LabVIEW Arduino TCP/IP遠(yuǎn)程智能家居系統(tǒng)（項目篇—5）

1

項目概述

智能家居是以家為平臺，兼?zhèn)浣ㄖ谝惑w的高效、舒適、安全、便利的家居環(huán)境。它是采用家庭控制總線、互聯(lián)網(wǎng)、通信、人工智能、單片機、傳感器等一系列高新技術(shù)將家居設(shè)備控制，安防管理生活信息及資訊管理，家居互聯(lián)網(wǎng)通信等與我們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的常用生活元素全面并縝密地結(jié)合在一起，能夠高度地提升我們的日常生活質(zhì)量、便利性、安全性、舒適性和豐富性，是實現(xiàn)真正意義上的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化和智能化家庭的一種全新的系統(tǒng)。它是依托于住宅這個平臺，能夠科學(xué)統(tǒng)籌管理家居生活的各個方面，讓家居生活“"智慧"起來。

這個管理過程的實現(xiàn)要依賴于計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)和綜合布線技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。其目的是為了給人們提供一個更加舒適、更加安全、更加便利的環(huán)境，從而真正地提高人們的生活品質(zhì)，讓人們感受到現(xiàn)代化時尚便利式的生活。

智能家居系統(tǒng)是實現(xiàn)對家用電器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和安防設(shè)備進行智能化監(jiān)控的系統(tǒng)，它包含入侵報警、煤氣檢測、數(shù)據(jù)采集以及家電控制等功能模塊。其中，具有安防功能的煤氣檢測、入侵報警模塊是為家庭提供安全方面的保障;數(shù)據(jù)采集模塊用于對溫度濕度等物理量的采集，把數(shù)據(jù)發(fā)送到控制模塊，通過控制模塊對空調(diào)、照明燈具和電動窗簾等設(shè)備進行控制，該模塊實現(xiàn)的目的是為用戶提供舒適、便捷、安全的家居環(huán)境。

2

項目架構(gòu)

本篇博文主要介紹一個基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程智能家居系統(tǒng)，采用Arduino Uno控制器作為下位機，采用LabVIEW作為遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，兩者通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通信。

3

傳感器選型

3.1、氣體傳感器

為了防止廚房內(nèi)的煤氣發(fā)生泄露，引發(fā)煤氣中毒和火災(zāi)等危險的發(fā)生，本系統(tǒng)在廚房中安裝氣體傳感器，以檢測是否有天然氣泄露。

氣體傳感器選用MQ-X系列氣體傳感器，此款傳感器采用MQ-X型氣敏元件，可以很靈敏地檢測到空氣中的煙霧以及甲烷氣體。結(jié)合蜂鳴器模塊與繼電器模塊，可以制作煙霧報警器、甲烷泄露報警器、自動煙霧排風(fēng)機等產(chǎn)品，是使室內(nèi)的空氣達到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的理想傳感器。

MQ-2是一種氣體電阻控制型的氣敏器件，其阻值隨被測氣體的濃度（成分）而變化。氣敏器件是一種“氣—電"傳感器件，它將被測氣體的濃度（成分）信號轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號，而且氣敏器件阻值與氣體濃度之間一般為非線性關(guān)系，但在固定濃度域的氣體檢測時可近似認(rèn)為是線性的，在一定的濃度范圍內(nèi)的檢測是有效的。

氣敏器件一般都是在加熱條件下工作，但工作溫度不宜太高（一般不要超過35℃），否則會造成性能衰減，降低氣敏靈敏度。

器件放置一段時間后，再通電使用時，阻值是先下降，然后又上升，通電大約10分鐘后（初期穩(wěn)定時間），才能穩(wěn)定到與氣氛狀態(tài)相應(yīng)的阻值。為了避免通電開始時的誤報動作，應(yīng)特別注意要設(shè)置十幾分鐘的延遲時間。器件的響應(yīng)時間約為10秒，恢復(fù)時間約為30～60秒。使用時，要避免油浸或油垢污染，更不要將氣敏器件長時間放在腐蝕氣體中。長時間使用時，要有防止灰塵堵塞不銹鋼網(wǎng)的措施。

MQ-2氣體傳感器實物圖如下圖所示：

3.2、溫度傳感器

DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司的數(shù)字化單總線智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9~12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。從DS18B20讀出信息或?qū)懭胄畔H需要一根線（單總線）讀寫，總線本身也可以向所掛接的設(shè)備供電，而無需額外電源。

拓展學(xué)習(xí)：LabVIEW控制Arduino采集多路DS18B20溫度數(shù)值（進階篇—3）

3.3、熱釋電紅外傳感器

熱釋電紅外傳感器主要由一種高熱電系數(shù)的材料，如錯鈦酸鉛系陶瓷、擔(dān)酸鋰、硫酸三甘鈦等制成尺寸為2mm×1mm的探測元件。在每個探測器內(nèi)裝入一個或兩個探測元件，并將兩個探測元件以反極性串聯(lián)，以抑制由于自身溫度升高而產(chǎn)生的干擾。由探測元件將探測并接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號，經(jīng)裝在探頭內(nèi)的場效應(yīng)管放大后向外輸出。為了提高探測器的探測靈敏度以增大探測距離，一般在探測器的前方裝設(shè)一個菲涅爾透鏡，該透鏡用透明塑料制成，將透鏡的上、下兩部分各分成若干等份，制成一種具有特殊光學(xué)系統(tǒng)的透鏡，它和放大電路相配合，可將信號放大70dB以上，這樣就可以測出10～20米范圍內(nèi)人的行動。

熱釋電紅外傳感器的窗口接收光線，濾波片對自然界中的白光信號具有抑制作用，因此只有特定波長的紅外信號才能透過濾波片照射在熱釋電元件上。熱釋電元件被光照后，由于熱釋電元件的上下表面受到的光照不同，產(chǎn)生電子并且形成電流，使兩塊黑色涂膜產(chǎn)生不同的熱釋電，電流經(jīng)過場效應(yīng)管后放大輸出電壓信號。

熱釋電紅外傳感器具有不發(fā)任何類型的輻射、器件功耗很小、隱蔽性好、價格低廉等優(yōu)點，其缺點如下：

1、容易受各種熱源、光源干擾；

2、被動紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收；

3、環(huán)境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度明顯下降，有時造成短時失靈。

3.4、繼電器

繼電器是一種電控制器件，當(dāng)輸入量（激勵量）的變化達到規(guī)定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化。它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路）之間的互動關(guān)系，通常應(yīng)用于自動化的控制電路中，實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關(guān)”。

電磁繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力下返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）釋放。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉"觸點，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。

4

硬件環(huán)境

將DS18B20溫度傳感器的Vcc和GND分別連接至Arduino Uno控制器的+5V和GND，以給DS18B20提供電源，DS18B20的DQ引腳接至ArduinoUno控制器數(shù)字引腳D2，且連接4.7KΩ的上拉電阻，因為DS18B20的DQ引腳正常工作需要添加上拉電阻。

將MQ-2氣體傳感器的兩個H引腳分別接至加熱電源的正負(fù)極，并調(diào)整電源模塊輸出+5V電壓;將A端、B端分別接至Arduino Uno控制器的+5V、模擬輸入AO，并且在B端與GND之間串接負(fù)載電阻。

將固態(tài)繼電器模組的控制端分別接至Arduino Uno控制板上的數(shù)字端口D3、D4、D5、D6、GND。硬件連接圖上只表示了一路繼電器，其余的類似。

將熱釋電紅外傳感器的VCC、OUT、GND分別接至Arduino Uno控制板上的5V、數(shù)字接口D7和GND。此處沒有在硬件連接圖上表示出來。

遠(yuǎn)程智能家居系統(tǒng)部分硬件連接如下圖所示：

5

Arduino功能設(shè)計

在基于Arduino與LabVIEW的遠(yuǎn)程家庭監(jiān)控系統(tǒng)中，Arduino Uno控制器需要完成以下功能：

1、通過W5100網(wǎng)絡(luò)模塊接收并判斷命令，采集和傳輸溫度、煤氣濃度、熱釋電傳感器的數(shù)據(jù)，并通過W5100網(wǎng)絡(luò)模塊上傳給LabVIEW軟件；

2、通過W5100網(wǎng)絡(luò)模塊接收并判斷命令、控制多路繼電器模組的斷開與閉合，以控制家用電器的關(guān)閉與工作。

遠(yuǎn)程智能家居系統(tǒng)Arduino控制器程序代碼如下所示：

#include <OneWire.h>#include <DallasTemperature.h>#define ONE_WIRE_BUS 2     //DS18B20接至Arduino數(shù)字口2OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);DallasTemperature sensors(&oneWire);
#define gas_Command        0x81   #define temp_Command       0x82   #define infrared_Command   0x80   #define SW1_ON_Command     0x11   #define SW1_OFF_Command    0x10   #define SW2_ON_Command     0x21   #define SW2_OFF_Command    0x20   #define SW3_ON_Command     0x31   #define SW3_OFF_Command    0x30   #define SW4_ON_Command     0x41   #define SW4_OFF_Command    0x40   
#include <SPI.h>#include <Ethernet.h>// Adresses MAC et IP à changer suivant vos besoinsbyte mac[] = { 0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED };IPAddress ip(192,168,1,177);
// Initialisation de la librairie ethernet// et création d'un objet "Server" qui va accepter// les connexions extérieures à l'adresse IP defini plus// haut et sur le port indiqué (ici 8000)EthernetServer server(8000);
byte comdata[3]={0};void test_do_data(void);    //測試串口數(shù)據(jù)是否正確并執(zhí)行命令
int SW1=3;int SW2=4;int SW3=5;int SW4=6;int inrared_Pin=7;
void setup(){  Ethernet.begin(mac, ip);      // Initialisation de la pile TCP/IP  server.begin();               // Démarrage du serveur  sensors.begin();  pinMode(SW1, OUTPUT);   pinMode(SW2, OUTPUT);   pinMode(SW3, OUTPUT);   pinMode(SW4, OUTPUT); } void loop(){   int i ;  // Attente des connexions et création d'un objet client s'il y a lieu  EthernetClient client = server.available();  if (client) {                                // Un client existe    while (client.connected()) {               // il est connecté      if (client.available()) {                // et il a envoyé des caractères             for(i=0;i<3;i++)         {              comdata[i] =client.read();               //延時一會，讓串口緩存準(zhǔn)備好下一個字節(jié)，不延時可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失              delay(2);           }          test_do_data();        }      // on renvoie au client une chaine de caractère qui représente le résultat de      // la conversion AN (par ex: '236') suivi des caractères CR+LF        }    client.stop();                             // Fermeture de la connexion  }}void test_do_data(){  if(comdata[0] == 0x55)    //0x55和0xAA均為判斷是否為有效命令   {     if(comdata[1] == 0xAA)     {       switch (comdata[2])        {            case temp_Command:             sensors.requestTemperatures();            server.print(sensors.getTempCByIndex(0),2);                break;            case infrared_Command:                   server.print(digitalRead(inrared_Pin)*5/1024,2);             break;            case gas_Command:              server.print(analogRead(A0));                  break;            case SW1_ON_Command:              digitalWrite(SW1, HIGH);                    break;            case SW1_OFF_Command:              digitalWrite(SW1, LOW);                    break;            case SW2_ON_Command:              digitalWrite(SW2, HIGH);                    break;            case SW2_OFF_Command:            digitalWrite(SW2, LOW);                    break;            case SW3_ON_Command:              digitalWrite(SW3, HIGH);                    break;            case SW3_OFF_Command:              digitalWrite(SW3, LOW);                    break;            case SW4_ON_Command:              digitalWrite(SW4, HIGH);                    break;            case SW4_OFF_Command:              digitalWrite(SW4, LOW);                    break;         }      }   }}

6

LabVIEW功能設(shè)計

LabVIEW上位機部分需要完成以下功能：

1、當(dāng)家用電器的開關(guān)觸發(fā)時，向下位機Arduino控制器發(fā)送指定家電的狀態(tài)切換命令，Arduino控制器通過W5100模塊讀取上位機的命令，進而控制固態(tài)繼電器模組的閉合和斷開，實現(xiàn)指定家用電器的打開/關(guān)閉；

2、當(dāng)前面板無操作而超時1秒時，依次向下位機Arduino控制器發(fā)送溫度、煤氣濃度、熱釋電傳感器的讀取命令，Arduino控制器通過W5100模塊讀取上位機的命令，讀取所需的數(shù)據(jù)并通過W5100模塊上傳至LabVIEW上位機軟件顯示。

6.1、前面板設(shè)計

LabVIEW前面板分為儀表盤顯示、波形圖顯示和電器開關(guān)等部分，儀表盤部分用于顯示當(dāng)前的煤氣濃度，波形圖顯示部分用于顯示溫度的變化趨勢，電器開關(guān)部分用于控制各路電器的工作狀態(tài)。同時，右下角的防盜指示燈顯示熱釋電傳感器的狀態(tài)。

遠(yuǎn)程家庭監(jiān)控系統(tǒng)的LabVIEW上位機前面板如下圖所示：

6.2、程序框圖設(shè)計

采用事件結(jié)構(gòu)+超時結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)測量和控制兩部分，在測量中使用條件結(jié)構(gòu)+枚舉的狀態(tài)機來實現(xiàn)溫度、氣體濃度和熱釋電傳感器數(shù)據(jù)的讀取，將測量程序劃分為3個狀態(tài)：溫度測量、氣體檢測和防盜指示。

為了更好地實現(xiàn)通信，制定如下的通信協(xié)議︰幀頭+操作碼。0x55AA為幀頭，操作碼0x80為熱釋電傳感器數(shù)據(jù)的采集，0x81為氣體濃度的采集，0x82為溫度采集，0x11為第一路繼電器閉合，0x10為第一路繼電器斷開，0x21為第二路繼電器閉合，0x20為第二路繼電器斷開，0x31為第三路繼電器閉合，0x30為第三路繼電器斷開，0x41為第四路繼電器閉合，0x40為第四路繼電器斷開。

LabVIEW上位機超時部分的程序框圖如下所示：

四個開關(guān)的值改變事件的程序框圖如下所示：

在將程序燒寫到Arduino Uno控制器之后，用網(wǎng)線將W5100網(wǎng)絡(luò)模塊與計算機連接在同一個路由器的不同的LAN接口，在LabVIEW程序中使用“高亮執(zhí)行代碼”，觀察TCP初始化能否成功。如不能，則重啟Arduino Uno控制器。

另外，在Arduino Uno控制器一端的路由器需要直接與公網(wǎng)相連接，而不是作為二級路由，同時需要設(shè)置路由器，使得Arduino Uno控制器的網(wǎng)絡(luò)IP地址能夠被遠(yuǎn)程的LabVIEW軟件所偵聽到。由于不同的路由器的設(shè)置方法不同，具體的路由器設(shè)置方法請上網(wǎng)搜索。