以太網(wǎng)的智能樓宇門(mén)口機(jī)設(shè)計(jì)＊

謝浩，付蔚

（重慶郵電大學(xué) 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與智能儀器儀表教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065）

謝浩（碩士研究生），主要研究方向?yàn)橹悄芗揖印?/p>

引 言

可視對(duì)講系統(tǒng)已經(jīng)成為多功能、高效率的現(xiàn)代化住宅的重要保障，對(duì)智能樓宇或智能小區(qū)的建設(shè)有極其重要的作用［1］。開(kāi)發(fā)智能樓宇門(mén)口機(jī)系統(tǒng)將滿(mǎn)足廣大用戶(hù)的需求，將智能生活提高到一個(gè)新的臺(tái)階。

1 可視對(duì)講系統(tǒng)的總體架構(gòu)

小區(qū)可視對(duì)講系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［2］主要由3部分組成：樓區(qū)可視對(duì)講系統(tǒng)、骨干網(wǎng)絡(luò)和中心管理機(jī)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 智能樓宇門(mén)口機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在可視對(duì)講系統(tǒng)當(dāng)中，以太網(wǎng)門(mén)口機(jī)的主要功能包括可視對(duì)講、多方式開(kāi)鎖、語(yǔ)音提示、更改振鈴聲音、更改語(yǔ)音提供，支持中文／英文語(yǔ)言菜單，支持自行設(shè)置菜單語(yǔ)言選項(xiàng)，支持本地在線(xiàn)搜索網(wǎng)內(nèi)和室內(nèi)終端。多方式開(kāi)鎖主要包括遠(yuǎn)程開(kāi)鎖、密碼開(kāi)鎖、IC卡開(kāi)鎖和出門(mén)按鈕開(kāi)鎖。門(mén)口機(jī)的功能框圖如圖2所示。

圖1 小區(qū)可視對(duì)講系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 門(mén)口機(jī)功能可視框圖

2.1 門(mén)口機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

門(mén)口機(jī)的硬件主要由兩部分組成，分別是GM8120處理模塊［3］和ATmega64控制模塊。門(mén)口機(jī)的設(shè)計(jì)采用的是雙核處理結(jié)構(gòu)，每個(gè)核都有其負(fù)責(zé)的功能。CPU采用的是臺(tái)灣智原公司的GM8120處理模塊，該處理模塊是ARM9內(nèi)核，具有低功耗32位RISC體系結(jié)構(gòu)。GM8120處理模塊帶有實(shí)時(shí)多任務(wù)的Linux操作系統(tǒng)，其主要負(fù)責(zé)音視頻信號(hào)的處理以及網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的處理，同時(shí)擴(kuò)展了比較大的存儲(chǔ)容量，可以存儲(chǔ)比較多的有用數(shù)據(jù)。

ATmega64是Atmel公司生產(chǎn)的一款低功耗的8位單片機(jī)，在讀取一條指令的時(shí)候?qū)ο乱粭l將要執(zhí)行的指令進(jìn)行讀取，加快了程序運(yùn)行速度。ATmega64控制模塊主要負(fù)責(zé)控制和顯示部分，具體分為門(mén)禁控制部分、開(kāi)鎖部分以及LCD顯示部分［4］。同時(shí)，GM8120與 ATmega64的通信采用串口通信。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 門(mén)口機(jī)總體結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 門(mén)口機(jī)核心板的設(shè)計(jì)

門(mén)口機(jī)的GM8120核心板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心，是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，其他模塊的一些數(shù)據(jù)都需要傳給GM8120處理模塊做進(jìn)一步處理。同時(shí)，GM8120處理過(guò)后的數(shù)據(jù)也需要傳給其他模塊去執(zhí)行，所以，GM8120核心板是門(mén)口機(jī)的大腦。GM8120核心板包含了處理器GM8120、存儲(chǔ)器、時(shí)鐘電路以及一些外圍電路和接口。該核心板的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 GM8120核心板結(jié)構(gòu)框圖

2.1.2 視頻解碼電路設(shè)計(jì)

GM8120處理模塊有數(shù)字視頻輸入接口，對(duì)于輸出是CCIR656／601 的 CCD／CMOS攝像頭，可以直接與GM8120引腳相連接，而對(duì)于輸出復(fù)合視頻或S－VIDEO的CCD／CMOS攝像頭，需要外接一塊解碼芯片。本設(shè)計(jì)采用的是Philips公司生產(chǎn)的SAA7113視頻解碼芯片，對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行解碼，SAA7113在很多視頻產(chǎn)品中都有應(yīng)用，是一款9位的視頻輸入處理器，其功能是把輸入的模擬視頻信號(hào)解碼成標(biāo)準(zhǔn)的“VPO”數(shù)字信號(hào)，相當(dāng)于一種模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。SAA7113兼容全球大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在使用的時(shí)候必須對(duì)其進(jìn)行初始化，也是按我國(guó)的視頻標(biāo)準(zhǔn)對(duì)寄存器進(jìn)行配置，對(duì)SAA7113初始化是通過(guò)I2C總線(xiàn)進(jìn)行的［4］。

在本系統(tǒng)中，SAA7113是攝像頭與GM8120的橋梁，攝像頭輸出的是模擬信號(hào)，通過(guò)SAA7113之后，轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)，直接與GM8120的數(shù)字視頻接口相連接。SAA7113芯片加一些外圍電路就組成了視頻解碼電路，如圖5所示。

從攝像頭輸出的模擬視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)電容耦合與濾波之后，輸入到SAA7113的Vin11腳，其他3路視頻輸入接口沒(méi)有用到，同時(shí)SAA7113還外接了一個(gè)24.576MHz的有源晶振為其提供時(shí)鐘頻率，模擬部分與數(shù)字部分分別采用3.3V電壓進(jìn)行供電，通過(guò)I2C總線(xiàn)對(duì)SAA7113進(jìn)行寄存器的配置，地址為4AH和4BH。解碼后的輸出是從引腳IPD0～I(xiàn)PD7輸出的，其輸出的是8位標(biāo)準(zhǔn)ITU656信號(hào)，直接與GM8120相連。

2.1.3 開(kāi)鎖模塊電路的設(shè)計(jì)

開(kāi)鎖模塊是門(mén)禁的核心，在本系統(tǒng)中，開(kāi)鎖的方式很多，比如遠(yuǎn)程開(kāi)鎖、密碼開(kāi)鎖、IC卡開(kāi)鎖以及出門(mén)開(kāi)關(guān)開(kāi)鎖。所有的開(kāi)鎖方式都是通過(guò)控制開(kāi)鎖模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，開(kāi)鎖模塊的電路原理如圖6所示［5］。

開(kāi)鎖模塊的核心是一個(gè)電磁繼電器和一個(gè)三極管。電磁繼電器型號(hào)為OMRON G6H－2，該繼電器有8個(gè)引腳，引腳1接高電平，引腳10接低電平，引腳3、8、4、7、2、9是公共觸點(diǎn)。3、4引腳和8、7引腳連接表示常開(kāi)，3、2引腳和8、9引腳連接表示常閉。

圖6中引腳3和8并聯(lián)引出一個(gè)端口COM，引腳4和7并聯(lián)引出一個(gè)端口NO，引腳2和9并聯(lián)引出一個(gè)端口NC；三極管型號(hào)為S8050，由單片機(jī)的一個(gè)I／O口對(duì)三極管進(jìn)行控制，其原理如下：當(dāng)DOOR＿RELAY為高電平時(shí)，三極管的基極電位電平大于發(fā)射極，三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，繼電器工作，使繼電器開(kāi)關(guān)打到NO端；當(dāng)DOOR＿RELAY為低電平時(shí)，S8050截止，繼電器不工作，繼電器開(kāi)關(guān)打到NC端。

圖5 視頻解碼電路原理圖

圖6 開(kāi)鎖模塊電路原理圖

繼電器引出來(lái)的兩個(gè)端COM、NC跟電鎖相應(yīng)引腳相連，電鎖采用的是兩線(xiàn)電磁鎖H9200，電鎖電源接到NC端，電鎖正級(jí)接COM端，電鎖負(fù)級(jí)接地，繼電器引出來(lái)的NO端接地。當(dāng)S8050處于截止?fàn)顟B(tài)的時(shí)候，繼電器不工作，兩線(xiàn)電磁鎖處于工作狀態(tài)，門(mén)鎖上；當(dāng)S8050導(dǎo)通，繼電器工作，電鎖不工作，門(mén)打開(kāi)。這就是開(kāi)鎖模塊的控制過(guò)程。

2.2 門(mén)口機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)門(mén)口機(jī)的軟件設(shè)計(jì)主要包括4個(gè)部分：LCD顯示驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)、ATmega64串口驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)、GM8120串口驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和鍵盤(pán)掃描驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 以太網(wǎng)門(mén)口機(jī)軟件結(jié)構(gòu)框圖

2.2.1 LCD顯示驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

LCD驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)主要包含以下幾個(gè)部分，分別是LCD初始化，LCD清屏，LCD列，行以及頁(yè)的定位，LCD顯示數(shù)字、漢字和顯示圖片等。

LCD初始化函數(shù)包含了端口的配置、LCD復(fù)位以及LCD顯示特性的設(shè)置，比如液晶屏顯示顏色深淺，選擇正顯或者反顯，顯示行列起始地址和LCD打開(kāi)等等。

2.2.2 ATmega64的串口驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

ATmega64的UART結(jié)構(gòu)可以分為3部分，分別是時(shí)鐘生成器、收控制器和發(fā)控制器?？刂萍拇嫫魇潜桓鱾€(gè)單元共享的。時(shí)鐘生成器包含外部時(shí)鐘同步邏輯和波特率發(fā)生器；收控制器包含奇偶校驗(yàn)器、控制邏輯、移位寄存器和UDR緩存器［5］。發(fā)控制器包含一個(gè)寫(xiě)緩存、一系列移位寄存器、奇偶校驗(yàn)生成器和控制邏輯。

在本系統(tǒng)中，通過(guò)UART0與GM8120進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。主要包含串口初始化、串口的數(shù)據(jù)接收與串口的數(shù)據(jù)發(fā)送等。部分程序如下：

2.2.3 GM8120的串口驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

GM8120有4個(gè)串口，其串口結(jié)構(gòu)主要包含波特率發(fā)生器、16位發(fā)送FIFO、16位接收FIFO、狀態(tài)FIFO、配置與狀態(tài)寄存器、中斷控制器和APB接口等。

在GM8120的串口接收中，首先要打開(kāi)串口的接收文件句柄，然后設(shè)置波特率，接著對(duì)串口參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，打開(kāi)串口，開(kāi)辟一個(gè)串口接收線(xiàn)程，進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收。對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。主要程序函數(shù)如下：

2.2.4 鍵盤(pán)的掃描驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是4×3矩陣鍵盤(pán)，其用到了ATmega64的PF1－PF6I／O接口，采用的是逐行（列）掃描法。首先判斷有無(wú)鍵按下，將全部行線(xiàn)置低電平。然后，檢測(cè)列線(xiàn)的電平狀態(tài)，如果有列線(xiàn)為低電平，則證明有鍵按下；如果列線(xiàn)沒(méi)有低電平，則說(shuō)明沒(méi)有鍵按下。如果有鍵按下，則判斷鍵盤(pán)的哪一個(gè)鍵按下了，方法是依次置行為低電平其他線(xiàn)為高電平。確定置為低電平的行，然后檢測(cè)列線(xiàn)狀態(tài)，如果某列為低電平，則讀取出PF口的值，可以判斷出是哪個(gè)鍵按下。PF口對(duì)應(yīng)的值以及鍵盤(pán)代表的鍵值如表1所列。

表1 PF口對(duì)應(yīng)的值以及鍵盤(pán)代表的鍵值

3 系統(tǒng)測(cè)試與驗(yàn)證

針對(duì)門(mén)口機(jī)，對(duì)其完成了高低溫測(cè)試。測(cè)試地點(diǎn)是在重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院工程實(shí)訓(xùn)中心，測(cè)試平臺(tái)為重慶漢巴試驗(yàn)設(shè)備有限公司（HANBA）生產(chǎn)的高低溫濕熱試驗(yàn)箱，型號(hào)為HUT703P。該儀器是參照GB10586－89濕熱試驗(yàn)箱相應(yīng)技術(shù)生產(chǎn)的。

在高低溫測(cè)試中，分高溫和低溫兩個(gè)流程來(lái)完成：

① 低溫測(cè)試。測(cè)試溫度范圍：－20～0℃，采用定值運(yùn)行模式，測(cè)試時(shí)間為45min；

② 高溫測(cè)試。溫度范圍：0～60℃，同樣采用定值運(yùn)行模式，測(cè)試時(shí)間為45min。在持續(xù)的低溫與高溫環(huán)境下，對(duì)門(mén)口機(jī)進(jìn)行了上電運(yùn)行，門(mén)口機(jī)運(yùn)行正常，測(cè)試通過(guò)。

驗(yàn)證平臺(tái)的搭建分兩種模式來(lái)完成：一種是以智能樓宇梯口機(jī)為中心，搭建驗(yàn)證平臺(tái)；另外一種是把智能樓宇門(mén)口機(jī)加入智能樓宇系統(tǒng)中對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

第一種方式需要EPA交換機(jī)、智能樓宇門(mén)口機(jī)、電磁鎖、出門(mén)按鈕、有效IC卡以及一些測(cè)試工具。連接圖如圖8所示。

圖8 門(mén)口機(jī)功能驗(yàn)證連接圖（第一種方式）

第二種方式是把智能樓宇門(mén)口機(jī)放到智能樓宇系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證，所需設(shè)備為智能樓宇門(mén)口機(jī)、EPA交換機(jī)、電磁鎖、出門(mén)按鈕、IC卡、2臺(tái)室內(nèi)機(jī)、中心管理機(jī)以及一些測(cè)試工具。連接圖如圖9所示。

圖9 門(mén)口機(jī)系統(tǒng)驗(yàn)證連接圖（第二種方式）

結(jié) 語(yǔ)

智能樓宇門(mén)口機(jī)是智能樓宇控制系統(tǒng)的重要組成部分，是可視對(duì)講系統(tǒng)的核心。其采用以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行信號(hào)的傳輸，具有功耗低、速度快、成本低、功能強(qiáng)大、資源豐富等特點(diǎn)。同時(shí)，其組網(wǎng)非常方便，具有很強(qiáng)的使用價(jià)值。本設(shè)計(jì)講述了智能樓宇門(mén)口機(jī)的總體硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方案，總體介紹了智能樓宇門(mén)口機(jī)的功能和在可視對(duì)講系統(tǒng)中的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)已經(jīng)在重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院智能家居實(shí)驗(yàn)室得到了很好的應(yīng)用，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

［1］王再英，韓養(yǎng)社，高虎賢.樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)原理與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［2］林火養(yǎng).智能小區(qū)安全防范系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［3］張齊，朱寧西，畢盛.單片機(jī)原理與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［4］馬潮.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐［M］.2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［5］莊嚴(yán).嵌入式Linux系統(tǒng)工程實(shí)訓(xùn)教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2012.