基于LabVIEW和USB—6002的智能家居监控实验

徐玉萍 蔡昌新

摘要：家庭数字化、智能化是必然的趋势。智能家居监控实验是在网络通信、虚拟仪器等技术的基础上，结合传感器、NI公司的USB-6002数据采集卡和图形化编程软件LabVIEW 2013、USB摄像头组成的。来实时监测家庭环境中的温度、湿度、光敏、火焰、气敏和人体红外线等参数，营造一个集环境监测、安防报警、视频监控功能于一体的智能家居监控实验。本实验运行稳定、设计成本低、易于操作实现，可以为人们带来舒适、安全、高效的智能家居体验。

关键词：智能家居；传感器；LabVIEW 2013；USB-6002数据采集卡；USB摄像头

中图分类号：TP272 文献标识码：A 文章编号：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

经济发展会带动居民生活水平，居住环境的改善是一大热点。基于LabVIEW和USB-6002的智能家居监控实验通过集中管理，实现了家庭环境参数的智能化监控，可以及时有效的改善家庭中的环境，有利于提高人们的生活质量。

2 总体设计

基于LabVIEW和USB-6002的智能家居监控实验是由：被测信号、传感器、信号调理电路、NI数据采集卡USB-6002、图形化编程工具LabVIEW 2013、USB摄像头组成[1]。传感器在最底层收集环境中被测信号的参数，然后通过调理电路去掉可能含有的噪声信号，将处理后的信号送到USB-6002进行模数转换（A/D），然后送入上位机中的LabVIEW 2013进行用户交互UI。USB摄像头直接与PC机连接，实时对家庭环境进行图像视频采集和监控。该实验的主要功能包括：用户登录、数据显示、数据存储、诊断报警、图像采集、远程VI面板连接、生成应用程序。总体设计框图如图1。

3 硬件设计

3.1 USB-6002数据采集卡

本实验采用I/0接口设备为美国国家仪器公司推出的USB-6002数据采集卡，提供了八路单端（四路差分）模拟输入通道及两路模拟输出通道，具有16位的分辨率、50kS/秒的采样速率，还包括13条I/ O线、1个32位边沿计数器 [2]。NI USB-6002采用USB总线供电，即插即用的安装方式，并且USB-6002的兼容性很好，可以与很多开发软件兼容。

3.2 传感器模块设计

传感器模块主要是由温度传感器（PT100铂热电阻）、湿度传感器（AM1001湿敏电阻）、光敏传感器（光敏电阻）、火焰传感器（红外接收二极管）、气敏传感器（ZYMQ-2）和人体红外线传感器（HC-SR501）组成。温度测量模块设计：由直流稳压电源（24V）、SBWZ型温度变送器（AO：1-5V、温度范围：-20℃～+80℃）、PT100三线制铂热电阻构成。AM1001湿度传感器工作电压：4.75-5.25V，AO：0-3V。光敏传感器工作电压：3.3-5V，光敏电阻的光照强度与电阻值成反比关系[3]。火焰传感器工作电压：3.3-5V，火焰探头将探测的红外光强弱转换为电压，两者之间为反比（非线性）关系。ZYMQ-2氣敏传感器工作电压：5V，AO：0-5V， 0.1V-0.3V（相对无污染），气敏传感器的电导率与可燃气体浓度成正比关系，浓度越大，电导率就越大，导致电阻降低，从而输出电压变大。人体红外传感器模块（HC-SR501）工作电压：4.5-20V，主要由LH1778探头、菲涅尔透镜（距离越远，感应越强，角度越大）和BISS0001信号放大模块组成。

4 软件设计

4.1 用户登录

用户登录的功能主要是保证设计的安全性和数据的私密性，防止非授权用户进行非法操作。用户登录程序框图如图2。while循环和事件结构构成程序主要框架，其中事件结构包含了9大分支（用户登录、超时、修改密码、进入系统、退出系统、前面板关闭？、用户密码、用户名、用户管理）。用户登录系统包含：编辑信息、读取信息、更新数据、更新信息、核对密码、删除用户、修改密码、用户登录、用户管理、增加用户程序等多个子VI[4]。

4.2 数据显示

数据显示是将采集到的数据利用LabVIEW 2013中的显示控件在前面板上实现对信号的数值显示、波形图表显示、表格数据显示、报警上下限值显示、指示灯报警显示等。湿度采集数据显示前面板如图3。AM1001湿度传感器输出电压与标准湿度关系（条件：25℃，VDD=5V）如表1。由表1可得湿度换算公式： 标准湿度=输出电压/0.03（%RH）

4.3 数据存储

数据存储采用表单文件（.txt）的形式来实现。数据储存分为两部分：一部分用于储存数据表头，一部分用于实时数据储存。储存数据表头部分包括：采样日期、采样时间、测量值、测量值单位；实时数据储存部分包含了实时的测量值和测量值单位。USB-6002数据采集卡采集到的数据及其对应的时间，都会以文本文件.txt的形式存储到设置好的归档文件路径下。同时还会将采集到的数据以表格的形式显示在前面板上。数据储存程序框图如图4。

4.4 诊断报警

当程序运行时，USB-6002数据采集卡采集到的环境参数高于或低于已设定好的报警上限值或报警下限值时，就会触发报警指示灯显示控件开启，同时也会触发报警声音程序发出警报声，报警响铃设置为10秒。

4.5 图像采集

圖像采集程序采用NI IMAQ Vision模块和USB摄像头来完成。视觉开发模块（Vision Development Module）和摄像头驱动程序（Vision Acquisition Software）是程序开发前的必备工具[5]。图像采集流程图如图5。图像采集程序框图如图6。首先打开视频设备，LabVIEW图形化程序在选择摄像头端口号对其进行初始化设置，然后通过while循环来进行视频采集，再对其采集的图像进行处理后显示，最后关闭摄像头。

4.6 远程VI面板连接

LabVIEW的Web服务器技术可以将本地VI发布到远程计算机上，用户使用网页或LabVIEW就能够远程浏览和操作本地VI前面板[6]。要实现这个功能，首先要在Server配置并启动LabVIEW Web服务器；然后在Client用网页或LabVIEW Run-Time引擎连接远程面板。通过LabVIEW Run-Time引擎连接远程VI面板，服务器地址：192.168.1.100，VI名称：smarthome.vi，http端口：8000；通过网页连接远程VI面板，只需在浏览器中输入URL地址：http：//192.168.1.100：8000/ smarthome.html即可访问VI前面板。网页远程VI面板连接图如图7。

5 总结

当一个程序写好后，用户并不希望只能在LabVIEW开发环境中运行程序，因为开发环境价格昂贵，而且LabVIEW开发环境的安装与运行是非常耗费时间资源的。程序从开发人员电脑移植到目标电脑，就需要用到生成应用程序。在开发人员电脑上把写好的LabVIEW程序编译生成独立可执行应用程序（exe），然后移植到目标电脑。移植方式是将exe和所用到的组件、工具包、LabVIEW运行引擎等打包生成安装程序（installer）。生成的应用程序安装包可以在任何一台电脑上进行安装，然后配合相应的硬件后就可以使用，节省了大量的时间和繁琐的过程。

由于智能手机的普遍化，所以开发一款手机APP实现智能家居远程监控，可以让人们无时无刻、任何地方都可以监测到家庭的居家环境和安防状态，极大地方便了人们的生活。同时人们也希望能够实现相应的电气控制需求，所以远程手机APP监控和电气控制是今后我需要研究的重点。

参考文献：

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

[2] 费莉，王博，刘述喜.基于LabVIEW的数据采集及测试系统设计[J].重庆理工大学学报：自然科学，2012，10（26）：38-41.

[3] 王迪.光敏电阻在家用电器操作面板中节电模式下的应用[J].电子制作，2013（24）：37.

[4] 马慧娟，李岭，张英梅.煤矿井下水情综合监控系统管理软件的开发与设计[J].煤矿机械，2010，1（31）：227-230.

[5] 丁晟，蒋晓瑜，汪熙.基于LabVIEW的图像处理技术研究[J].微计算机信息，2010（26）：204-205.

[6] 陈锡辉，张银鸿.LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2007.