基于ARM-LabVIEW的家居安防监控系统的设计

马玉娟，杨国华，2，卫宁波，张 康，乔月妮

(1.宁夏大学 电气工程与自动化系， 宁夏 银川 750021；2.宁夏沙漠信息智能感知重点实验室，宁夏 银川 750021)

基于ARM-LabVIEW的家居安防监控系统的设计

马玉娟1，杨国华1，2，卫宁波1，张 康1，乔月妮1

(1.宁夏大学 电气工程与自动化系， 宁夏 银川 750021；2.宁夏沙漠信息智能感知重点实验室，宁夏 银川 750021)

随着人们对居住环境的舒适度及家庭安全防范要求的提高，设计新型高效家居环境智能监控系统显得尤为重要。采用ARM Cortex a8芯片作为嵌入式系统处理器，运用STC12C5410AD无线模块实现家用电器的远程开关控制，选用AM2305温湿度传感器以及ZYMQ-2气体传感器实现报警数据的采集，USB摄像头实现对室内环境的实时监控，利用LabVIEW图形化软件，通过开发环境的搭建、软件程序的移植与设计等过程设计了一套家居智能安防系统。最后，系统运行调试表明，该系统不仅监控界面友好、便于操作，而且测试成本低、效率高、可扩展性强，可实现对家居环境的实时监测和控制，满足智能家居安防监控的要求。

ARM；LabVIEW；数据采集；家居安防

智能家居是一种兼备建筑、信息家电、设备自动化、网络通信，集成系统、服务、结构、管理为一体且以住宅为平台的智能化居住环境。智能家居系统是利用综合布线技术、先进的网络通信技术、自动化控制技术将家居生活有关的各种子系统，如安防、灯光控制、各类信息家电等有机地结合在一起，通过网络化综合智能控制和管理，有效提升家居环境的安全性、节能性和舒适性[1]。

从智能家居在中国市场的发展情况来看，虽然目前智能家居系统已出现了不少的研究公司和产品，有了进一步的发展，但整体市场仍处于初级发展阶段，且传统的对智能家居安防的研究多采用电缆和电话线有线监控方式，存在布线复杂、维护费用高、监控不准时等问题[2]；操作环境多采用Linux系统，作为软件开发平台，开发费时，并且QT控制界面步骤繁多、编程需要C与C++交叉编译，工作量大，操作起来有一定的困难[3]，容易让用户产生排斥心理。因此，本文提出的系统采用嵌入式技术来降低功耗和成本，利用LabVIEW图形化编程功能能方便直观地实现操作界面的开发，充分考虑用户的体验，结合有线与无线两种通信网络扩展应用范围，引入模块化设计提高系统的开放性的设计思路，最终构建一个家居服务平台，特别是通过无线控制家电技术，提高其操作的便捷性，使得操作所见即所得。

图1 系统的总体结构框图

2 系统的总体设计方案

2.1 系统功能

智能家居系统是一种能够对家用电器、安防设备和数据采集设备进行智能化监控的系统，该系统包括煤气检测模块、高温报警模块、数据采集模块、数据存储模块和家电控制模块等[4]。其中煤气检测模块、高温报警模块具有安防的功能，对家居环境的安全性提供保障；数据采集模块实现对室内的温度湿度、烟雾煤气等物理量进行采集，并把实时数据反馈给主控模块，主控模块作出相应处理，调用相应的控制模块对风扇、照明灯具和智能窗帘等家电设备进行控制，以便为用户提供一种安全、便捷、舒适的居住环境。数据存储模块是用来存放系统中的各类设备运行状态、设备异常记录等信息，从而方便用户查看历史记录。

2.2 系统整体结构

本系统以ARM Cortex a8为核心处理器，Wince嵌入式系统为家居总中心监控系统，使用LabVIEW完成了控制程序及人机界面的编写，系统通过各类传感器模块采集家居环境的温湿度、烟煤气体浓度等信息，外围设备有USB摄像头、LCD显示屏、SD卡，底层链路可分为有线与无线两路，有线经Modbus通信协议，通过RS-485总线送入装有Wince的嵌入式监控平台，完成对室内环境参数的显示、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；无线模块通过STC12C5410AD模块，主要完成对家居设备的远程控制。远程用户可通过局域以太网或WiFi访问整个家居环境。本系统的总体结构框图如图1所示。

3 硬件接口设计

3.1 无线模块电路设计

本系统无线通信模块采用STC12C5410AD单片机，此模块具有高速、低功耗、超强抗干扰能力，兼容8051功能且速度比8051要快8～12倍， 单片机STC12C5410AD几乎包括了数据采集和控制中所有必要的单元模块，可算得上一个系统级芯片(SOC)，能够很容易地构成典型的测量和控制系统。其中单片机STC12C5410AD的引脚电路如图2所示。

图2 STC12C5410AD引脚接口电路

3.2 温湿度传感器接口电路设计

本系统中的温湿度传感器选用AM2305数字式温湿度传感器[5]。它包括一个电容式感湿元件和一个高精度测温元件，其中测湿范围是0～99.9%RH，分辨率0.1%RH，精度 ±2% RH；测温范围是-40～+80 ℃，分辨率0.1 ℃，精度 ±0.3 ℃， 响应时间都小于5 s，能充分满足测量要求。该传感器上电后等待3 s左右，当主机按Modbus通信协议询问传感器时，传感器会回复主机当前温湿度值。AM2305的接口电路设计如图3所示。

图3 AM2305传感器接口电路

3.3 烟雾、煤气传感器接口电路设计

系统中的烟雾和可燃气体浓度检测选用ZYMQ-2气体传感器[5]。它所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。气体传感器ZYMQ-2的信号调理电路如图4所示。

图4 ZYMQ-2信号调理电路

4 系统软件的实现

系统软件采用在Wince操作系统下基于LabVIEW图形化编程软件[6]来完成整个项目，该系统运行可靠，人机界面友好，易于操作，可扩展性强，且测试成本低，易被用户接受。该软件总系统功能如图5所示。其包括前端信号的采集处理、信息的传输存储、远程的家电控制以及视频的采集。

图5 系统软件总体流程图

4.1 系统主控界面的设计

在嵌入式Wince主控系统用户登录成功后，即可进入智能家居安防监控系统主界面，如图6所示。在主界面中，用户可通过手动切换下面各个房间的按钮，从而对厨房、次卧、客厅、主卧四个房间的温湿度、可燃气体、报警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，通过历史曲线实时记录整个家居环境。当厨房出现燃气泄漏、烟雾或其他房间高温等异常情况时系统会发出报警信号，用户可通过历史曲线的查询从而确定是哪个房间出现的报警信息，通过无线模块用户还可实现远程对家用设备开关的控制[7]。

图6 系统主控界面(截图)

4.2 家电控制模块软件实现

控制模块主要是对家用电器的工作状态进行控制[8]，采用有线方式和无线远程操作两种控制方式，对家居环境进行监测，实时进行安防报警，随时实现对相应家电设备的自动开启和关闭，从而提高用户生活质量，达到节能便捷的目的。其中家电设备包括电灯、门窗等，图7所示为家电启动流程图。

图7 家电控制流程图

4.3 数据采集模块软件实现

系统采用AM2305数字式温湿度传感器来采集各个房间的温湿度信号，确定固定的采集周期实时更新温湿度值，当采集到的温度值超出设定好的高温阈值时，发出高温报警信号，根据设备地址从而确定是哪个房间，具体流程如图8所示。

图8 温湿度采集流程图

每个房间的温湿度值都通过Modbus通信协议采集传输，因此在LabVIEW程序设计中不同房间的温湿度值只需修改其输入指令中的设备地址，将各个程序并联即可。图9为客厅温湿度采集结果显示，图中温湿度值为当前采集到的数据并实时显示。

图9 温湿度采集结果(截图)

4.4 视频采集软件实现

为降低成本和方便系统安装，本系统采用目前普遍使用的USB摄像头配合NI的IMAQ Visio模块来实现可视化图像采集[9]。图10为图像采集流程图。LabVIEW图形化程序在选择摄像头端口号后打开摄像头、对其进行初始化设置，然后在while循环中进行视频的采集，最后按下停止按钮关闭摄像头。其所采视频图像如图11所示。

图10 视频采集流程图

图11 视频采集图像(截图)

5 结语

与传统智能家居系统相比，本系统采用嵌入式ARM主控板，本控制系统集成了可扩展的接口，并提供了与之相兼容的各种软硬件资源，监控界面选用LabVIEW图形化编程软件，该软件开发时间短，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。控制中心与智能终端间采用有线与无线两种传输方式，经Modbus通信协议将采集信息传输至控制平台，且通过有线或无线两种方式实现了对家用电器开关的控制，更加便捷稳定地实现了对整个家居环境的监控，具有广阔的应用前景。

[1] 赵立辉， 王京， 霍春宝. 基于物联网的智能家居监控系统设计[J]. 电视技术， 2013， 37(22)：82-85.

[2] 熊琼， 师卫， 腾生强. 基于ARM cortexTM-A8与Android的智能家居系统[J]. 电视技术， 2014， 38(9)：85-88.

[3] 吴文忠，李万磊.基于ARM 和ZigBee的智能家居系统[J].计算机工程与设计，2011，32(6)：1987-1990.

[4] GOMEZ C，PARADELLS J. Wireless home automation networks：a survey of architectures and technologies[J].Consumer Communications and Networking，2010 (6)：92-101.

[5] 刘大铭，马克军，马天成.危险品车辆运输途中状态监测系统的设计[J].中国科技信息，2012 (23)：89-91.

[6] 钱声强.基于LabVIEW的智能家居监控系统设计[J].现代电子技术，2013，36(24)：103-105.

[7] 李红刚，张素萍，方佳，等. 基于ARM的智能家居远程监控系统设计[J].现代电子技术，2009，292(5)：134-138.

[8] 袁晓平，马满福. 基于ARM11的家电远程控制系统[J].计算机应用与软件，2013，30(10)：288-292.

[9] 阚钰淇，张宁，徐熙平.LabVIEW 平台下USB 图像采集与处理系统设计[J].工业仪表与自动化装置，2013(6)：80-83.

杨国华(1972— )，教授，主研电气自动化及新能源发电技术，为本文通讯作者；

卫宁波(1990— )，研究生，主研电工电子新技术；

张 康(1990— )，研究生，主研电力系统通信技术；

乔月妮(1989— )，女，研究生，主研方向为电力系统通信技术。

责任编辑：闫雯雯

Design on Home Security System Based on ARM-LabVIEW

MA Yujuan1， YANG Guohua1，2， WEI Ningbo1， ZHANG Kang1， QIAO Yueni1

(1.DepartmentofElectricalEngineeringandAutomation，NingxiaUniversity，Yinchuan750021，China；2.NingxiaKeyLabonInformationSensing&IntelligentDesert，Yinchuan750021，China)

With the impediment of the quality of life， people become more and more interested in the comfort of living environment and the security protection of family， its particularly important to design a new efficient household environment intelligent monitoring system. In this paper ARM Cortex a8 chip is adopted as embedded system processor， STC12C5410AD wireless module is used to achieve the remote control of household appliances switches and the collection of alert data by transducer and the real time monitoring of the security of community by USB camera， using LabVIEW graphic software， through the development of environment construction， the transplanting and design of software programmer， etc to design a home security and protection system. Finally， the running debugging of the system shows that the interface of the monitor is good-looking and the system is easy to manipulate， furthermore， the test shows that this system has low cost， high efficiency， and strong expansibility， thus achieving real time monitoring and control of home environment， and meeting the requirements of intelligent home security monitoring.

ARM； LabVIEW； data collection； home security and protection

【本文献信息】马玉娟，杨国华，卫宁波，等.基于ARM-LabVIEW的家居安防监控系统的设计[J].电视技术,2015，39(11).

宁夏自然科学基金项目(NZ12140；NZ14050)

TP302.1

A

10.16280/j.videoe.2015.11.025

马玉娟(1992— )，女，研究生，主研电工电子新技术；

2014-12-29