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

摘 要： 信息技術(shù)的高速發(fā)展改變了人們的家居理念，建立一個(gè)高效、低成本的智能家居環(huán)境已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。以圖形化軟件LabVIEW 2012為開發(fā)平臺，選用NI USB?6009數(shù)據(jù)采集卡、SIM300 GSM模塊和USB攝像頭，設(shè)計(jì)了一種智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對家居室內(nèi)溫度、濕度、光照度、燃?xì)鉄熿F和安防狀態(tài)等環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及遠(yuǎn)程GSM短信息報(bào)警，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，人機(jī)界面友好，易于操作，可擴(kuò)展性強(qiáng)，且測試成本低。

關(guān)鍵詞： LabVIEW； USB?6009； SIM300 GSM； 智能家居

中圖分類號： TN919?34； TP274+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）24?0103?03

Design of smart home monitoring system based on LabVIEW

QIAN Sheng?qiang

（School of Electronics and Electrical Engineering， Changzhou College of Information Technology， Changzhou 213164， China）

Abstract： With the rapid development of information technology， people’s concept of home is changed a lot. The establishment of an efficient and low cost smart home environment has become the focus of attention. Taking the graphical software LabVIEW2012 as a platform， NI USB?6009 data acquisition card， SIM300 GSM module and USB camera are adopted to complete the design of a smart home monitoring system. The system executes the real?time monitoring of environmental parameters and remote SMS alarm of the indoor temperarure， humidity， illumination， gas smoke and security state. The system is reliable and easy to operate， and has friendly man?machine interface and low test cost.

Keywords： LabVIEW； USB?6009； SIM300 GSM； smart home

隨著測控技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的高速發(fā)展及人們家居理念的變化與提升，現(xiàn)代社會家庭成員已把追求數(shù)字家庭智能化帶來的多元信息安全、舒適便利的生活環(huán)境作為理想目標(biāo)。因此，如何建立一個(gè)高效率、低成本、易擴(kuò)展的智能家居系統(tǒng)已成為人關(guān)注的焦點(diǎn)。虛擬儀器強(qiáng)調(diào)“軟件就是儀器”的新概念，它是在計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺上，配以相應(yīng)測試功能硬件作為I/O接口，利用儀器軟件由用戶自己定義、設(shè)計(jì)測試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)，虛擬儀器具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、結(jié)果輸出顯示三大基本功能。 LabVIEW是NI美國國家儀器公司的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，是目前最完善、應(yīng)用最廣泛的圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境，LabVIEW擁有豐富的工具包，編程效率高，大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間[1]。本設(shè)計(jì)立足目前智能家居的監(jiān)控需求，采用虛擬儀器技術(shù)，以LabVIEW 2012為軟件平臺，選用NI公司的 USB?6009數(shù)據(jù)采集卡、SIMCOM公司的SIM300 GSM模塊和USB攝像頭，構(gòu)建一個(gè)集家居環(huán)境監(jiān)測、家用電器控制、安防報(bào)警、視頻監(jiān)控等功能為一體的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體框圖見圖1，系統(tǒng)通過各類傳感器模塊采集家居環(huán)境的溫度、濕度、光照度、煤氣泄漏、周界安防狀態(tài)等信息，經(jīng)信號調(diào)理后，通過USB?6009數(shù)據(jù)采集卡送入裝有LabVIEW的監(jiān)控平臺，完成對環(huán)境參數(shù)的顯示、分析、存儲和報(bào)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。視頻探頭采用USB口與PC相連，實(shí)時(shí)采集家居環(huán)境的圖像視頻，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控功能。SIM300 GSM模塊通過VISA串口與LabVIEW平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常報(bào)警情況時(shí)，系統(tǒng)向用戶自動發(fā)送SMS手機(jī)短信報(bào)警，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警功能。

2 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 USB?6009數(shù)據(jù)采集卡

LabVIEW 軟件獲取數(shù)據(jù)的方法是通過對I/O 接口設(shè)備的驅(qū)動完成的。本系統(tǒng)采用的I/O 接口設(shè)備為美國NI公司的USB?6009，它是一款USB總線供電14位多功能DAQ數(shù)據(jù)采集模塊。該模塊提供了8路模擬輸入通道，2路模擬輸出通道，48 kS/s單通道采樣率，12條數(shù)字I/O線，32位計(jì)數(shù)器，與LabVIEW兼容。 USB6009其即插即用的安裝最大程度降低了配置和設(shè)置時(shí)間，USB總線的供電使用戶不再需要攜帶多余外部電源，使用便捷。

圖1 智能家居系統(tǒng)總框圖

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊由溫濕度傳感器CHT3W2TLD、光照度傳感器、煙霧傳感器MQ?2、紅外傳感器E18?D50NK等組成。Honeywell公司的溫濕度傳感器，能同時(shí)采集溫度和濕度，且線性較好，輸出電壓范圍為0～5 V，溫度測量范圍：-20～85 °C，精度： ± 0.5 °C，濕度測量范圍：0～100% RH，精度：±5% RH。光照度采用光敏電阻進(jìn)行檢測，室內(nèi)的煙霧和煤氣泄漏則選用MQ?2煙霧傳感器進(jìn)行監(jiān)測，工作電壓直流5 V，模擬量及TTL電平雙路信號輸出，TTL輸出時(shí)有效信號為低電平。該傳感器成本低廉，靈敏度較好，穩(wěn)定性可靠，具有快速響應(yīng)恢復(fù)特性。紅外傳感器E18?D50NK檢測距離可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有探測距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn)，工作電壓直流5 V，輸出為TTL電平信號[2?3]。

2.3 SIM300 GSM短信模塊

GSM（Global System for Mobile Communication）網(wǎng)絡(luò)是目前基于時(shí)分多址技術(shù)和頻分多址技術(shù)的通信網(wǎng)絡(luò)體系，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，安全保密性高，又不需要組建專用網(wǎng)絡(luò)和對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行維護(hù)，具有傳輸速度快、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，在遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[4]。本系統(tǒng)的短信報(bào)警功能采用了SIMCOM公司的SIM300 GSM模塊發(fā)送SMS短信實(shí)現(xiàn)。SIM300是支持GSM/GPRS 900/1 800/1 900 MHz三頻的低功耗模塊，內(nèi)嵌了處理器，它支持標(biāo)準(zhǔn)RS 232接口，能夠方便地與PC連接。在本系統(tǒng)中即通過RS 232接口實(shí)現(xiàn)LabVIEW和SIM300模塊的通信，采用LabVIEW軟件開發(fā)短信控制程序，實(shí)現(xiàn)手機(jī)對智能家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程短信報(bào)警功能。

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)用戶界面設(shè)計(jì)

當(dāng)用戶成功登錄系統(tǒng)后，即可進(jìn)入智能家居系統(tǒng)的主界面，如圖2所示。在主界面中，用戶可對客廳、臥室、廚房三個(gè)房間的溫度、濕度、光照度、可燃?xì)怏w、家居安防等信息進(jìn)行監(jiān)測，并對采集的信號進(jìn)行分析和判斷處理，當(dāng)出現(xiàn)燃?xì)庑孤熿F、有人闖入等異常情況時(shí)系統(tǒng)發(fā)出高亮警報(bào)、報(bào)警信息存儲和遠(yuǎn)程手機(jī)短信報(bào)警。

圖2 系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)設(shè)為有人和無人2種模式，當(dāng)系統(tǒng)處于有人模式時(shí)，僅實(shí)現(xiàn)對家居環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)設(shè)為無人模式時(shí)才開啟系統(tǒng)報(bào)警處理功能。此外，系統(tǒng)考慮設(shè)計(jì)了智能遙控面板，如圖3所示，通過點(diǎn)擊遙控面板中各功能按鈕，可實(shí)現(xiàn)對各房間的燈光、窗簾和空調(diào)等設(shè)備進(jìn)行軟硬件控制。

圖3 智能遙控面板

3.2 數(shù)據(jù)采集程序

主程序采用生產(chǎn)者?消費(fèi)者（事件）架構(gòu)，生產(chǎn)者循環(huán)主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的多通道數(shù)據(jù)采集分析顯示和用戶界面事件的響應(yīng)，消費(fèi)者循環(huán)則根據(jù)生產(chǎn)者的入隊(duì)列信息完成視頻監(jiān)控和報(bào)警程序的處理。采用這種架構(gòu)可使程序響應(yīng)事件更快、執(zhí)行效率更高。如圖4所示，在生產(chǎn)者循環(huán)中利用事件結(jié)構(gòu)的超時(shí)分支設(shè)定每過200 ms進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)顯示刷新，以保證顯示界面的實(shí)時(shí)性。程序中采用了NI DAQmx函數(shù)實(shí)現(xiàn)對家居環(huán)境的各參數(shù)的采集、顯示和閾值分析。基于NI DAQmx數(shù)據(jù)采集的具體方法是：首先根據(jù)采集任務(wù)創(chuàng)建DAQmx數(shù)據(jù)通道，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置，然后調(diào)用DAQmx讀取或?qū)懭牒瘮?shù)，實(shí)現(xiàn)信號的采集和控制，最后停止DAQmx任務(wù)。

圖4 數(shù)據(jù)采集程序

3.3 系統(tǒng)報(bào)警處理程序

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生報(bào)警時(shí)，LabVIEW將通過VISA來實(shí)現(xiàn)與GSM短信模塊的串口通信。VISA（Virtual Instrument Software Architecture）是NI公司開發(fā)的一種用來與各種儀器總線進(jìn)行通信的高級應(yīng)用編程接口。在LabVIEW中通過調(diào)用現(xiàn)成的VISA節(jié)點(diǎn)函數(shù)，用戶可以輕松構(gòu)建基于已有串口硬件設(shè)備基礎(chǔ)之上的數(shù)據(jù)采集與測控平臺，而無需添加其他新的硬件設(shè)備。此外，VISA函數(shù)不僅與串口，還可以與GPIB，USB，PXI，VXI和以太網(wǎng)等多種總線通信，因而使得在LabVIEW中借助VISA節(jié)點(diǎn)函數(shù)編寫的串口程序具有很好的可移植性。當(dāng)硬件接口改變時(shí)，只需對VISA函數(shù)做適當(dāng)?shù)膮?shù)配置修改便可完成對不同平臺，不同類型設(shè)備的開發(fā)、移植及升級，從而大大提高了開發(fā)效率。如圖5所示，調(diào)用了LabVIEW中3個(gè)VISA串口操作節(jié)點(diǎn)，分別是配置串口節(jié)點(diǎn)、VISA寫入節(jié)點(diǎn)和VISA關(guān)閉節(jié)點(diǎn)。程序首先設(shè)置串口通信的波特率、校驗(yàn)方式、數(shù)據(jù)位數(shù)停止位等參數(shù)。然后調(diào)用VISA 寫入函數(shù)，將要發(fā)送的報(bào)警信息通過AT指令傳送給SIM300 GSM模塊，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)短信的遠(yuǎn)程發(fā)送。整個(gè)程序運(yùn)行結(jié)束后，利用VISA關(guān)閉節(jié)點(diǎn)把占用的串口資源釋放掉[5]。除了手機(jī)短信報(bào)警外，系統(tǒng)對報(bào)警情況將進(jìn)行信息自動存儲，將發(fā)生報(bào)警的時(shí)間和數(shù)據(jù)信息記錄保存在主程序路徑下的報(bào)警記錄.txt文件中，方便用戶進(jìn)行查詢。

3.4 圖像采集程序

為降低成本和方便安裝系統(tǒng)，采用目前普遍使用的USB攝像頭配合NI的IMAQ Vision模塊來實(shí)現(xiàn)可視化圖像采集。系統(tǒng)首先要安裝與LabVIEW版本相同的NI Vision Development Module視覺開發(fā)模塊，然后再安裝NI?IMAQ for USB Cameras?USB攝像頭驅(qū)動程序，通過這個(gè)驅(qū)動，所有DirectShow圖像采集設(shè)備均可在LabVIEW中進(jìn)行圖像采集。圖6為圖像采集程序框圖，在生產(chǎn)者?消費(fèi)者架構(gòu)中以隊(duì)列來傳遞視頻監(jiān)控的操作指令，當(dāng)按下監(jiān)控開關(guān)的界面事件發(fā)生，生產(chǎn)者循環(huán)中運(yùn)行指令入隊(duì)列，在消費(fèi)者循環(huán)中接收到運(yùn)行指令后才打開攝像，以免不必要的資源浪費(fèi)[6]。

圖5 系統(tǒng)報(bào)警處理程序

圖6 圖像采集程序

4 結(jié) 語

系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)、測控技術(shù)和GSM網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于LabVIEW的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)程報(bào)警。系統(tǒng)監(jiān)控界面選擇LabVIEW軟件，縮減了系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)效率。實(shí)際運(yùn)行表明，系統(tǒng)使用穩(wěn)定可靠，人機(jī)交互界面友好，成本低效率高，易于擴(kuò)展與維護(hù)。本系統(tǒng)不僅可應(yīng)用于家居住宅，還可以用于倉庫、廠房和溫室大棚等地方的安防監(jiān)控與遠(yuǎn)程控制，具有較為廣闊的市場應(yīng)用前景。

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