基于視覺物聯網的智能家居安防軟件系統設計

高貝貝，崔金龍，白鋅，姚愛芬，郭寶軍

（滄州交通學院，河北黃驊，061199）

0 引言

隨著中國經濟的不斷發展以及人們物質生活水平的不斷提高，人們的安全防患意識也在逐漸增強，快節奏生活下的人們對家庭的安全問題越來越重視。一方面，火災、煤氣泄露等安全隱患問題是社會重點關注的對象，每年因為意外火災造成的人員傷亡和財產損失仍然很嚴重；另一方面，小區和單位防盜設施簡陋匱乏、治安防范力不足等因素，給入室盜竊者以可乘之機。為了更好地保護家庭的安全人們需要一種功能完善的安防系統。本文在傳統安防系統的基礎嵌入機器視覺傳感器，可實現多傳感器融合技術的智能家居環境的安防保障。下面對基于視覺物聯網技術的智能家居安防平臺的軟件系統設計進行介紹。

1 系統方案設計

基于視覺物聯網的智能安防系統由三部分構成，第一部分為采集家居環境參數的前端監測節點設備（從機設備），主要實現采集環境溫度、煙霧濃度、可燃氣體濃度，監測非法入侵事件、異常事件發生等功能；第二部分為互聯前端監測節點的網關設備，網關設備使用ModBus 擴展協議組建一主多從無線通信網絡，將前端節點傳回的數據經由網關設備上傳至物聯網云平臺。第三部分為Tlink 物聯網云平臺，該平臺免費提供PC 端和手機端的云組態，可快速開發物聯網云臺及數字化系統產品。本文使用Tlink 物聯網云平臺實現與網關設備間的數據傳輸，通過自定義云組態實現PC 端或手機端與用戶間的信息交互。系統方案設計架構圖如圖1所示。

圖1 系統架構圖

2 軟件系統設計

2.1 顯示屏驅動程序設計

顯示屏選用0.96O 寸LED 屏，屏幕通過I2C 接口與主控芯片相連。顯示屏驅動程序設計如下。首先，主函數調用OLED 屏初始化函數，完成相關屏幕參數設置；然后，簡單對屏幕做下清屏處理；最后，使用單字符顯示函數showChar()實現顯示字符串、整型數值復合函數功能，完成網關及子設備的相關參數顯示功能。圖2 是單字符顯示函數showChar()子程序設計流程圖。

圖2 單字符顯示函數程序設計流程圖

2.2 WiFi 模塊聯網驅動程序設計

利用AT 指令控制 ESP8266 WiFi 模塊實現聯網，WiFi模塊通過主控芯片的串口2 相連。WiFi 模塊聯網驅動程序設計如下。首先，初始化ESP8266 實現退出透傳、重啟、檢查模塊是否存在、關閉回顯、檢查設置是否成功等操作；然后發送WiFi 名和密碼連接目標AP；最后通過TCP 協議到連接TLink 云平臺。圖3 為WiFi 模塊聯網驅動程序設計流程圖。

圖3 WiFi 模塊聯網驅動程序設計流程圖

2.3 LoRa 無線局網關模塊驅動程序設計

使用SPI 通信協議來驅動LoRa SX1278 無線模塊，LoRa 模塊驅動程序設計如下。首先，完成SPI 引腳及工作狀態設置和SX1278 工作參數配制；然后，如果設備為網關則通過LoRa 模塊每3 秒收集從機數據，如果設備為從機則通過LoRa 模塊時刻監聽“網關詢問”指令任務。圖4 為LoRa 模塊驅動程序設計流程圖。

圖4 LoRa 模塊驅動程序設計流程圖

2.4 視覺異常事件監測程序設計

使用OpenMV 機器視覺模塊的幀差異算法進行運動物體檢測，然后通過OpenMV 模塊的串口通信接口將數字量信號輸送給主控芯片，主控芯片使用串口1 與OpenMV 模塊相連，在串口1 的中斷服務函數中添加異常事件累計語句。OpenMV 嵌入式視覺模塊安裝到二自由度平臺上，通過水平和垂直方向的PWM 控制信號實現視覺模塊的寬視野異常事件檢測。圖5 為主控器串口2 接收異常事件監測信號的程序設計流程圖。

圖5 常事件監測信號采集程序設計流程圖

2.5 非法入侵事件監測程序設計

門窗非法入侵監測信號傳輸選用“凌承芯電子公司”的蜂鳥無線模塊，無線接收端為靈-R1 模塊，該模塊的4 路開關量輸出給主控芯片的外部中斷模式引腳。開關量為低電平時會觸發外部中斷服務函數，在中斷服務函數中添加非法入侵事件累計語句。圖6 為非法入侵事件監測B 通道開關量信號采集程序設計流程圖。

圖6 非法入侵數字量信號采集程序設計流程圖

2.6 煙霧及可燃氣體監測程序設計

煙霧傳感器及可燃氣體傳感器輸出的信號為模擬信號，使用主控芯片自帶的AD 轉換器將傳感器信號轉為數字量，方便后期數據的運算及儲存。圖7 為AD 轉換器程序設計流程圖。

圖7 煙霧及可燃氣體信號ADC 轉換程序設計流程圖

2.7 DHT11 傳感器驅動程序設計

DHT11 采用單總線雙向串行通信協議，每次采集信息都要由主控器發起開始信號，如果傳感器正常且存在則DHT11 將起始信號拉低一段時間，然后 DHT11 會向單片機發送響應并開始傳輸40 位數據幀，并且數據幀的高位在前。圖8 為DHT11 傳感器驅動程序設計流程圖。

圖8 DHT11 模塊連接電路原理圖

3 聯網測試

3.1 連接 TLink 云平臺

本文選用的是TLink 物聯網云平臺。首先，登錄TLink云平臺創建設備，并完成頁面參數設置（設備名稱、鏈接協議、掉線延時、傳感器）等操作。然后，配制設備的協議標簽，協議標簽是傳輸一幀數據的格式，包括數據頭、分隔、數據、結束符四部分構成。最后，設置網關程序關鍵參數，包括TLink 云平臺的IP 地址、設備端口號、設備ID 地址。網關設備發送的第一幀數據為設備序列號以便與TLink 云平臺建立連接，接著定期發送傳感器數據即可。

3.2 發布云組態

為了提高用戶使用系統的便捷性，增強設備與用戶間的交互性，本文使用TLink 云平臺的云組態功能設計搭建了“基于視覺物聯網的智能家居安防系統”云組態，圖9 為“基于視覺物聯網的智能家居安防系統”云組態界面，云組態可發布成PC 端版和手機端版。云組態可實現顯示前端節點采集的溫度值、可燃氣體濃度、煙霧濃度、非法入侵事件累計次數、異常事件累計次數等信息。同時可通過下發數據操作實現前端節點的OpenMV 二組自由度平臺旋轉角度控制。如指令：1-X50-Y65，即為設備1 的OpenMV 機器視覺模塊X 軸轉動50PWM 值，Y 軸旋轉65PWM 值。

圖9 “視覺物聯網家居安防系統”云組態界面

3.3 聯調測試

系統上電后網關通過WiFi 模塊連接到Tlink 云服務器，此次測試網關設備通過無線局域網與三臺前端節點設備（從機）相連，網關設備每隔3 秒鐘廣播監聽前端節點采集的溫度值、煙霧濃度值、非法入侵次數、事件異常次數等信息。聯網測試效果如圖9 所示，到此已完成“監測端+云傳輸+智能端”三維一體的智能家居安防平臺的軟件系統設計。

4 結論

本文主要針對基于視覺物聯網技術的智能家居安防平臺的軟件系統進行了設計與實現，包括顯示屏驅動程序設計、WiFi 模塊聯網驅動程序設計、LoRa 無線局網關模塊驅動程序設計、非法入侵事件監測程序設計、視覺異常事件監測程序設計、煙霧及可燃氣體監測程序設計、DHT11 傳感器驅動程序設計及“基于視覺物聯網的安防系統”云組態界面搭建。經過聯網測試，嵌入視覺檢測技術的智能家居安防系統能夠準確實時的監測家居環境，良好的云組態交互界面提高了用戶操作的便捷性和實用性。