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

馬玉娟，楊國華，2，衛(wèi)寧波，張 康，喬月妮

(1.寧夏大學(xué) 電氣工程與自動化系， 寧夏 銀川 750021；2.寧夏沙漠信息智能感知重點實驗室，寧夏 銀川 750021)

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

馬玉娟1，楊國華1，2，衛(wèi)寧波1，張 康1，喬月妮1

(1.寧夏大學(xué) 電氣工程與自動化系， 寧夏 銀川 750021；2.寧夏沙漠信息智能感知重點實驗室，寧夏 銀川 750021)

隨著人們對居住環(huán)境的舒適度及家庭安全防范要求的提高，設(shè)計新型高效家居環(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，運用STC12C5410AD無線模塊實現(xiàn)家用電器的遠程開關(guān)控制，選用AM2305溫濕度傳感器以及ZYMQ-2氣體傳感器實現(xiàn)報警數(shù)據(jù)的采集，USB攝像頭實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的實時監(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)計等過程設(shè)計了一套家居智能安防系統(tǒng)。最后，系統(tǒng)運行調(diào)試表明，該系統(tǒng)不僅監(jiān)控界面友好、便于操作，而且測試成本低、效率高、可擴展性強，可實現(xiàn)對家居環(huán)境的實時監(jiān)測和控制，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)、先進的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動化控制技術(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]。

從智能家居在中國市場的發(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，有了進一步的發(fā)展，但整體市場仍處于初級發(fā)展階段，且傳統(tǒng)的對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、維護費用高、監(jiān)控不準時等問題[2]；操作環(huán)境多采用Linux系統(tǒng)，作為軟件開發(fā)平臺，開發(fā)費時，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現(xiàn)操作界面的開發(fā)，充分考慮用戶的體驗，結(jié)合有線與無線兩種通信網(wǎng)絡(luò)擴展應(yīng)用范圍，引入模塊化設(shè)計提高系統(tǒng)的開放性的設(shè)計思路，最終構(gòu)建一個家居服務(wù)平臺，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)備進行智能化監(jiān)控的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括煤氣檢測模塊、高溫報警模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和家電控制模塊等[4]。其中煤氣檢測模塊、高溫報警模塊具有安防的功能，對家居環(huán)境的安全性提供保障；數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)對室內(nèi)的溫度濕度、煙霧煤氣等物理量進行采集，并把實時數(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)的控制模塊對風(fēng)扇、照明燈具和智能窗簾等家電設(shè)備進行控制，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)存儲模塊是用來存放系統(tǒng)中的各類設(shè)備運行狀態(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，完成對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的顯示、分析、存儲和報警功能，并根據(jù)相應(yīng)參數(shù)完成對燈光、空調(diào)、窗簾等家居設(shè)備的自動控制；無線模塊通過STC12C5410AD模塊，主要完成對家居設(shè)備的遠程控制。遠程用戶可通過局域以太網(wǎng)或WiFi訪問整個家居環(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

3.1 無線模塊電路設(shè)計

本系統(tǒng)無線通信模塊采用STC12C5410AD單片機，此模塊具有高速、低功耗、超強抗干擾能力，兼容8051功能且速度比8051要快8～12倍， 單片機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，可算得上一個系統(tǒng)級芯片(SOC)，能夠很容易地構(gòu)成典型的測量和控制系統(tǒng)。其中單片機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

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]。它包括一個電容式感濕元件和一個高精度測溫元件，其中測濕范圍是0～99.9%RH，分辨率0.1%RH，精度 ±2% RH；測溫范圍是-40～+80 ℃，分辨率0.1 ℃，精度 ±0.3 ℃， 響應(yīng)時間都小于5 s，能充分滿足測量要求。該傳感器上電后等待3 s左右，當(dāng)主機按Modbus通信協(xié)議詢問傳感器時，傳感器會回復(fù)主機當(dāng)前溫濕度值。AM2305的接口電路設(shè)計如圖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

系統(tǒng)中的煙霧和可燃氣體濃度檢測選用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的信號調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 ZYMQ-2信號調(diào)理電路

4 系統(tǒng)軟件的實現(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]來完成整個項目，該系統(tǒng)運行可靠，人機界面友好，易于操作，可擴展性強，且測試成本低，易被用戶接受。該軟件總系統(tǒng)功能如圖5所示。其包括前端信號的采集處理、信息的傳輸存儲、遠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

在嵌入式Wince主控系統(tǒng)用戶登錄成功后，即可進入智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)主界面，如圖6所示。在主界面中，用戶可通過手動切換下面各個房間的按鈕，從而對廚房、次臥、客廳、主臥四個房間的溫濕度、可燃氣體、報警安防等信息進行監(jiān)測，并對采集的信號進行分析和判斷處理，通過歷史曲線實時記錄整個家居環(huán)境。當(dāng)廚房出現(xiàn)燃氣泄漏、煙霧或其他房間高溫等異常情況時系統(tǒng)會發(fā)出報警信號，用戶可通過歷史曲線的查詢從而確定是哪個房間出現(xiàn)的報警信息，通過無線模塊用戶還可實現(xiàn)遠程對家用設(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現(xiàn)

控制模塊主要是對家用電器的工作狀態(tài)進行控制[8]，采用有線方式和無線遠程操作兩種控制方式，對家居環(huán)境進行監(jiān)測，實時進行安防報警，隨時實現(xiàn)對相應(yīng)家電設(shè)備的自動開啟和關(guān)閉，從而提高用戶生活質(zhì)量，達到節(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)采集模塊軟件實現(xiàn)

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

圖8 溫濕度采集流程圖

每個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)并實時顯示。

圖9 溫濕度采集結(jié)果(截圖)

4.4 視頻采集軟件實現(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后打開攝像頭、對其進行初始化設(shè)置，然后在while循環(huán)中進行視頻的采集，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

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)時間短，系統(tǒng)使用穩(wěn)定可靠，人機交互界面友好，成本低效率高，易于擴展與維護?？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，且通過有線或無線兩種方式實現(xiàn)了對家用電器開關(guān)的控制，更加便捷穩(wěn)定地實現(xiàn)了對整個家居環(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[J]. 電視技術(shù)， 2013， 37(22)：82-85.

[2] 熊瓊， 師衛(wèi)， 騰生強. 基于ARM cortexTM-A8與Android的智能家居系統(tǒng)[J]. 電視技術(shù)， 2014， 38(9)：85-88.

[3] 吳文忠，李萬磊.基于ARM 和ZigBee的智能家居系統(tǒng)[J].計算機工程與設(shè)計，2011，32(6)：1987-1990.

[4] GOMEZ C，PARADELLS J. Wireless home automation networks：a survey of architectures and technologies[J].Consumer Communications and Networking，2010 (6)：92-101.

[5] 劉大銘，馬克軍，馬天成.危險品車輛運輸途中狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].中國科技信息，2012 (23)：89-91.

[6] 錢聲強.基于LabVIEW的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36(24)：103-105.

[7] 李紅剛，張素萍，方佳，等. 基于ARM的智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，292(5)：134-138.

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[9] 闞鈺淇，張寧，徐熙平.LabVIEW 平臺下USB 圖像采集與處理系統(tǒng)設(shè)計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2013(6)：80-83.

楊國華(1972— )，教授，主研電氣自動化及新能源發(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，主研方向為電力系統(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

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

寧夏自然科學(xué)基金項目(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