(jī)之間進(jìn)行文件傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)和規(guī)則，正是因?yàn)橛辛讼馞TP這樣的專門協(xié)議，才使得人們能夠通過不同類型的計(jì)算機(jī)，使用不同類型的操作系統(tǒng)，對不同類型的文件進(jìn)行相互傳遞。）建立了即可完成服務(wù)器與客戶端的局域網(wǎng)連接，完成通信。

（3）LabVIEW實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸

如下圖的程序來實(shí)現(xiàn)照片和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)的傳到上位機(jī)上。

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

經(jīng)過以上的程序即可建立服務(wù)器的FTP服務(wù)，由于設(shè)計(jì)的是將各部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總到主機(jī)，設(shè)計(jì)上采用服務(wù)器及客戶端模式，由于服務(wù)器設(shè)計(jì)能通過Serv-U的設(shè)置訪問客戶機(jī)的文件，所以只需要設(shè)計(jì)服務(wù)器上傳即可，不需要設(shè)計(jì)客戶機(jī)的程序，服務(wù)器可以將文件傳輸?shù)娇蛻魴C(jī)自己設(shè)置好的位置，在保證了雙方能通信的情況下，設(shè)計(jì)其工作模式：

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

2）服務(wù)器建立連接開啟FTP。

3）選擇需要上傳的文件地址local path。

4）點(diǎn)擊運(yùn)行即可進(jìn)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(zhuǎn)化為數(shù)組進(jìn)行處理，關(guān)鍵即為怎么對數(shù)據(jù)處理及報(bào)警的，取出對應(yīng)的行量，和不能超過的最大值進(jìn)行比較，若比它大則就報(bào)警，報(bào)警燈閃爍，否則只記入數(shù)據(jù)即可。在報(bào)警的同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)，就得必須記入時(shí)間，以便可以對記錄進(jìn)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(dāng)沒有報(bào)警時(shí)燈是綠色的，當(dāng)超過設(shè)置的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)報(bào)警（即報(bào)警燈紅色）點(diǎn)擊可以進(jìn)入報(bào)警記錄界面，就會(huì)看到相應(yīng)項(xiàng)目的報(bào)警的時(shí)間顯示。這個(gè)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(jié)束語

通過對本設(shè)計(jì)的研究，已經(jīng)完成了具有實(shí)時(shí)拍照、實(shí)時(shí)傳輸、照片存儲(chǔ)、人體紅外報(bào)警、紅外柵欄報(bào)警、煙霧報(bào)警、振動(dòng)報(bào)警及溫度顯示功能的家用智能門鏡。為用戶的人身財(cái)產(chǎn)安全提供很好的保障。

[1]陳樹學(xué),劉萱.LabVIEW寶典[M].電子工業(yè)出版社,2009.

[2]雷振山,肖成勇,魏麗.LabVIEW高級(jí)編程與虛擬儀器工程應(yīng)用[M].北京:中國鐵道出版社,2009.

[3]鄭對元.精通LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010.

[4]潘永雄.STM8S單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2011.

[5]周予濱,田學(xué)峰.計(jì)算機(jī)與RS232接口實(shí)用指南[M].北京:電子工業(yè)出版社,1995.