基于視覺物聯(lián)網(wǎng)的智能家居安防軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高貝貝，崔金龍，白鋅，姚愛芬，郭寶軍

（滄州交通學(xué)院，河北黃驊，061199）

0 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展以及人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，人們的安全防患意識(shí)也在逐漸增強(qiáng)，快節(jié)奏生活下的人們對(duì)家庭的安全問題越來越重視。一方面，火災(zāi)、煤氣泄露等安全隱患問題是社會(huì)重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象，每年因?yàn)橐馔饣馂?zāi)造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失仍然很嚴(yán)重；另一方面，小區(qū)和單位防盜設(shè)施簡(jiǎn)陋匱乏、治安防范力不足等因素，給入室盜竊者以可乘之機(jī)。為了更好地保護(hù)家庭的安全人們需要一種功能完善的安防系統(tǒng)。本文在傳統(tǒng)安防系統(tǒng)的基礎(chǔ)嵌入機(jī)器視覺傳感器，可實(shí)現(xiàn)多傳感器融合技術(shù)的智能家居環(huán)境的安防保障。下面對(duì)基于視覺物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居安防平臺(tái)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于視覺物聯(lián)網(wǎng)的智能安防系統(tǒng)由三部分構(gòu)成，第一部分為采集家居環(huán)境參數(shù)的前端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備（從機(jī)設(shè)備），主要實(shí)現(xiàn)采集環(huán)境溫度、煙霧濃度、可燃?xì)怏w濃度，監(jiān)測(cè)非法入侵事件、異常事件發(fā)生等功能；第二部分為互聯(lián)前端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，網(wǎng)關(guān)設(shè)備使用ModBus 擴(kuò)展協(xié)議組建一主多從無線通信網(wǎng)絡(luò)，將前端節(jié)點(diǎn)傳回的數(shù)據(jù)經(jīng)由網(wǎng)關(guān)設(shè)備上傳至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。第三部分為Tlink 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，該平臺(tái)免費(fèi)提供PC 端和手機(jī)端的云組態(tài)，可快速開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)云臺(tái)及數(shù)字化系統(tǒng)產(chǎn)品。本文使用Tlink 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸，通過自定義云組態(tài)實(shí)現(xiàn)PC 端或手機(jī)端與用戶間的信息交互。系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 顯示屏驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

顯示屏選用0.96O 寸LED 屏，屏幕通過I2C 接口與主控芯片相連。顯示屏驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)如下。首先，主函數(shù)調(diào)用OLED 屏初始化函數(shù)，完成相關(guān)屏幕參數(shù)設(shè)置；然后，簡(jiǎn)單對(duì)屏幕做下清屏處理；最后，使用單字符顯示函數(shù)showChar()實(shí)現(xiàn)顯示字符串、整型數(shù)值復(fù)合函數(shù)功能，完成網(wǎng)關(guān)及子設(shè)備的相關(guān)參數(shù)顯示功能。圖2 是單字符顯示函數(shù)showChar()子程序設(shè)計(jì)流程圖。

圖2 單字符顯示函數(shù)程序設(shè)計(jì)流程圖

2.2 WiFi 模塊聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

利用AT 指令控制 ESP8266 WiFi 模塊實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，WiFi模塊通過主控芯片的串口2 相連。WiFi 模塊聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)如下。首先，初始化ESP8266 實(shí)現(xiàn)退出透?jìng)鳌⒅貑ⅰz查模塊是否存在、關(guān)閉回顯、檢查設(shè)置是否成功等操作；然后發(fā)送WiFi 名和密碼連接目標(biāo)AP；最后通過TCP 協(xié)議到連接TLink 云平臺(tái)。圖3 為WiFi 模塊聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)流程圖。

圖3 WiFi 模塊聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)流程圖

2.3 LoRa 無線局網(wǎng)關(guān)模塊驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

使用SPI 通信協(xié)議來驅(qū)動(dòng)LoRa SX1278 無線模塊，LoRa 模塊驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)如下。首先，完成SPI 引腳及工作狀態(tài)設(shè)置和SX1278 工作參數(shù)配制；然后，如果設(shè)備為網(wǎng)關(guān)則通過LoRa 模塊每3 秒收集從機(jī)數(shù)據(jù)，如果設(shè)備為從機(jī)則通過LoRa 模塊時(shí)刻監(jiān)聽“網(wǎng)關(guān)詢問”指令任務(wù)。圖4 為L(zhǎng)oRa 模塊驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)流程圖。

圖4 LoRa 模塊驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)流程圖

2.4 視覺異常事件監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)

使用OpenMV 機(jī)器視覺模塊的幀差異算法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)，然后通過OpenMV 模塊的串口通信接口將數(shù)字量信號(hào)輸送給主控芯片，主控芯片使用串口1 與OpenMV 模塊相連，在串口1 的中斷服務(wù)函數(shù)中添加異常事件累計(jì)語句。OpenMV 嵌入式視覺模塊安裝到二自由度平臺(tái)上，通過水平和垂直方向的PWM 控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)視覺模塊的寬視野異常事件檢測(cè)。圖5 為主控器串口2 接收異常事件監(jiān)測(cè)信號(hào)的程序設(shè)計(jì)流程圖。

圖5 常事件監(jiān)測(cè)信號(hào)采集程序設(shè)計(jì)流程圖

2.5 非法入侵事件監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)

門窗非法入侵監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸選用“凌承芯電子公司”的蜂鳥無線模塊，無線接收端為靈-R1 模塊，該模塊的4 路開關(guān)量輸出給主控芯片的外部中斷模式引腳。開關(guān)量為低電平時(shí)會(huì)觸發(fā)外部中斷服務(wù)函數(shù)，在中斷服務(wù)函數(shù)中添加非法入侵事件累計(jì)語句。圖6 為非法入侵事件監(jiān)測(cè)B 通道開關(guān)量信號(hào)采集程序設(shè)計(jì)流程圖。

圖6 非法入侵?jǐn)?shù)字量信號(hào)采集程序設(shè)計(jì)流程圖

2.6 煙霧及可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)

煙霧傳感器及可燃?xì)怏w傳感器輸出的信號(hào)為模擬信號(hào)，使用主控芯片自帶的AD 轉(zhuǎn)換器將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字量，方便后期數(shù)據(jù)的運(yùn)算及儲(chǔ)存。圖7 為AD 轉(zhuǎn)換器程序設(shè)計(jì)流程圖。

圖7 煙霧及可燃?xì)怏w信號(hào)ADC 轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)流程圖

2.7 DHT11 傳感器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

DHT11 采用單總線雙向串行通信協(xié)議，每次采集信息都要由主控器發(fā)起開始信號(hào)，如果傳感器正常且存在則DHT11 將起始信號(hào)拉低一段時(shí)間，然后 DHT11 會(huì)向單片機(jī)發(fā)送響應(yīng)并開始傳輸40 位數(shù)據(jù)幀，并且數(shù)據(jù)幀的高位在前。圖8 為DHT11 傳感器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)流程圖。

圖8 DHT11 模塊連接電路原理圖

3 聯(lián)網(wǎng)測(cè)試

3.1 連接 TLink 云平臺(tái)

本文選用的是TLink 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。首先，登錄TLink云平臺(tái)創(chuàng)建設(shè)備，并完成頁面參數(shù)設(shè)置（設(shè)備名稱、鏈接協(xié)議、掉線延時(shí)、傳感器）等操作。然后，配制設(shè)備的協(xié)議標(biāo)簽，協(xié)議標(biāo)簽是傳輸一幀數(shù)據(jù)的格式，包括數(shù)據(jù)頭、分隔、數(shù)據(jù)、結(jié)束符四部分構(gòu)成。最后，設(shè)置網(wǎng)關(guān)程序關(guān)鍵參數(shù)，包括TLink 云平臺(tái)的IP 地址、設(shè)備端口號(hào)、設(shè)備ID 地址。網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送的第一幀數(shù)據(jù)為設(shè)備序列號(hào)以便與TLink 云平臺(tái)建立連接，接著定期發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)即可。

3.2 發(fā)布云組態(tài)

為了提高用戶使用系統(tǒng)的便捷性，增強(qiáng)設(shè)備與用戶間的交互性，本文使用TLink 云平臺(tái)的云組態(tài)功能設(shè)計(jì)搭建了“基于視覺物聯(lián)網(wǎng)的智能家居安防系統(tǒng)”云組態(tài)，圖9 為“基于視覺物聯(lián)網(wǎng)的智能家居安防系統(tǒng)”云組態(tài)界面，云組態(tài)可發(fā)布成PC 端版和手機(jī)端版。云組態(tài)可實(shí)現(xiàn)顯示前端節(jié)點(diǎn)采集的溫度值、可燃?xì)怏w濃度、煙霧濃度、非法入侵事件累計(jì)次數(shù)、異常事件累計(jì)次數(shù)等信息。同時(shí)可通過下發(fā)數(shù)據(jù)操作實(shí)現(xiàn)前端節(jié)點(diǎn)的OpenMV 二組自由度平臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度控制。如指令：1-X50-Y65，即為設(shè)備1 的OpenMV 機(jī)器視覺模塊X 軸轉(zhuǎn)動(dòng)50PWM 值，Y 軸旋轉(zhuǎn)65PWM 值。

圖9 “視覺物聯(lián)網(wǎng)家居安防系統(tǒng)”云組態(tài)界面

3.3 聯(lián)調(diào)測(cè)試

系統(tǒng)上電后網(wǎng)關(guān)通過WiFi 模塊連接到Tlink 云服務(wù)器，此次測(cè)試網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過無線局域網(wǎng)與三臺(tái)前端節(jié)點(diǎn)設(shè)備（從機(jī)）相連，網(wǎng)關(guān)設(shè)備每隔3 秒鐘廣播監(jiān)聽前端節(jié)點(diǎn)采集的溫度值、煙霧濃度值、非法入侵次數(shù)、事件異常次數(shù)等信息。聯(lián)網(wǎng)測(cè)試效果如圖9 所示，到此已完成“監(jiān)測(cè)端+云傳輸+智能端”三維一體的智能家居安防平臺(tái)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

本文主要針對(duì)基于視覺物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居安防平臺(tái)的軟件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，包括顯示屏驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、WiFi 模塊聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、LoRa 無線局網(wǎng)關(guān)模塊驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、非法入侵事件監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)、視覺異常事件監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)、煙霧及可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)、DHT11 傳感器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)及“基于視覺物聯(lián)網(wǎng)的安防系統(tǒng)”云組態(tài)界面搭建。經(jīng)過聯(lián)網(wǎng)測(cè)試，嵌入視覺檢測(cè)技術(shù)的智能家居安防系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)家居環(huán)境，良好的云組態(tài)交互界面提高了用戶操作的便捷性和實(shí)用性。