徐玉萍 蔡昌新

摘要：家庭數(shù)字化、智能化是必然的趨勢。智能家居監(jiān)控實(shí)驗(yàn)是在網(wǎng)絡(luò)通信、虛擬儀器等技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合傳感器、NI公司的USB-6002數(shù)據(jù)采集卡和圖形化編程軟件LabVIEW 2013、USB攝像頭組成的。來實(shí)時(shí)監(jiān)測家庭環(huán)境中的溫度、濕度、光敏、火焰、氣敏和人體紅外線等參數(shù)，營造一個(gè)集環(huán)境監(jiān)測、安防報(bào)警、視頻監(jiān)控功能于一體的智能家居監(jiān)控實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)運(yùn)行穩(wěn)定、設(shè)計(jì)成本低、易于操作實(shí)現(xiàn)，可以為人們帶來舒適、安全、高效的智能家居體驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：智能家居；傳感器；LabVIEW 2013；USB-6002數(shù)據(jù)采集卡；USB攝像頭

中圖分類號：TP272 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）09-0297-03

Abstract： Family digital and intelligent is an inevitable trend. Intelligent home monitoring experiment based on network communication， virtual instrument technology， combined with the sensor， NI（ National Instruments） USB-6002 data acquisition card and graphic programming software LabVIEW 2013， USB camera. To real-time monitoring of temperature， humidity， photosensitivity， flame， gas sensitivity human body infrared parameters， Intelligent home monitoring experiment to create a set of environmental monitoring， security alarm， video monitoring functions in one. The experiment has stable operation， low design cost， easy operation and realization， and can bring comfortable， safe and efficient smart home experience for people.

Key words： smart home； sensors； LabVIEW 2013； USB-6002 data acquisition card； USB camera

1 引言

經(jīng)濟(jì)發(fā)展會(huì)帶動(dòng)居民生活水平，居住環(huán)境的改善是一大熱點(diǎn)?；贚abVIEW和USB-6002的智能家居監(jiān)控實(shí)驗(yàn)通過集中管理，實(shí)現(xiàn)了家庭環(huán)境參數(shù)的智能化監(jiān)控，可以及時(shí)有效的改善家庭中的環(huán)境，有利于提高人們的生活質(zhì)量。

2 總體設(shè)計(jì)

基于LabVIEW和USB-6002的智能家居監(jiān)控實(shí)驗(yàn)是由：被測信號、傳感器、信號調(diào)理電路、NI數(shù)據(jù)采集卡USB-6002、圖形化編程工具LabVIEW 2013、USB攝像頭組成[1]。傳感器在最底層收集環(huán)境中被測信號的參數(shù)，然后通過調(diào)理電路去掉可能含有的噪聲信號，將處理后的信號送到USB-6002進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D），然后送入上位機(jī)中的LabVIEW 2013進(jìn)行用戶交互UI。USB攝像頭直接與PC機(jī)連接，實(shí)時(shí)對家庭環(huán)境進(jìn)行圖像視頻采集和監(jiān)控。該實(shí)驗(yàn)的主要功能包括：用戶登錄、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、診斷報(bào)警、圖像采集、遠(yuǎn)程VI面板連接、生成應(yīng)用程序。總體設(shè)計(jì)框圖如圖1。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 USB-6002數(shù)據(jù)采集卡

本實(shí)驗(yàn)采用I/0接口設(shè)備為美國國家儀器公司推出的USB-6002數(shù)據(jù)采集卡，提供了八路單端（四路差分）模擬輸入通道及兩路模擬輸出通道，具有16位的分辨率、50kS/秒的采樣速率，還包括13條I/ O線、1個(gè)32位邊沿計(jì)數(shù)器 [2]。NI USB-6002采用USB總線供電，即插即用的安裝方式，并且USB-6002的兼容性很好，可以與很多開發(fā)軟件兼容。

3.2 傳感器模塊設(shè)計(jì)

傳感器模塊主要是由溫度傳感器（PT100鉑熱電阻）、濕度傳感器（AM1001濕敏電阻）、光敏傳感器（光敏電阻）、火焰?zhèn)鞲衅鳎t外接收二極管）、氣敏傳感器（ZYMQ-2）和人體紅外線傳感器（HC-SR501）組成。溫度測量模塊設(shè)計(jì)：由直流穩(wěn)壓電源（24V）、SBWZ型溫度變送器（AO：1-5V、溫度范圍：-20℃～+80℃）、PT100三線制鉑熱電阻構(gòu)成。AM1001濕度傳感器工作電壓：4.75-5.25V，AO：0-3V。光敏傳感器工作電壓：3.3-5V，光敏電阻的光照強(qiáng)度與電阻值成反比關(guān)系[3]?；鹧?zhèn)鞲衅鞴ぷ麟妷海?.3-5V，火焰探頭將探測的紅外光強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為電壓，兩者之間為反比（非線性）關(guān)系。ZYMQ-2氣敏傳感器工作電壓：5V，AO：0-5V， 0.1V-0.3V（相對無污染），氣敏傳感器的電導(dǎo)率與可燃?xì)怏w濃度成正比關(guān)系，濃度越大，電導(dǎo)率就越大，導(dǎo)致電阻降低，從而輸出電壓變大。人體紅外傳感器模塊（HC-SR501）工作電壓：4.5-20V，主要由LH1778探頭、菲涅爾透鏡（距離越遠(yuǎn)，感應(yīng)越強(qiáng)，角度越大）和BISS0001信號放大模塊組成。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 用戶登錄

用戶登錄的功能主要是保證設(shè)計(jì)的安全性和數(shù)據(jù)的私密性，防止非授權(quán)用戶進(jìn)行非法操作。用戶登錄程序框圖如圖2。while循環(huán)和事件結(jié)構(gòu)構(gòu)成程序主要框架，其中事件結(jié)構(gòu)包含了9大分支（用戶登錄、超時(shí)、修改密碼、進(jìn)入系統(tǒng)、退出系統(tǒng)、前面板關(guān)閉？、用戶密碼、用戶名、用戶管理）。用戶登錄系統(tǒng)包含：編輯信息、讀取信息、更新數(shù)據(jù)、更新信息、核對密碼、刪除用戶、修改密碼、用戶登錄、用戶管理、增加用戶程序等多個(gè)子VI[4]。

4.2 數(shù)據(jù)顯示

數(shù)據(jù)顯示是將采集到的數(shù)據(jù)利用LabVIEW 2013中的顯示控件在前面板上實(shí)現(xiàn)對信號的數(shù)值顯示、波形圖表顯示、表格數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警上下限值顯示、指示燈報(bào)警顯示等。濕度采集數(shù)據(jù)顯示前面板如圖3。AM1001濕度傳感器輸出電壓與標(biāo)準(zhǔn)濕度關(guān)系（條件：25℃，VDD=5V）如表1。由表1可得濕度換算公式： 標(biāo)準(zhǔn)濕度=輸出電壓/0.03（%RH）

4.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用表單文件（.txt）的形式來實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)儲(chǔ)存分為兩部分：一部分用于儲(chǔ)存數(shù)據(jù)表頭，一部分用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。儲(chǔ)存數(shù)據(jù)表頭部分包括：采樣日期、采樣時(shí)間、測量值、測量值單位；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存部分包含了實(shí)時(shí)的測量值和測量值單位。USB-6002數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的時(shí)間，都會(huì)以文本文件.txt的形式存儲(chǔ)到設(shè)置好的歸檔文件路徑下。同時(shí)還會(huì)將采集到的數(shù)據(jù)以表格的形式顯示在前面板上。數(shù)據(jù)儲(chǔ)存程序框圖如圖4。

4.4 診斷報(bào)警

當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，USB-6002數(shù)據(jù)采集卡采集到的環(huán)境參數(shù)高于或低于已設(shè)定好的報(bào)警上限值或報(bào)警下限值時(shí)，就會(huì)觸發(fā)報(bào)警指示燈顯示控件開啟，同時(shí)也會(huì)觸發(fā)報(bào)警聲音程序發(fā)出警報(bào)聲，報(bào)警響鈴設(shè)置為10秒。

4.5 圖像采集

圖像采集程序采用NI IMAQ Vision模塊和USB攝像頭來完成。視覺開發(fā)模塊（Vision Development Module）和攝像頭驅(qū)動(dòng)程序（Vision Acquisition Software）是程序開發(fā)前的必備工具[5]。圖像采集流程圖如圖5。圖像采集程序框圖如圖6。首先打開視頻設(shè)備，LabVIEW圖形化程序在選擇攝像頭端口號對其進(jìn)行初始化設(shè)置，然后通過while循環(huán)來進(jìn)行視頻采集，再對其采集的圖像進(jìn)行處理后顯示，最后關(guān)閉攝像頭。

4.6 遠(yuǎn)程VI面板連接

LabVIEW的Web服務(wù)器技術(shù)可以將本地VI發(fā)布到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上，用戶使用網(wǎng)頁或LabVIEW就能夠遠(yuǎn)程瀏覽和操作本地VI前面板[6]。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，首先要在Server配置并啟動(dòng)LabVIEW Web服務(wù)器；然后在Client用網(wǎng)頁或LabVIEW Run-Time引擎連接遠(yuǎn)程面板。通過LabVIEW Run-Time引擎連接遠(yuǎn)程VI面板，服務(wù)器地址：192.168.1.100，VI名稱：smarthome.vi，http端口：8000；通過網(wǎng)頁連接遠(yuǎn)程VI面板，只需在瀏覽器中輸入U(xiǎn)RL地址：http：//192.168.1.100：8000/ smarthome.html即可訪問VI前面板。網(wǎng)頁遠(yuǎn)程VI面板連接圖如圖7。

5 總結(jié)

當(dāng)一個(gè)程序?qū)懞煤螅脩舨⒉幌Ｍ荒茉贚abVIEW開發(fā)環(huán)境中運(yùn)行程序，因?yàn)殚_發(fā)環(huán)境價(jià)格昂貴，而且LabVIEW開發(fā)環(huán)境的安裝與運(yùn)行是非常耗費(fèi)時(shí)間資源的。程序從開發(fā)人員電腦移植到目標(biāo)電腦，就需要用到生成應(yīng)用程序。在開發(fā)人員電腦上把寫好的LabVIEW程序編譯生成獨(dú)立可執(zhí)行應(yīng)用程序（exe），然后移植到目標(biāo)電腦。移植方式是將exe和所用到的組件、工具包、LabVIEW運(yùn)行引擎等打包生成安裝程序（installer）。生成的應(yīng)用程序安裝包可以在任何一臺電腦上進(jìn)行安裝，然后配合相應(yīng)的硬件后就可以使用，節(jié)省了大量的時(shí)間和繁瑣的過程。

由于智能手機(jī)的普遍化，所以開發(fā)一款手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以讓人們無時(shí)無刻、任何地方都可以監(jiān)測到家庭的居家環(huán)境和安防狀態(tài)，極大地方便了人們的生活。同時(shí)人們也希望能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的電氣控制需求，所以遠(yuǎn)程手機(jī)APP監(jiān)控和電氣控制是今后我需要研究的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 費(fèi)莉，王博，劉述喜.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集及測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)，2012，10（26）：38-41.

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[6] 陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設(shè)計(jì)從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.