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(tái)，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(duì)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(cè)試成本低。

隨著測(cè)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(huì)家庭成員已把追求數(shù)字家庭智能化帶來(lái)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(tái)上，配以相應(yīng)測(cè)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(cè)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(guó)國(guó)家儀器公司的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)，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。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LabVIEW2012為軟件平臺(tái)，選用NI公司的USB-6009數(shù)據(jù)采集卡、SIMC OM公司的SIM300GSM模塊和USB攝像頭，構(gòu)建一個(gè)集家居環(huán)境監(jiān)測(cè)、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(guò)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(hào)調(diào)理后，通過(guò)USB-6009數(shù)據(jù)采集卡送入裝有LabVIEW的監(jiān)控平臺(tái)，完成對(duì)環(huán)境參數(shù)的顯示、分析、存儲(chǔ)和報(bào)警功能，并根據(jù)相應(yīng)參數(shù)完成對(duì)燈光、空調(diào)、窗簾等家居設(shè)備的自動(dòng)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(guò)VISA串口與LabVIEW平臺(tái)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(dòng)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(guò)對(duì)I/O接口設(shè)備的驅(qū)動(dòng)完成的。本系統(tǒng)采用的I/O接口設(shè)備為美國(guó)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。

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(cè)量范圍：-20～85℃，精度：±0.5℃，濕度測(cè)量范圍：0～100%RH，精度：±5%RH。光照度采用光敏電阻進(jìn)行檢測(cè)，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(cè)，工作電壓直流5 V，模擬量及TTL電平雙路信號(hào)輸出，TTL輸出時(shí)有效信號(hào)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-D50 NK檢測(cè)距離可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有探測(cè)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(hào)。

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(duì)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。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(guò)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(duì)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(duì)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(cè)，并對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析和判斷處理，當(dāng)出現(xiàn)燃?xì)庑孤?、煙霧、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(chǔ)和遠(yuǎn)程手機(jī)短信報(bào)警。

系統(tǒng)設(shè)為有人和無(wú)人2種模式，當(dāng)系統(tǒng)處于有人模式時(shí)，僅實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)設(shè)為無(wú)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(guò)點(diǎn)擊遙控面板中各功能按鈕，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各房間的燈光、窗簾和空調(diào)等設(shè)備進(jìn)行軟硬件控制。

3.2 數(shù)據(jù)采集程序

主程序采用生產(chǎn)者一消費(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(guò)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(duì)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(hào)的采集和控制，最后停止DAQmx任務(wù)。

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(guò)VISA來(lái)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(lái)與各種儀器總線進(jìn)行通信的高級(jí)應(yīng)用編程接口。在LabVIEW中通過(guò)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(cè)控平臺(tái)，而無(wú)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(duì)VISA函數(shù)做適當(dāng)?shù)膮?shù)配置修改便可完成對(duì)不同平臺(tái)，不同類型設(shè)備的開發(fā)、移植及升級(jí)，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(guò)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。除了手機(jī)短信報(bào)警外，系統(tǒng)對(duì)報(bào)警情況將進(jìn)行信息自動(dòng)存儲(chǔ)，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(lái)實(shí)現(xiàn)可視化圖像采集。系統(tǒng)首先要安裝與Lab VIEW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(dòng)程序，通過(guò)這個(gè)驅(qū)動(dòng)，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(lái)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)。

4 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)、測(cè)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LabVI EW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(cāng)庫(kù)、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(chǎng)應(yīng)用前景。