智能家居遠(yuǎn)距離可視化風(fēng)險自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

胡紅博

關(guān)鍵詞： 智能家居; 遠(yuǎn)距離; 可視化風(fēng)險; 自動監(jiān)測; 系統(tǒng)設(shè)計; 抗干擾性

中圖分類號： TN931+.3?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）04?0171?04

Design of long?distance visualized risk automatic monitoring system for smart home

HU Hongbo

（School of Physics and Electromechanical Engineering， Zunyi Normal University， Zunyi 563000， China）

Abstract： In allusion to the problems of large monitoring time?consumption and poor anti?interference capability existing in the traditional monitoring system， a long?distance visualized risk automatic monitoring system based on dual?sensor combination is proposed and designed for the smart home. The system is composed of two parts of hardware and software. The hardware is mainly used to monitor the temperature and combustible gas in the home environment. The software is mainly used to monitor visualized risks. The experimental results show that in comparison with the ARM embedded monitoring system and the monitoring system based on the Internet of Things， the improved monitoring system has a time?consumption reduced by 81.2 s and 28.3 s respectively， and an anti?interference performance improved by 66.104 and 93.85 respectively， which has a certain advantage.

Keywords： smart home; long distance; visualized risk; automatic monitoring; system design; anti?interference performance

0 ?引 ?言

智能家居是指通過家庭總線技術(shù)將家庭中各種與信息相關(guān)的通信設(shè)備、家用電器和家庭安保裝置連接到一個智能化系統(tǒng)上，從而對家居信息進(jìn)行集中或者異地監(jiān)視、控制和管理，以保證各設(shè)施之間的協(xié)調(diào)運(yùn)作[1?2]。智能家居能夠利用監(jiān)測系統(tǒng)對家居環(huán)境的溫濕度、風(fēng)速以及光照強(qiáng)度等進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，通過調(diào)節(jié)室內(nèi)開關(guān)對其進(jìn)行控制，還能夠為人們提供現(xiàn)代化的通信信息服務(wù)，從而打造出一個高效、舒心的家居環(huán)境[3]。由此可見，智能家居監(jiān)測系統(tǒng)已成為智能家居服務(wù)系統(tǒng)發(fā)展中必不可少的組成成分，是家居智能化推進(jìn)中的關(guān)鍵課題。

1 ?智能家居遠(yuǎn)距離可視化風(fēng)險自動監(jiān)測系統(tǒng)

智能家居，即將家庭內(nèi)部各種設(shè)備有機(jī)地連接在一起，使其組合成為一個綜合體，以此綜合體為對象，運(yùn)用家庭智能控制系統(tǒng)完成家居信息的采集、標(biāo)準(zhǔn)化處理以及控制等，最終達(dá)到智能家居風(fēng)險的遠(yuǎn)距離可視化監(jiān)測的目的[4]。本文設(shè)計監(jiān)測系統(tǒng)主要由管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。管理系統(tǒng)主要對各種家居設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、查詢和處理?？刂葡到y(tǒng)主要對家居設(shè)備進(jìn)行控制，兩者之間主要通過MODEM相連接，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 ?溫度傳感器設(shè)計

在設(shè)計溫度傳感器時，針對家居環(huán)境中設(shè)備的多樣性及不定性，采用DS18B20，PT1000鉑電阻以及熱敏電阻組成的多溫度傳感器，其中DS18B20是由DALLAS公司生產(chǎn)的單總線式數(shù)字溫度傳感器，具有性能好、抗干擾能力強(qiáng)、能耗低、靈敏度高以及處理效果明顯等優(yōu)勢[5?6]，眾多優(yōu)勢使得這一溫度傳感器可以廣泛應(yīng)用于多種溫度監(jiān)測中，尤其是對于多點(diǎn)溫度的監(jiān)測，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號給上位機(jī)處理，且在同一總線上可以掛接多個傳感器芯片，其測量溫度范圍為-55～125 ℃，精度在0.5 ℃，反應(yīng)時間≤500 ms。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成，分別是64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。其外形及管腳排列如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，低溫度系數(shù)晶振的震蕩頻率基本不受外界溫度的影響，其主要作用是產(chǎn)生具有固定頻率的脈沖信號，并將脈沖信號傳遞給計數(shù)器1;高溫度系數(shù)晶振的震蕩頻率與外界溫度之間具有顯著的相關(guān)關(guān)系，高溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號主要作為輸入信號向計數(shù)器2傳遞[7?8];以-55 ℃為基準(zhǔn)，不同溫度對應(yīng)的數(shù)值可用于設(shè)置各計數(shù)器以及晶振、溫度寄存器的數(shù)值。假設(shè)-55 ℃所對應(yīng)的數(shù)值為計數(shù)器1和溫度寄存器的數(shù)值，用計數(shù)器1的數(shù)值減去低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號數(shù)值，不斷減小計數(shù)器1的數(shù)值并重復(fù)此過程，當(dāng)計數(shù)器1的數(shù)值降低至0時，溫度寄存器的數(shù)值增加1，此時重新設(shè)置計數(shù)器1的數(shù)值，加之低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號不斷輸入計數(shù)器1，計數(shù)器1的數(shù)值將會不斷發(fā)生改變。依照此過程循環(huán)，直至計數(shù)器1的數(shù)值重新轉(zhuǎn)變?yōu)?，停止對溫度寄存器數(shù)值的改變，此時的溫度寄存器數(shù)值則可看作是所測溫度。計數(shù)器2的操作流程與計數(shù)器1相似。

1.2 ?可燃?xì)怏w傳感器模塊設(shè)計

可燃?xì)怏w是家居環(huán)境中存在的另一個風(fēng)險因素，采用MQ?5催化型傳感器對可燃?xì)怏w進(jìn)行遠(yuǎn)距離自動監(jiān)測，其主要采用氣敏材料SnO2，此材料會根據(jù)環(huán)境的變換發(fā)生改變，處于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境時，其電阻率數(shù)值較小;處于固定的檢測環(huán)境時，其電阻率的數(shù)值會增加，且與氣體的濃度變化呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系[9]。MQ?5催化型傳感器基本不受酒精以及煙霧濃度變化的影響，但甲烷、丙烷、丁烷的濃度變化會對其造成較大的影響，因此，MQ?5催化型傳感器主要用于對室內(nèi)可燃?xì)怏w甲烷的檢測。

MQ?5主要由SnO2敏感層、微型陶瓷管、測量電極和加熱器構(gòu)成。其中，加熱器提供了測量的條件。通常情況下，MQ?5會被封裝在具有特殊材質(zhì)的腔體內(nèi)，封裝之后的MQ?5有6個引腳，其中4個引腳用于對脈沖信號的測量，另外兩個引腳主要用于對氣體的加熱。等效電路如圖3所示。

圖3中，陰影圓[R0]表示測量氣體中的等效電阻，外部連接測量電路，可以認(rèn)為是負(fù)載電阻[RL]。這個負(fù)載電阻的大小會直接影響該器件的可測量范圍，而其具體數(shù)值的確定則主要由A/D轉(zhuǎn)換器的位寬來決定。

1.3 ?復(fù)位電路設(shè)計

復(fù)位電路是在RC電路基礎(chǔ)上添加按鍵開關(guān)，來實現(xiàn)人為復(fù)位和遠(yuǎn)程自動復(fù)位的兩部分控制功能。人為復(fù)位主要針對處于家居環(huán)境的情況，遠(yuǎn)程自動復(fù)位主要針對處于外出環(huán)境的情況[10]。當(dāng)發(fā)生風(fēng)險時，通過移動設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程可視化監(jiān)測。

在系統(tǒng)運(yùn)行初始階段，電容和電壓的數(shù)值固定，不會輕易發(fā)生改變，則復(fù)位引腳將會穩(wěn)定地從低電平向高電平發(fā)生轉(zhuǎn)換，從而產(chǎn)生上電復(fù)位信號。然而，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，不可避免地會產(chǎn)生障礙因素，導(dǎo)致系統(tǒng)混亂甚至進(jìn)入死機(jī)狀態(tài)。因此添加手動復(fù)位，主要負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)的重新啟動以及系統(tǒng)初始化，這一操作只需要按下開關(guān)按鍵即可，對此選擇復(fù)位電路圖如圖4所示。

2 ?軟件設(shè)計

在設(shè)計系統(tǒng)軟件過程中，主要針對家居風(fēng)險進(jìn)行可視化監(jiān)測分析，具體可視化編程源代碼如下：

Public void RetrieveDrawing（Visual v）

{

Drawing Group dGroup=VisualTreeHelper. Get Drawing（v）;

Enum Drawing Group（dGroup）;

}

//開始并初始化系統(tǒng)

Public vid EnumDrawingGroup（DrawingGroup drawingGroup）

{

DrawingCollection dc=drawingGroup.Children;

//請求對家居環(huán)境進(jìn)行視頻監(jiān)測

Foreach （Drawing drawing in dc）

{

//對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼

If （drawing.GetType（）==typeof（DrawingGroup））

{

EnumDrawingGroup（（DrawingGroup）drawing）;

}

else if （drawing.GetType（）==typef（GemetryDrawing））

{

//顯示視頻監(jiān)測圖像

}

else if （drawing.GetType（）==typeof（ImageDrawing））

{

//確定是否需要進(jìn)行設(shè)備控制

}

else if （drawing.GetType（）==typeof（glyphRunDrawing））

{

//發(fā)送請求，并反饋監(jiān)測信息

}

else if （drawing.GetType（）==typeof（VideoDrawing））

{

//對監(jiān)測信息進(jìn)行釋放，結(jié)束可視化監(jiān)測

}

}

}

3 ?實驗結(jié)果分析

3.1 ?實驗參數(shù)設(shè)置

實驗參數(shù)設(shè)置如表1、表2所示。

3.2 ?實驗結(jié)果分析

為了驗證改進(jìn)系統(tǒng)的有效性及可行性，采用改進(jìn)系統(tǒng)與ARM嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)、基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行對比，以監(jiān)測耗時為指標(biāo)進(jìn)行實驗分析，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，采用ARM嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)時，其隨著監(jiān)測設(shè)備數(shù)量的增加，系統(tǒng)運(yùn)行耗時逐漸增加且出現(xiàn)多處波動，穩(wěn)定性較差，最高用時高達(dá)95 s;采用基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)時，其監(jiān)測耗時隨著監(jiān)測設(shè)備數(shù)量的增加而多處波動，但相較ARM嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)耗時有所降低，約為42.1 s;采用改進(jìn)監(jiān)測系統(tǒng)時，系統(tǒng)運(yùn)行耗時隨著監(jiān)測設(shè)備數(shù)量的增加會出現(xiàn)上下浮動情況，但其整體耗時較為穩(wěn)定，在設(shè)備數(shù)量為40～50時出現(xiàn)耗時大的現(xiàn)象，但隨后下降，整體耗時約為13.8 s，相比ARM嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)、基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)分別降低了81.2 s，28.3 s，具有一定的優(yōu)勢。為進(jìn)一步驗證改進(jìn)系統(tǒng)的有效性及可行性，采用改進(jìn)系統(tǒng)與ARM嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)、基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行對比，以系統(tǒng)抗干擾能力為指標(biāo)進(jìn)行實驗分析，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，采用基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)時，系統(tǒng)抗干擾能力隨著實驗次數(shù)的增加而增高，平均值約為43.29，但穩(wěn)定性較低;采用ARM嵌入式系統(tǒng)時，系統(tǒng)抗干擾能力隨著實驗次數(shù)的增加，抗干擾能力逐漸增高，平均值約為109.394;采用改進(jìn)監(jiān)測系統(tǒng)時，系統(tǒng)抗干擾能力顯著，且抗干擾能力相比ARM嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)、基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)分別提高了66.104，93.85，具有一定的優(yōu)勢。

4 ?結(jié) ?論

針對傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的監(jiān)測耗時多、系統(tǒng)抗干擾能力差的問題，提出并設(shè)計了基于雙傳感器結(jié)合的智能家居遠(yuǎn)距離可視化風(fēng)險自動監(jiān)測系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明：本文系統(tǒng)運(yùn)行耗時相比ARM嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)、基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)分別降低了81.2 s，28.3 s;抗干擾能力相比ARM嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)、基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)分別提高了66.104，93.85。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫澤鴻，關(guān)維國，劉志建.基于Cortex_A8的智能云家居Web控制系統(tǒng)設(shè)計[J].微電子學(xué)與計算機(jī)，2016，33（7）：159?163.

SUN Zehong， GUAN Weiguo， LIU Zhijian. Design of intelligent cloud home Web control system based on Cortex_A8 [J]. Microelectronics & computer， 2016， 33（7）： 159?163.

[2] 殷賢華，劉明緣，王寧.基于Raspberry Pi的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（23）：161?164.

YIN Xianhua， LIU Mingyuan， WANG Ning. Design of smart home system based on Raspberry Pi [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（23）： 161?164.

[3] 單振華，王舒憬，強(qiáng)杰.基于Websocket的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43（10）：124?127.

SHAN Zhenhua， WANG Shujing， QIANG Jie. Design of Websocket?based smart home remote?control system [J]. Application of electronic technique， 2017， 43（10）： 124?127.

[4] 張貝貝，周祖榮.基于ZigBee技術(shù)的智能水浸系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)工程與設(shè)計，2016，37（11）：3130?3135.

ZHANG Beibei， ZHOU Zurong. Design of intelligent water logging system based on ZigBee technology [J]. Computer engineering and design， 2016， 37（11）： 3130?3135.

[5] 鄧昀，李朝慶，程小輝.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)應(yīng)用，2017，37（1）：159?165.

DENG Yun， LI Chaoqing， CHEN Xiaohui. Design of remote wireless monitoring system for smart home based on Internet of Things [J]. Journal of computer applications， 2017， 37（1）： 159?165.

[6] 曾欣慧.面向Android客戶端的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（12）：6?9.

ZENG Xinhui. Design of wireless video surveillance system for Android client [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（12）： 6?9.

[7] 金有杰，周克明，王海妹，等.基于GIS的水工程安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].水力發(fā)電，2016，42（12）：102?106.

JIN Youjie， ZHOU Keming， WANG Haimei， et al. Design and application of GIS?based water engineering safety monitoring information management system [J]. Water power， 2016， 42（12）： 102?106.

[8] 孟曉麗.物聯(lián)網(wǎng)平臺下基于云計算的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J].科技通報，2016，32（6）：67?71.

MENG Xiaoli. Smart home system design based on cloud computing on Internet of Things platform [J]. Bulletin of science and technology， 2016， 32（6）： 67?71.

[9] 白日欣，陳淑春，智剛毅.基于多元特征融合技術(shù)的農(nóng)村家居安防系統(tǒng)設(shè)計[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2017，40（3）：136?139.

BAI Rixin， CHEN Shuchun， ZHI Gangyi. Design of rural home security system based on the technology of multi?characters fusion [J]. Journal of Agricultural University of Hebei， 2017， 40（3）： 136?139.

[10] 王瑞澤，程穎，任文平.基于AVR單片機(jī)的家庭智能監(jiān)控機(jī)器人設(shè)計[J].計算機(jī)應(yīng)用，2016，36（z2）：328?330.

WANG Ruize， CHENG Ying， REN Wenping. Robot design based on AVR microcontroller for family intelligent monitoring [J]. Journal of computer applications， 2016， 36（S2）： 328?330.