基于LabVIEW和USB—6002的智能家居監(jiān)控實驗

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)控實驗是在網(wǎng)絡通信、虛擬儀器等技術的基礎上，結合傳感器、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。來實時監(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)，營造一個集環(huán)境監(jiān)測、安防報警、視頻監(jiān)控功能于一體的智能家居監(jiān)控實驗。本實驗運行穩(wěn)定、設計成本低、易于操作實現(xiàn)，可以為人們帶來舒適、安全、高效的智能家居體驗。

關鍵詞：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 文獻標識碼：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)濟發(fā)展會帶動居民生活水平，居住環(huán)境的改善是一大熱點?；贚abVIEW和USB-6002的智能家居監(jiān)控實驗通過集中管理，實現(xiàn)了家庭環(huán)境參數(shù)的智能化監(jiān)控，可以及時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 總體設計

基于LabVIEW和USB-6002的智能家居監(jiān)控實驗是由：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進行模數(shù)轉換（A/D），然后送入上位機中的LabVIEW 2013進行用戶交互UI。USB攝像頭直接與PC機連接，實時對家庭環(huán)境進行圖像視頻采集和監(jiān)控。該實驗的主要功能包括：用戶登錄、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、診斷報警、圖像采集、遠程VI面板連接、生成應用程序。總體設計框圖如圖1。

3 硬件設計

3.1 USB-6002數(shù)據(jù)采集卡

本實驗采用I/0接口設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32位邊沿計數(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 傳感器模塊設計

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。溫度測量模塊設計：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，光敏電阻的光照強度與電阻值成反比關系[3]?；鹧?zhèn)鞲衅鞴ぷ麟妷海?.3-5V，火焰探頭將探測的紅外光強弱轉換為電壓，兩者之間為反比（非線性）關系。ZYMQ-2氣敏傳感器工作電壓：5V，AO：0-5V， 0.1V-0.3V（相對無污染），氣敏傳感器的電導率與可燃氣體濃度成正比關系，濃度越大，電導率就越大，導致電阻降低，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，感應越強，角度越大）和BISS0001信號放大模塊組成。

4 軟件設計

4.1 用戶登錄

用戶登錄的功能主要是保證設計的安全性和數(shù)據(jù)的私密性，防止非授權用戶進行非法操作。用戶登錄程序框圖如圖2。while循環(huán)和事件結構構成程序主要框架，其中事件結構包含了9大分支（用戶登錄、超時、修改密碼、進入系統(tǒng)、退出系統(tǒng)、前面板關閉？、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、報警上下限值顯示、指示燈報警顯示等。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準濕度關系（條件：25℃，VDD=5V）如表1。由表1可得濕度換算公式： 標準濕度=輸出電壓/0.03（%RH）

4.3 數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)存儲采用表單文件（.txt）的形式來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)儲存分為兩部分：一部分用于儲存數(shù)據(jù)表頭，一部分用于實時數(shù)據(jù)儲存。儲存數(shù)據(jù)表頭部分包括：采樣日期、采樣時間、測量值、測量值單位；實時數(shù)據(jù)儲存部分包含了實時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)及其對應的時間，都會以文本文件.txt的形式存儲到設置好的歸檔文件路徑下。同時還會將采集到的數(shù)據(jù)以表格的形式顯示在前面板上。數(shù)據(jù)儲存程序框圖如圖4。

4.4 診斷報警

當程序運行時，USB-6002數(shù)據(jù)采集卡采集到的環(huán)境參數(shù)高于或低于已設定好的報警上限值或報警下限值時，就會觸發(fā)報警指示燈顯示控件開啟，同時也會觸發(fā)報警聲音程序發(fā)出警報聲，報警響鈴設置為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）和攝像頭驅動程序（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。首先打開視頻設備，LabVIEW圖形化程序在選擇攝像頭端口號對其進行初始化設置，然后通過while循環(huán)來進行視頻采集，再對其采集的圖像進行處理后顯示，最后關閉攝像頭。

4.6 遠程VI面板連接

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

5 總結

當一個程序寫好后，用戶并不希望只能在LabVIEW開發(fā)環(huán)境中運行程序，因為開發(fā)環(huán)境價格昂貴，而且LabVIEW開發(fā)環(huán)境的安裝與運行是非常耗費時間資源的。程序從開發(fā)人員電腦移植到目標電腦，就需要用到生成應用程序。在開發(fā)人員電腦上把寫好的LabVIEW程序編譯生成獨立可執(zhí)行應用程序（exe），然后移植到目標電腦。移植方式是將exe和所用到的組件、工具包、LabVIEW運行引擎等打包生成安裝程序（installer）。生成的應用程序安裝包可以在任何一臺電腦上進行安裝，然后配合相應的硬件后就可以使用，節(jié)省了大量的時間和繁瑣的過程。

由于智能手機的普遍化，所以開發(fā)一款手機APP實現(xiàn)智能家居遠程監(jiān)控，可以讓人們無時無刻、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。同時人們也希望能夠實現(xiàn)相應的電氣控制需求，所以遠程手機APP監(jiān)控和電氣控制是今后我需要研究的重點。

參考文獻：

[1] 錢聲強.基于LabVIEW的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2013，24（36）：103-105.

[2] 費莉，王博，劉述喜.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集及測試系統(tǒng)設計[J].重慶理工大學學報：自然科學，2012，10（26）：38-41.

[3] 王迪.光敏電阻在家用電器操作面板中節(jié)電模式下的應用[J].電子制作，2013（24）：37.

[4] 馬慧娟，李嶺，張英梅.煤礦井下水情綜合監(jiān)控系統(tǒng)管理軟件的開發(fā)與設計[J].煤礦機械，2010，1（31）：227-230.

[5] 丁晟，蔣曉瑜，汪熙.基于LabVIEW的圖像處理技術研究[J].微計算機信息，2010（26）：204-205.

[6] 陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2007.