虛擬儀器技術在智能家居監控系統中的應用與設計

張曉朋

(平頂山學院信息工程學院，河南 平頂山　467000)

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虛擬儀器技術在智能家居監控系統中的應用與設計

張曉朋

(平頂山學院信息工程學院，河南 平頂山467000)

為了營造舒適、便捷、安全的家居環境，設計了一種基于Arduino與LabVIEW的智能家居監控系統。系統選用Arduino Mega2560控制器作為下位機，以PC機為上位機。系統能夠對家居環境的燃氣濃度、溫濕度和人體活動等數據進行實時監控。當監控數據超限時，系統能夠自動控制家電設備的通斷，進行聲光報警，實現安全防護。測試結果表明，該系統操作方便，適用于現代住宅小區，具有一定的推廣和應用價值。

智能家居監控虛擬儀器LabVIEWArduinoTCP/IP燃氣濃度報警溫濕度數據采集入侵檢測

Temperature and HumidityData acquisitionIntrusion detection

0　引言

智能家居監控系統是對家用電器、數據采集設備和安防設備進行智能化監控的系統，它包括入侵報警、燃氣檢測、數據采集以及家電控制等功能模塊。其中，具有安防功能的燃氣檢測、入侵報警模塊為家庭提供了安全保障。數據采集模塊用于采集溫度、濕度等物理量，并將數據發送到控制模塊，以實現對空調、照明燈具和電動窗簾等設備的控制。該模塊可為用戶提供舒適、便捷、安全的家居環境[1]。

本文設計了基于TCP/IP網絡和數據采集模塊的智能家居監控系統，采用Arduino Mega2560控制器作為下位機、LabVIEW作為監控軟件，兩者通過網絡實現通信。

1　系統結構框圖及工作原理

系統總體結構框圖如圖1所示。

下位機以Arduino Mega2560控制器為核心，通過Ethernet擴展板接收并判斷LabVIEW上位機發送的控制命令。其一方面控制氣體傳感器、溫濕度傳感器和熱釋電傳感器，分別采集室內的燃氣濃度、溫濕度和人體活動的數據，并發送給上位機；另一方面，根據上位機的命令，控制多路控制繼電器組的斷開與閉合，從而控制家用電器的關閉與工作。

上位機以LabVIEW工具為核心，通過相關命令控制下位機采集室內的燃氣濃度、溫濕度和人體活動的數據，并對數據進行相關處理和顯示。當數據超限時，上位機報警，并向下位機發送相關命令，以控制相關電器的關閉與工作。

圖1　系統總體結構框圖Fig.1　Overall structure of the system

2　硬件設計

2.1傳感器的選擇

溫濕度傳感器采用DHT11溫濕度傳感模塊，是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器[2]。氣體傳感器采用MQ-2氣體傳感模塊，可以很靈敏地檢測到空氣中的煙霧以及甲烷氣體。熱釋電傳感器采用RD-623熱釋電紅外傳感模塊，其輸出為數字量，當感應到人體活動時，輸出高電平，否則輸出低電平[3]。

2.2電器控制部分設計

家用電器的供電為交流220 V，Arduino Mega2560控制器的輸出電壓范圍為直流0～5 V，不能直接用于驅動家用電器。為了使該控制器能夠控制家用電器，需要使用繼電器[4]。

本設計采用Easy-Y公司型號為Relay-4-H-5V的繼電器組，它是一種4路繼電器模塊控制板，工作電壓為直流5 V，輸出驅動能力為交流250V-10A，可以用于控制大部分的家用電器[5]。

2.3Arduino部分設計

Arduino Mega2560控制器與各傳感器和控制器的硬件連接如下。

將DHT11溫濕度傳感器的VCC和GND分別連接至Arduino Mega2560控制器的+5 V和GND，由DHT11供電；DHT11的DQ引腳連接到Arduino Mega2560控制器的數字引腳D2，并連接一個上拉電阻[6]。

將MQ-2氣體傳感器的兩個H引腳通過加熱電源接口接至加熱電源的正負極；將A端連接至Arduino Mega2560控制器的+5 V，將B端接至Arduino Mega2560控制器的模擬輸入端A0。

將RD-623熱釋電紅外傳感器的VCC和GND分別連接至Arduino Mega2560控制器的+5 V和GND，向RD-623供電；將RD-623的DOUT引腳連接到Arduino Mega2560控制器的數字引腳D3[7]。

將Relay-4-H-5 V固態繼電器模組的輸入控制端分別接至Arduino Mega2560控制器的數字引腳D4、D5、D6、D7、GND；將Relay-4-H-5V固態繼電器模組的輸出控制端分別接至空調、風扇、電動窗、電燈等家用電器[8]。

2.4網絡通信模塊的選擇

為實現Arduino控制板與LabVIEW的網絡通信，需要使用Ethernet擴展板來設計，并使用Arduino Ethernet類庫[9]。本設計采用集成了WIZnet W5100網絡芯片的擴展板。

3　軟件設計

3.1Arduino程序設計

Arduino程序主要包括以下4個部分:

①導入第三方庫，然后調用此庫，并進行一些必要的管腳定義和變量聲明；

②調用setup函數，設置傳感器和繼電器端口模式，并初始化網絡通信；

③調用loop函數，建立與上位機的網絡連接，循環接收上位機數據，然后調用數據處理子函數，判斷數據類型并執行相應的操作；

④定義數據處理子程序。

Arduino程序總體結構流程如圖2所示。

圖2　Arduino程序流程圖Fig.2　Flowchart of Arduino program

3.2LabVIEW程序設計

LabVIEW上位機的工作流程為：當前面板無操作接收超時1 s時，依次向下位機Arduino控制板發送溫濕度、燃氣濃度、熱釋電傳感器的讀取命令；Arduino控制板通過W5100接收上位機的命令后，讀取所需的數據，并通過W5100模塊上傳至上位機；上位機對相關數據進行顯示，如果相關數據超限，則立即向下位機Arduino控制板發送命令，以控制相關家電的關閉或工作，實現安防保護功能[10]。

3.2.1前面板設計

前面板由儀表盤、波形圖顯示、電器控制、入侵檢測和電源控制等部分組成。儀表盤部分用于顯示當前的燃氣濃度，并有超限報警指示；波形圖顯示部分用于顯示溫濕度的變化趨勢；電器控制部分用于手動控制各路電器的工作狀態；入侵檢測部分用防盜指示燈顯示熱釋電傳感器的狀態；系統電源部分用于控制系統的運行和停止。

3.2.2程序框圖設計

采用“事件結構+超時結構”來實現數據測量和電器控制，在測量中使用“條件結構+枚舉”的狀態機來實現溫濕度、燃氣濃度和熱釋電傳感器數據的讀取，將測量程序劃分為3個狀態：溫濕度檢測、燃氣濃度檢測和入侵檢測[11]。

通信部分采用“幀頭+操作碼”的通信協議。0x55AA為幀頭。操作碼0x80為溫濕度采集，0x81為燃氣濃度采集，0x82為熱釋電傳感器數據的采集；0x11為第一路繼電器閉合，0x10為第一路繼電器斷開；0x21為第二路繼電器閉合，0x20為第二路繼電器斷開；0x31為第三路繼電器閉合，0x30為第三路繼電器斷開；0x41為第四路繼電器閉合，0x40為第四路繼電器斷開。

在超時事件中，溫濕度檢測、燃氣濃度檢測和入侵檢測分別對應一個條件結構的一個分支，根據狀態機的值依次執行各分支程序。以燃氣濃度檢測分支為例，上位機通過TCP/IP網絡先向下位機Arduino控制板發送控制命令0x55AA81，并延時1 s；然后通過TCP/IP網絡讀取并顯示燃氣濃度數據，同時對濃度數據進行判斷，若濃度超限，則點亮濃度超限報警指示燈；置位電動窗開關和風扇開關，從而觸發相應的事件，進而打開電動窗和風扇進行安防保護。溫濕度檢測和入侵檢測分支的程序框圖和工作過程與此類似。

當觸發該事件時，上位機根據空調開關控件的狀態，先通過TCP/IP網絡向下位機Arduino控制板發送控制命令0x55AA11或者0x55AA10，再通過下位機驅動相應的繼電器，進而控制空調的運行與關閉。風扇開關、電動窗開關和電燈開關事件的程序框圖和工作過程與此類似。

4　系統調試

將程序燒寫到Arduino控制板后，用網線將W5100網絡模塊與計算機連接在同一個路由器的不同LAN端口，同時設置路由器，使Arduino控制板的網絡IP地址能夠被遠程的LabVIEW上位機軟件偵聽到[12]。

測試證明，基于Arduino與LabVIEW的智能家居監控系統運行穩定、可靠。系統采用W5100網絡模塊實現通信，采用溫濕度傳感器、氣體傳感器、熱釋電傳感器等采集感應模塊來監測家居環境，并能自動控制家電實現一定的安防保護功能，操作方便，適用于現代住宅小區，具有一定的推廣、應用價值。

5　結束語

隨著網絡技術的不斷發展，將設備接入互聯網是大勢所趨。本文設計的智能家居監控系統采用TCP/IP網絡協議作為Arduino控制板和LabVIEW上位機的通信方式，適用于互聯網和局域網的Arduino與LabVIEW結合的項目應用，而且成本較低、使用范圍廣。

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Design and Application of Virtual Instrument Technology in Smart Home Monitoring and Control System

In order to create a comfortable,convenient and safe home environment,a kind of smart home monitoring and control system based on Arduino and LabVIEW is designed.The Arduino Mega2560 controller is chosen as lower machine,and PC is chosen as host computer.The system can monitor the home environment of gas concentration,temperature,humidity,and human activities,etc.,in real time.When the monitoring data transfinite,the system can automatically control ON/OFF of home appliances and issue audio/visual alarms for implementing safety protection.Results show that the system is easy to operate,suitable for modern household community,and has a certain applicable value.

Smart homeMonitoring and controlVirtual instrumentLabVIEWArduinoTCP/IPFuel gas concentrationAlarm

TH86；TP277

ADOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201610023

修改稿收到日期：2016-03-04。

作者張曉朋(1978—),男，2006年畢業于鄭州大學物理電子學專業，獲碩士學位，講師；主要從事電子、通信與自動控制方向的研究。