2019年11月06日 | 基于LabVIEW的智能家居监控系统设计

随着测控技术和网络通信技术的高速发展及人们家居理念的变化与提升，现代社会家庭成员已把追求数字家庭智能化带来的多元信息安全、舒适便利的生活环境作为理想目标。因此，如何建立一个高效率、低成本、易扩展的智能家居系统已成为人关注的焦点。虚拟仪器强调“软件就是仪器”的新概念，它是在计算机为核心的硬件平台上，配以相应测试功能硬件作为I/O接口，利用仪器软件由用户自己定义、设计测试功能的一种计算机仪器系统，虚拟仪器具有数据采集、数据分析处理、结果输出显示三大基本功能。LabVIEW是NI美国国家仪器公司的虚拟仪器软件开发平台，是目前最完善、应用最广泛的图形化软件开发集成环境，LabVIEW拥有丰富的工具包，编程效率高，大大缩短了系统开发时间。本设计立足目前智能家居的监控需求，采用虚拟仪器技术，以LabVIEW2012为软件平台，选用NI公司的USB-6009数据采集卡、SIMC OM公司的SIM300GSM模块和USB摄像头，构建一个集家居环境监测、家用电器控制、安防报警、视频监控等功能为一体的智能家居监控系统。

1 系统的总体设计

系统总体框图见图1，系统通过各类传感器模块采集家居环境的温度、湿度、光照度、煤气泄漏、周界安防状态等信息，经信号调理后，通过USB-6009数据采集卡送入装有LabVIEW的监控平台，完成对环境参数的显示、分析、存储和报警功能，并根据相应参数完成对灯光、空调、窗帘等家居设备的自动控制。视频探头采用USB口与PC相连，实时采集家居环境的图像视频，实现视频监控功能。SIM300 GSM模块通过VISA串口与LabVIEW平台进行数据交互，当系统出现异常报警情况时，系统向用户自动发送SMS手机短信报警，实现远程报警功能。

2 系统硬件部分设计

2.1 USB-6009数据采集卡

LabVIEW软件获取数据的方法是通过对I/O接口设备的驱动完成的。本系统采用的I/O接口设备为美国NI公司的USB-6009，它是一款USB总线供电14位多功能DAQ数据采集模块。该模块提供了8路模拟输入通道，2路模拟输出通道，48 kS/s单通道采样率，12条数字I/O线，32位计数器，与LabVIEW兼容。USB6009其即插即用的安装最大程度降低了配置和设置时间，USB总线的供电使用户不再需要携带多余外部电源，使用便捷。

2.2 传感器模块

传感器模块由温湿度传感器CHT3W2TLD、光照度传感器、烟雾传感器MQ-2、红外传感器E18-D50NK等组成。Honeywell公司的温湿度传感器，能同时采集温度和湿度，且线性较好，输出电压范围为0～5 V，温度测量范围：-20～85℃，精度：±0.5℃，湿度测量范围：0～100%RH，精度：±5%RH。光照度采用光敏电阻进行检测，室内的烟雾和煤气泄漏则选用MQ-2烟雾传感器进行监测，工作电压直流5 V，模拟量及TTL电平双路信号输出，TTL输出时有效信号为低电平。该传感器成本低廉，灵敏度较好，稳定性可靠，具有快速响应恢复特性。红外传感器E18-D50 NK检测距离可以根据要求进行调节，具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，工作电压直流5 V，输出为TTL电平信号。

2.3 SIM300 GSM短信模块

GSM(Global System for Mobile Communication)网络是目前基于时分多址技术和频分多址技术的通信网络体系，其网络覆盖范围广，安全保密性高，又不需要组建专用网络和对网络进行维护，具有传输速度快、费用低等优点，在远程智能监控系统中得到了广泛的应用。本系统的短信报警功能采用了SIMCOM公司的SIM300 GSM模块发送SMS短信实现。SIM300是支持GSM/GPRS 900/1 800/1 900 MHz三频的低功耗模块，内嵌了处理器，它支持标准RS 232接口，能够方便地与PC连接。在本系统中即通过RS 232接口实现LabVIEW和SIM300模块的通信，采用LabVIEW软件开发短信控制程序，实现手机对智能家居系统的远程短信报警功能。

3 系统软件程序设计

3.1 系统用户界面设计

当用户成功登录系统后，即可进入智能家居系统的主界面，如图2所示。在主界面中，用户可对客厅、卧室、厨房三个房间的温度、湿度、光照度、可燃气体、家居安防等信息进行监测，并对采集的信号进行分析和判断处理，当出现燃气泄漏、烟雾、有人闯入等异常情况时系统发出高亮警报、报警信息存储和远程手机短信报警。

系统设为有人和无人2种模式，当系统处于有人模式时，仅实现对家居环境的实时监控，当设为无人模式时才开启系统报警处理功能。此外，系统考虑设计了智能遥控面板，如图3所示，通过点击遥控面板中各功能按钮，可实现对各房间的灯光、窗帘和空调等设备进行软硬件控制。 

3.2 数据采集程序

主程序采用生产者一消费者(事件)架构，生产者循环主要负责系统的多通道数据采集分析显示和用户界面事件的响应，消费者循环则根据生产者的入队列信息完成视频监控和报警程序的处理。采用这种架构可使程序响应事件更快、执行效率更高。如图4所示，在生产者循环中利用事件结构的超时分支设定每过200 ms进行一次数据采集与数据显示刷新，以保证显示界面的实时性。程序中采用了NI DAQmx函数实现对家居环境的各参数的采集、显示和阈值分析。基于NI DAQmx数据采集的具体方法是：首先根据采集任务创建DAQmx数据通道，进行数据采集参数设置，然后调用DAQmx读取或写入函数，实现信号的采集和控制，最后停止DAQmx任务。

3.3 系统报警处理程序

当系统发生报警时，LabVIEW将通过VISA来实现与GSM短信模块的串口通信。VISA(Virtual Instrument Software Architecture)是NI公司开发的一种用来与各种仪器总线进行通信的高级应用编程接口。在LabVIEW中通过调用现成的VISA节点函数，用户可以轻松构建基于已有串口硬件设备基础之上的数据采集与测控平台，而无需添加其他新的硬件设备。此外，VISA函数不仅与串口，还可以与GPIB，USB，PXI，VXI和以太网等多种总线通信，因而使得在LabVIEW中借助VISA节点函数编写的串口程序具有很好的可移植性。当硬件接口改变时，只需对VISA函数做适当的参数配置修改便可完成对不同平台，不同类型设备的开发、移植及升级，从而大大提高了开发效率。如图5所示，调用了LabVIEW中3个VISA串口操作节点，分别是配置串口节点、VISA写入节点和VISA关闭节点。程序首先设置串口通信的波特率、校验方式、数据位数停止位等参数。然后调用VISA写入函数，将要发送的报警信息通过AT指令传送给SIM300 GSM模块，从而实现手机短信的远程发送。整个程序运行结束后，利用VISA关闭节点把占用的串口资源释放掉。除了手机短信报警外，系统对报警情况将进行信息自动存储，将发生报警的时间和数据信息记录保存在主程序路径下的报警记录.txt文件中，方便用户进行查询。

3.4 图像采集程序

为降低成本和方便安装系统，采用目前普遍使用的USB摄像头配合NI的IMAQ Vision模块来实现可视化图像采集。系统首先要安装与Lab VIEW版本相同的NI Vision Development Module视觉开发模块，然后再安装NI-IMAQ for USB Cameras-USB摄像头驱动程序，通过这个驱动，所有DirectShow图像采集设备均可在LabVIEW中进行图像采集。图6为图像采集程序框图，在生产者-消费者架构中以队列来传递视频监控的操作指令，当按下监控开关的界面事件发生，生产者循环中运行指令入队列，在消费者循环中接收到运行指令后才打开摄像，以免不必要的资源浪费。

4 结语

系统采用虚拟仪器技术、测控技术和GSM网络通信技术，实现了基于LabVIEW的智能家居监控系统和远程报警。系统监控界面选择LabVI EW软件，缩减了系统开发时间，提高了设计效率。实际运行表明，系统使用稳定可靠，人机交互界面友好，成本低效率高，易于扩展与维护。本系统不仅可应用于家居住宅，还可以用于仓库、厂房和温室大棚等地方的安防监控与远程控制，具有较为广阔的市场应用前景。