基于ARM-LabVIEW的家居安防監控系統的設計

馬玉娟，楊國華，2，衛寧波，張 康，喬月妮

(1.寧夏大學 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的家居安防監控系統的設計

馬玉娟1，楊國華1，2，衛寧波1，張 康1，喬月妮1

(1.寧夏大學 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)

隨著人們對居住環境的舒適度及家庭安全防范要求的提高，設計新型高效家居環境智能監控系統顯得尤為重要。采用ARM Cortex a8芯片作為嵌入式系統處理器，運用STC12C5410AD無線模塊實現家用電器的遠程開關控制，選用AM2305溫濕度傳感器以及ZYMQ-2氣體傳感器實現報警數據的采集，USB攝像頭實現對室內環境的實時監控，利用LabVIEW圖形化軟件，通過開發環境的搭建、軟件程序的移植與設計等過程設計了一套家居智能安防系統。最后，系統運行調試表明，該系統不僅監控界面友好、便于操作，而且測試成本低、效率高、可擴展性強，可實現對家居環境的實時監測和控制，滿足智能家居安防監控的要求。

ARM；LabVIEW；數據采集；家居安防

智能家居是一種兼備建筑、信息家電、設備自動化、網絡通信，集成系統、服務、結構、管理為一體且以住宅為平臺的智能化居住環境。智能家居系統是利用綜合布線技術、先進的網絡通信技術、自動化控制技術將家居生活有關的各種子系統，如安防、燈光控制、各類信息家電等有機地結合在一起，通過網絡化綜合智能控制和管理，有效提升家居環境的安全性、節能性和舒適性[1]。

從智能家居在中國市場的發展情況來看，雖然目前智能家居系統已出現了不少的研究公司和產品，有了進一步的發展，但整體市場仍處于初級發展階段，且傳統的對智能家居安防的研究多采用電纜和電話線有線監控方式，存在布線復雜、維護費用高、監控不準時等問題[2]；操作環境多采用Linux系統，作為軟件開發平臺，開發費時，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]，容易讓用戶產生排斥心理。因此，本文提出的系統采用嵌入式技術來降低功耗和成本，利用LabVIEW圖形化編程功能能方便直觀地實現操作界面的開發，充分考慮用戶的體驗，結合有線與無線兩種通信網絡擴展應用范圍，引入模塊化設計提高系統的開放性的設計思路，最終構建一個家居服務平臺，特別是通過無線控制家電技術，提高其操作的便捷性，使得操作所見即所得。

圖1 系統的總體結構框圖

2 系統的總體設計方案

2.1 系統功能

智能家居系統是一種能夠對家用電器、安防設備和數據采集設備進行智能化監控的系統，該系統包括煤氣檢測模塊、高溫報警模塊、數據采集模塊、數據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，對家居環境的安全性提供保障；數據采集模塊實現對室內的溫度濕度、煙霧煤氣等物理量進行采集，并把實時數據反饋給主控模塊，主控模塊作出相應處理，調用相應的控制模塊對風扇、照明燈具和智能窗簾等家電設備進行控制，以便為用戶提供一種安全、便捷、舒適的居住環境。數據存儲模塊是用來存放系統中的各類設備運行狀態、設備異常記錄等信息，從而方便用戶查看歷史記錄。

2.2 系統整體結構

本系統以ARM Cortex a8為核心處理器，Wince嵌入式系統為家居總中心監控系統，使用LabVIEW完成了控制程序及人機界面的編寫，系統通過各類傳感器模塊采集家居環境的溫濕度、煙煤氣體濃度等信息，外圍設備有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Modbus通信協議，通過RS-485總線送入裝有Wince的嵌入式監控平臺，完成對室內環境參數的顯示、分析、存儲和報警功能，并根據相應參數完成對燈光、空調、窗簾等家居設備的自動控制；無線模塊通過STC12C5410AD模塊，主要完成對家居設備的遠程控制。遠程用戶可通過局域以太網或WiFi訪問整個家居環境。本系統的總體結構框圖如圖1所示。

3 硬件接口設計

3.1 無線模塊電路設計

本系統無線通信模塊采用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幾乎包括了數據采集和控制中所有必要的單元模塊，可算得上一個系統級芯片(SOC)，能夠很容易地構成典型的測量和控制系統。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計

本系統中的溫濕度傳感器選用AM2305數字式溫濕度傳感器[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，當主機按Modbus通信協議詢問傳感器時，傳感器會回復主機當前溫濕度值。AM2305的接口電路設計如圖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計

系統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率較低的二氧化錫(SnO2)。氣體傳感器ZYMQ-2的信號調理電路如圖4所示。

圖4 ZYMQ-2信號調理電路

4 系統軟件的實現

系統軟件采用在Wince操作系統下基于LabVIEW圖形化編程軟件[6]來完成整個項目，該系統運行可靠，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 系統軟件總體流程圖

4.1 系統主控界面的設計

在嵌入式Wince主控系統用戶登錄成功后，即可進入智能家居安防監控系統主界面，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境。當廚房出現燃氣泄漏、煙霧或其他房間高溫等異常情況時系統會發出報警信號，用戶可通過歷史曲線的查詢從而確定是哪個房間出現的報警信息，通過無線模塊用戶還可實現遠程對家用設備開關的控制[7]。

圖6 系統主控界面(截圖)

4.2 家電控制模塊軟件實現

控制模塊主要是對家用電器的工作狀態進行控制[8]，采用有線方式和無線遠程操作兩種控制方式，對家居環境進行監測，實時進行安防報警，隨時實現對相應家電設備的自動開啟和關閉，從而提高用戶生活質量，達到節能便捷的目的。其中家電設備包括電燈、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 數據采集模塊軟件實現

系統采用AM2305數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，當采集到的溫度值超出設定好的高溫閾值時，發出高溫報警信號，根據設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通信協議采集傳輸，因此在LabVIEW程序設計中不同房間的溫濕度值只需修改其輸入指令中的設備地址，將各個程序并聯即可。圖9為客廳溫濕度采集結果顯示，圖中溫濕度值為當前采集到的數據并實時顯示。

圖9 溫濕度采集結果(截圖)

4.4 視頻采集軟件實現

為降低成本和方便系統安裝，本系統采用目前普遍使用的USB攝像頭配合NI的IMAQ Visio模塊來實現可視化圖像采集[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、對其進行初始化設置，然后在while循環中進行視頻的采集，最后按下停止按鈕關閉攝像頭。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 結語

與傳統智能家居系統相比，本系統采用嵌入式ARM主控板，本控制系統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，監控界面選用LabVIEW圖形化編程軟件，該軟件開發時間短，系統使用穩定可靠，人機交互界面友好，成本低效率高，易于擴展與維護。控制中心與智能終端間采用有線與無線兩種傳輸方式，經Modbus通信協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了對家用電器開關的控制，更加便捷穩定地實現了對整個家居環境的監控，具有廣闊的應用前景。

[1] 趙立輝， 王京， 霍春寶. 基于物聯網的智能家居監控系統設計[J]. 電視技術， 2013， 37(22)：82-85.

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

[3] 吳文忠，李萬磊.基于ARM 和ZigBee的智能家居系統[J].計算機工程與設計，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監測系統的設計[J].中國科技信息，2012 (23)：89-91.

[6] 錢聲強.基于LabVIEW的智能家居監控系統設計[J].現代電子技術，2013，36(24)：103-105.

[7] 李紅剛，張素萍，方佳，等. 基于ARM的智能家居遠程監控系統設計[J].現代電子技術，2009，292(5)：134-138.

[8] 袁曉平，馬滿福. 基于ARM11的家電遠程控制系統[J].計算機應用與軟件，2013，30(10)：288-292.

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

楊國華(1972— )，教授，主研電氣自動化及新能源發電技術，為本文通訊作者；

衛寧波(1990— )，研究生，主研電工電子新技術；

張 康(1990— )，研究生，主研電力系統通信技術；

喬月妮(1989— )，女，研究生，主研方向為電力系統通信技術。

責任編輯：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，衛寧波，等.基于ARM-LabVIEW的家居安防監控系統的設計[J].電視技術,2015，39(11).

寧夏自然科學基金項目(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；

2014-12-29