基于LabVIEW的酒店安保系统设计论文

第 I 页 共 IV 页 摘 要近年来伴随着酒店业的扩张，酒店安防市场进入了快速发展和持续增长的春天。建立一套技术先进、功能完善、质量可靠的酒店安保系统，对提高酒店安全程度将起到重要作用。本课题是基于 LabVIEW 的酒店安保系统设计，系统主要以 LabVIEW 作为开发工具开发酒店安保系统应用软件，使用传感器技术对房间的温湿度、水灾、火灾和防盗等情况进行监测。需要完成数据采集终端 ZigBee 模块的软硬件设计，利用 ZigBee 无线技术对采集到房间信息发送给协调器，协调器通过串口与 PC 机通信，上位机监控系统对接收到的信息进行综合分析和处理。实验结果表明当房间内发生异常情况时本系统能够向用户发出报警信息，提醒用户对发生的异常情况进行处理，在人机交互界面用户可以对报警阀值进行设定以及查看各个房间当前情况，在历史数据查询界面还可以查阅历史数据。关键词：虚拟仪器；酒店安保系统；ZigBee；传感器技术第 II 页 共 IV 页 AbstractThe hotel security market has entered a rapid development and continued growth period with the expansion of the hotel industry in recent years. It will play an important role in the aspect of improve the hotel security degree to establish a set of advanced technology, perfect function, reliable quality of hotel security system.The hotel security system is based on LabVIEW. The host human-computer interaction interface adopt LabVIEW 2013 . The temperature and humidity, flood, fire and security of the room were monitored. Software and hardware design of data acquisition terminal is need to be finished, Information is sended to the coordinator with wireless technology and the coordinator communication with PC through serial. The Task of the system is analysis and process the information that received from sensor .The results of experimental show that the system can send out alarm information to the user and remind the user to process when there is abnormal condition in the room. User can set the alarm threshold and check the current situation of all rooms. Finally, the system is implemented in data memory and data inquire.Key words: Virtual instrument; the hotel security system; ZigBee; sensor technology第 III 页 共 IV 页 目 录引言 .11 酒店安保系统总体设计方案 .21.1 设计任务 .21.2 设计方案论证 .21.2.1 数据传输方式的选择 .21.2.2 主控制器的选择 .21.3 系统设计方案 .32 硬件电路设计 .42.1 ZigBee 模块电路设计 .42.1.1 控制芯片 CC2530F256 简介 .42.1.2 控制芯片 CC2530F256 核心板 .52.1.3 控制芯片 CC2530F256 底板 .52.1.4 电源供电系统 .62.1.5 串口通信电路设计 .62.2 数据采集终端模块 .72.2.1 火灾检测电路 .72.2.2 温度检测电路 .82.2.3 湿度检测电路 .82.2.4 水灾检测电路 .82.2.5 窃情检测电路 .93 软件设计 .93.1 ZigBee 协议栈简介 .93.2 操作系统 .123.3 LabVIEW 开发环境 .133.3.1 LabVIEW 程序的基本构成 .133.3.2 LabVIEW 多线程操作 .143.3.3 LabVIEW 程序设计结构 .143.3.4 LabVIEW 程序中的数据传递 .143.3.5 LabVIEW 程序运行时控制 .153.4 数据通信协议 .163.5 数据采集终端模块软件设计 .163.5.1 数据采集终端模块程序框图 .163.5.2 ZigBee 协议栈的使用 .16第 IV 页 共 IV 页 3.6 酒店安保系统监控界面软件设计 .193.6.1 酒店安保系统应用程序框图 .193.6.2 LabVIEW 串口接收数据 .193.6.3 酒店安保系统各个监控子程序 .214 系统调试 .234.1 硬件测试 .234.1.1 ZigBee 模块系统板 .234.1.2 传感器模块的调试 .254.2 软件测试 .254.2.1 LabVIEW 软件调试 .254.2.2 ZigBee 协议栈调试 .254.3 系统整体功能测试 .265 结论 .27谢 辞 .29参考文献 .30附 录 .31第 1 页 共 40 页引言酒店数量的增长直接带动了酒店安防新市场的增长，而现代酒店对安防的重视也有助于提高安防系统在酒店各类设施投入中的比例。同时，新技术的涌现还将拉动传统酒店安防系统的升级和改造 1。酒店的安全问题一直是相关各方共同关注的焦点，安全问题的复杂性与多样性、事故影响的广泛性、灾害损失的严重性、受伤害对象的群体性等特点使其成为酒店管理的重中之重。这迫切需要酒店构建完善的安防体系和日常工作规范，并采用先进的安防技术产品和设备。通过软硬兼施，才可以有效减少安全隐患和预防犯罪，同时有利于提升客户和员工满意度，从而增加酒店的直接和间接经济效益 2。但是，酒店建设对安防设备的投入还是相对较少，酒店内的管理系统功能还不够完善因此酒店还存在较大的安全隐患，如何运用成熟的科学技术来加强酒店安全防范系统的建设已经成为安防行业需要面对的重要课题。以往的安防系统大都采用同轴电缆进行信号的传输，施工受地理环境的影响，成本较高，开发周期较长，系统操作复杂，要求操作人员懂得的技术较多，让消费者感觉使用起来十分困难，也有些安保系统功能过于单一，比如简单的火灾自动报警系统，这样的安保系统整体功能还不够完善，不能达到保护酒店的财产安全和打击各种各样的经济刑事犯罪分子的目的，完全达不到智能化的效果，那么如何才能进行快速高效、低成本以及操作简单的酒店安防系统的开发呢？LabVIEW 是一种真正意义上的图形化编程语言，它采用工程技术人员所熟悉的术语和图形化符号代替常规的文本语言编程，具有界面友好、操作简单、开发周期短等特点 3。ZigBee 技术是一种新兴的低复杂度、低功耗、低成本、低传输速率的双向无线通信技术，它由 ZigBee 联盟制定，主要适合于短距离的无线通信，并能嵌入到各种通信设备中去 4。本设计就是为解决以往安保系统存在的不足而开发的。系统使用图形化编程语言LabVIEW 和 ZigBee 技术在 Windows 7 操作系统下开发应用软件，实现对酒店安保系统的上位机主控界面设计。具有开发周期短、成本低、智能化、人机交互界面友好等优点，特别适合中小型企业，使用 ZigBee 技术使数据能够通过无线的方式进行传输，省去了布线的繁琐，节省成本，最终实现酒店安保系统设计。第 2 页 共 40 页1 酒店安保系统总体设计方案本课题需要研究的是基于 LabVIEW 的酒店安保系统，主要是为酒店客人财产安全考虑，需要在 PC 机上开发人机交互界面作为酒店安保系统信息监控平台，实现对酒店客温湿度等环境信息的检测以及对抽湿机的控制，具体设计任务与设计方案论述如下。1.1 设计任务本系统的主要设计任务如下：了解国内外酒店安保系统研究现状和发展趋势，熟悉安保系统设计方法；熟练掌握单片机软硬件设计技术；掌握 LabVIEW 软件设计技术，利用 LabVIEW 开发上位机虚拟软面板；掌握温湿度、火灾、水灾和入室盗窃等传感器的原理和应用方法；各个监控终端和上位机之间采用有线或无线方式通信，通信距离不小于 100 米；用户可以实时查询各个环境参数，可以查询最近 1 年的历史记录。1.2 设计方案论证本设计是传感器技术与单片机技术的结合，由单片机控制传感器采集各个房间的环境情况并传输到酒店安保系统监控软件从而对数据进行分析处理。1.2.1 数据传输方式的选择 其中有线方式是采用自带串口功能的单片机组成数据采集系统对数据进行采集，通过 RS-485 串口通讯将数据传输到上位机，由于电脑自带的串口为 RS-232，所以还需要设计 RS-485 转 RS-232 模块。RS-485 接口是一种基于平衡发送和差分接收的串行接口，抗共模干扰能力强，传输距离也比较远，传输速度较快，RS485 通信系统中一般都是采用的主从机通信方式，也就是一个主机带多个从机，符合本系统的设计要求。存在的缺点是每一个房间每一个传感器都需要通过导线和电脑连接起来才能进行通信，增加了实际操作的困难，成本也较高。此外还可以采用自带无线发送与接收功能的单片机组成数据采集系统对数据进行采集，通过无线的方式将数据发送到电脑，电脑不具备接收无线数据的功能，因此需要设计一个具有无线数据接收功能的模块与电脑相连并通过串口将数据发送到上位机。但是无线的方式不需要每个模块都需要通过导线和电脑相连，减少布线的工作量，节约成本。优先考虑。综上所述，基于无线网络实现的方式简化了施工难的缺点，因此选择无线的方式将数据传输到上位机。1.2.2 主控制器的选择AT89S51 是一款低功耗，高性能 8 位单片机，片内含 4KB 的 Flash，具有 128*8字节的内部 RAM，5 个中断源；2 个中断优先级、2 层中断嵌套中断；2 个 16 位的定时/计数器，2 个全双工串行通信接口，32 个外部双向输入 /输出（I/O）口；成本低、操作简单、容易上手。与 AT89S51 相比 STM32F103VET6 是一款基于 ARM Cortex-M3 内核的高性能、第 3 页 共 40 页低成本、低功耗的芯片。3 具有 128KB 的 Flash 用于存储数据以及程序，多达 20KB 的内置 SRAM，3 个通用定时器与一个高级定时器，通信接口具有 2 个 SPI、2 个 IIC、3个串行通信口、1 个 USB 与 1 个 CAN 接口，80 个通用 I/O 口，具种低功耗模式：待机，休眠，停止模式，工作时钟可达 72MHZ。图 1.1 系统整体框图CC2530F256 具有高性能、低功耗的 8051 控制器内核，256KB 在系统可编程Flash,8KB 的 RAM， IEEE 802.15.4MAC 定时器，一个 16 位和 2 个 8 位通用定时器。具有极高的接收灵敏度与抗干扰能力强等优点。它还包括一个调试接口和一个 18 输入的扩展中断单元，具有 2 个全双工串行通信接口。综上所述，AT89S51 价格低廉但是需要通过有线的方式将数据传输到上位机，在实际操作中布线不方便，STM32 资源丰富但是实际上每个节点所需资源不多，在本系统中会造成资源浪费，而且也是需要通过有线的方式进行数据传输。采用 Zigbee 芯片将采集到的环境信息通过无线的方式发送到上位机，Zigbee 芯片选择为 CC2530F256，该芯片内部集成了一个 51 内核以及固化了 Zigbee 协议栈。采用无线方式省去了布线的困难，因此主控制器采用 CC2530F256。1.3 系统设计方案本设计主要包括上位机主控界面软件部分和终端节点数据采集模块软硬件两部分。终端部分负责周期性采集各个房间信息并传输到监控终端，监控终端负责接收数据采集节点发送过来的数据并对数据进行分析处理，以及对数据进行存储方便后续对数据第 4 页 共 40 页的查询，若有异常事件发生则进行报警，本系统采用 LabVIEW 作为人机交互界面开发环境，系统整体结构框架如图 1.1 所示。2 硬件电路设计本系统硬件电路设计包括终端控制模块和传感器电路设计。2.1 ZigBee 模块电路设计终端主控制器电路设计包括以下设计部分。2.1.1 控制芯片 CC2530F256 简介图 2.1 CC2530F256 核心板原理图CC2530 是 TI 公司在 2.4GHz 频段推出的第二代支持 IEEE 802.15.4/ZigBee 协议的片上系统(System On a Chip,SOC)芯片。其内部集成了高性能射频(Radio Frequency , RF) 收发器、工业标准增强型 8051 MCU 内核、256KB Flash ROM(Read-Only Memory)和8KB RAM(Random Access Memory3。它能够以自组织的方式建立强大的网络节点，在各个节点之间进行数据的传输。CC2530 具有不同的运行模式以适应不同的需求，灵活多变的特性使得它尤其适应超低功耗要求的系统。各个运行模式之间的切换所需时间更短，功耗大大降低，使其更适合电池供电产品，其主要优点有：供电电压-0.3第 5 页 共 40 页到 3.9V；还支持硬件调试；具备在各种供电方式下保持数据的能力。此外，还具有强大的 5 通道 DMA；以及 3 个通用定时器；集成看门狗定时器；硬件支持 CSMA/CA；具有电池监视器和温度传感器；21 个通用 I/O 引脚（194 mA，220 mA） ；2 个支持多种串行通信协议的强大串行通信接口；具有 8 路输入和可配置分辨率的 12 位模数转换器，CC2530 核心板电路如图 2.1 所示。2.1.2 控制芯片 CC2530F256 核心板为了方便调试本系统将 CC2530F256 核心板与底板分开进行设计，CC2530F256 外围电路简单，典型的应用电路如图 2.1 所示，外接元件的典型值及其描述如表 2.1 所列。表 2.1 CC2530 常用外接器件元件标号 备注 元件值L1 RF 匹配网络部分 10nHL3 RF 匹配网络部分 4.8nHC10 RF 匹配网络部分 18pFC14 RF 匹配网络部 18pFC13 RF 匹配网络部分 18pFC8 RF 匹配网络部分 12pFC9 RF 匹配网络部分 10pFR2 内部偏置电阻 56KC15 片上 1.8V 电源稳压器去耦 1uFC16 32MHZ 晶振负载电容 27pFC17 32MHZ 晶振负载电容 27pFC18 32.768KHZ 晶振负载电容 15pFC19 32.768KHZ 晶振负载电容 15pF在设计 CC2530F256 核心板的时候需要注意以下几点：输入/输出匹配：在使用不平衡天线的情况下，为了优化性能 ,就必须使用不平衡变压器。当使用平衡天线，比如折叠式偶极天线，可以省去不平衡变压器；晶振：外接的 32MHZ 晶振 Y1 与两个负载电容器一起用于 32MHZ 晶体振荡器，Y2 是一个32.768KHZ 的可选晶振，与两个负载电容器一起用于 32.768KHZ 晶体振荡器。32.768KHZ 晶体振荡器可以使用在需要非常低的睡眠电流消耗和精确的唤醒时间的应用中。为低功耗的应用提供了必备的条件。电源去耦和滤波：片上 1.8V 稳压器提供了 1.8V 数字逻辑，要稳定运行需要外接一个去耦电容，为了获得优良的性能，电源必须要去耦，电源去耦电容器的尺寸、布局和电源的滤波要求也是很严格的。在射频芯片的 PCB 布线中天线的设计是最重要的，第 6 页 共 40 页天线部分设计的好坏直接影响到通信距离。2.1.3 控制芯片 CC2530F256 底板CC2530F256 底板是配合 CC2530F256 核心板使用的，为了方便外接传感器底板把CC2530F256 的全部 IO 口都引出来了。具体电路如图 2.3 所示，其中 S1 为复位按键，复位电路在调试阶段具有很重要的作用。LED3 为连网状态指示灯，当终端节点或者路由器加入了协调器所建立的网络时 LED3 灯亮起，当终端节点或者路由器退出协调器所建立的网络时 LED3 灯熄灭。方便观察每个节点当前的状态。2.1.4 电源供电系统本系统使用变压器将 220V 电压降为 12V 再输入稳压器 LM7805 得到 5V 电源为本系统供电，具体电路如图 2.3 所示。图 2.3 电源供电系统本系统中 MCU 供电是需要 3.3V 电源的而有些外围器件供电是需要 5V 的，例如：继电器、热释电人体红外感应器、烟雾传感器等设备。但是本系统提供的电源是 5V 的，所以 3.3V 电源需要经过 ASM1117-3.3 芯片稳压提供。具体电路如图 2.4 所示。图 2.4 电压转换电路2.1.5 串口通信电路设计本系统下位机与上位机通信是采用 RS232 串口通信方式的，由于笔记本电脑没有串口所以需要设计 USB 转串口电路，本设计采用的 USB 转串口芯片是 CH340。在串口模式下，CH340 主要用于为计算机扩展异步串口，或者将 USB 接口转换为串口。第 7 页 共 40 页CH340 具有以下优势：只需很少的外围器件，兼容 USB V2.0，是一个全速 USB 接口；与计算机端操作系统下的串口应用程序完全兼容，不需要进行任何改动；支持两种类型的供电电压，分别是 5V 和 3.3V；软件兼容 CH341，与 CH341 的驱动程序兼容；具有硬件全双工串口，通讯波特率从 50bps 到 2Mbps，具备收发缓冲区；提供两种封装类型，SSOP-20 和 SOP-16 无铅封装，具体电路如图 2.5 示。图 2.5 USB 转串口电路2.2 数据采集终端模块根据本系统的设计要求终端数据采集模块主要是传感器电路硬件设计，本系统主要测量的是酒店房间的温度、湿度、水灾情况、火灾情况和防盗等情况，所以选择传感器时着重考虑低成本、供电电压和量程范围要求。第 8 页 共 40 页2.2.1 火灾检测电路图 2.6 火灾检测电路烟雾传感器模块用于对火灾进行检测，采用的传感器型号为 MQ-2，该传感器具有以下优点：在很宽的浓度范围内对可燃气体都有良好的灵敏度；驱动电路简单。当空气中存在可燃气体时，空气中可燃气体浓度越大传感器的电导率就越大。外接较少器件就可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的信号输出。MQ-2 气体传感器对多种可燃气体的检测效果都很理想。特别适合作为低成本传感器使用在酒店等公共场所。MQ-2 模块电路连接如图 2.6 所示。2.2.2 温度检测电路DS18B20内部有9字节的 RAM 单元，第一和第二字节存放的是转换好的温度。第二和第三字节用来设置最高报警和最低报警值。第四字节是用来配置转换精度的。电源电压从3.0V 到5.5V 都能正常工作，温度测量范围从-55到125，在1085范围内能达到0.5 的精度，用户可定义的非易失性温度报警设置。DS18B20 的分辨率是可编程的从 9 到 12 位，默认为 12 位分辨率为 0.0625。该器件可测量正负温度其中 13 到 16 位表示符号位。每个 DS18B20 都包含了唯一的序列号，单线接口仅需一个端口引脚与单片机进行通讯，该端口需要一个上拉电阻器件才能正常工作。在这钟情况下，微控制器是通过每个 DS18B20 独特的系列号进行控制的。因为每个芯片都有唯一的一个序列号,单总线上连接的器件数目理论上是无限的。DS18B20 的硬件电路很简单，只需在数据引脚加一个上拉电阻即可，其电路连接如图 2.7 所示。第 9 页 共 40 页图 2.7 DS18B20 接口电路2.2.3 湿度检测电路DHT11 测温范围为 20-90%RH、测湿精度为5%、分辨力为 1。DHT11 与单片机采用单总线进行通信，单线制串行接口，使系统电路变得极为简单，但是对时序的要求也更严格。该传感器成本低、抗干扰能力强、极低的功耗、信号传输距离远，在各类应用场合都可以选择，器件为 4 针单排引脚封装，连接方便。湿度传感器与DS18B20 硬件接口电路类似如图 2.8 所示：本系统采用 LED 灯来模拟房间抽湿机的运行与关闭，当温度值大于设定的阀值时 LED1 点亮表示抽湿机开始工作，当温度低于设定的阀值时 LED 灯熄灭表示抽湿机停止工作。2.2.4 水灾检测电路水灾传感器采用 Arduino 雨滴传感器模块，该模块具有如下特点：超大面积5.0*4.0CM,传感器采用高品质 FR-04 双面材料，并用镀镍处理表面，具有抗氧化能力强，导电性良好，寿命长等优越的性能；输出信号类型为数字信号，使用 LM393 作为比较器，驱动能力强；有相应的电位器可调节灵敏度；工作电压为 3.3V-5V；模块功能介绍：给模块上电，当发生水灾时感应面板上有液体，模块输出低电平，无水灾时，模块输出高电平，只需将信号输出引脚接到单片机控制脚即可检测水灾。图 2.8 DHT11 接口电路2.2.5 窃情检测电路HC-SR501 是基于红外线技术的自动控制模块，灵敏度更高，可靠性更强，具有在超低电压下工作的能力，广泛应用于各类自动感应电器设备，特别是电池供电的自动第 10 页 共 40 页控制产品。他具有如下特点：全自动感应:当有人在其感应范围内时则输出高电平，若无人在其感应范围则自动延时输出低电平。可调节灵敏度，最大检测距离可达到 7 米；工作电供电电压为 4.5-20V，高低电平分别为 3V 和 0V；两种触发方式：第一种为不可重复触发方式:意思是说模块在感应到有人时输出高电平，延时时间段一到输出就由高电平变为低电平；b、可重复触发方式：在检测到人体后输出高电平，在输出高电平区间，如果还能检测到有人在其范围内活动，就保持高电平输出，直到检测不到人为止才输出低电平；可调节延时时间；可以设置为零点几秒到几十秒范围内。3 软件设计软件设计包括以下部分。3.1 ZigBee 协议栈简介协议就是一系列的通信标准，通信双方都需要共同按照这一标准进行正常的数据发射和接收。协议栈是协议的具体实现形式，通俗点来理解就是协议栈是协议和用户之间的一个接口，开发人员通过使用协议栈来使用这个协议的，进而实现无线数据收发。在 IEEE 802.15.4 标准基础之上构建了 ZigBee 协议架构。IEEE 802.15.4 标准规定了 ZigBee 协议的物理层(Physical Layer,PHY Layer)和媒体访问控制层(MediaAccess Control,MAC);而 ZigBee 联盟定义了 ZigBee 协议的网络层(Network Layer,NWK Layer)、应用层(Application Layer,APL)和安全服务规范，图 3.1 为 ZigBee 无线网络协议层的架构图。本设计就是利用 TI 推出的 ZigBee 2007 协议栈也称 Z-Stack 软件来方便地使用 第 11 页 共 40 页ZigBee 协议的，Z-stack 是挪威半导体公司推出 CC2430 时推出的一款业界领先的商业级协议栈软件，因为这个协议栈软件的出现，用户可以很容易地开发出具体的应用程序来，节省开发周期。操作系统抽象层 OSAL 是 Chipcon 公司为自己设计的 Z-Stack 协图 3.1 ZigBee 无线网络协议层架构图议栈提供的协议栈调度程序。对于用户来说，只能够看到这个调度程序，其它任何协议栈操作的具体实现细节都被封装在库代码中。用户只能够通过调用 API 接口来进行具体的应用开发，Zigbee 协议栈其实就是一个小型的操作系统，协议栈已经帮我们考虑底层和网络层的内容，将复杂部分屏蔽掉。本设计中终端数据采集模块采用的是集成了增强型的 8051 内核的 ZigBee 芯片CC2530，Zigbee 网络中有三种类型的节点存在，分别是协调器、终端、路由器。组建一个完整的 ZigBee 网络主要由 ZigBee 协议栈的网络层来实现，其中协调器作为网络的第一个节点设备，是负责整个网络的建立的，ZigBee 网络层具有为新加入的节点分配地址并提供路由发现及路由维护等功能。路由器能够对消息进行转发。Zigbee 的树形网络可以有多个 zigbee 路由器，但是 zigbee 的星型网络不支持 zigbee 的路由器设备。Zigbee 终端节点是具体执行的数据采集传输的设备。协调节点启动时，根据定义的搜索频道和 PID 建立网络；如果 PID 定义为0xFFFF，则随机产生 PID。路由节点和终端节点启动后，搜索指定的 PID 网络，并加入网络。如果 PID 定义为0xFFFF，则可加入其他网络。每个设备节点都包括 IEEE MAC 地址和16位短地址，IEEE MAC 地址是固化在芯片内部的64位地址，这个地址由 IEEE 组织进行分配。在 ZigBee 网络中，有时也把 MAC 地址称为扩展地址；16 位短地址用于在本地网络中标识设备，和在网络中发送数据，当一个节点加入网络的时候将由它的父节点给它分配短地址，父节点可以是路由器或协调器，协调器的短地址是0。ZigBee 技术具有非常强大的组网能力，ZigBee 中存在三种网络，分别是星形网络、树形网络、网状网络。星状网络拓扑结构是最简单的，它没有用到 Zigbee 协议栈，只要 802.15.4 的层就能实现。图 3.2 为星形网络拓扑结构。 协调器终端节点路由器图 3.2 星形网络拓扑结构第 12 页 共 40 页在星状网络拓扑中，网络由一个 Zigbee 主协调器控制，该设备负责初始化和维护