基于S3C2440和RFID技術(shù)的智能監(jiān)控系統(tǒng)

田 野 ， 張紅雨

（電子科技大學(xué) 電 子工程學(xué)院， 四川 成 都 6 11731）

視頻監(jiān)控是安防系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。它的應(yīng)用無(wú)處不在，無(wú)論是居民小區(qū)、校園，還是公司、企業(yè)，它能及時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)情況反映給監(jiān)控中心，有效的防止了犯罪的發(fā)生。但是，目前的監(jiān)控系統(tǒng)都有它的局限性。由于監(jiān)控中心監(jiān)控畫(huà)的顯示面的數(shù)量限制，不能夠同時(shí)顯示監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中所有的攝像頭所傳送的畫(huà)面。目前主要采用的措施是增加監(jiān)控中心的監(jiān)視器，要么定時(shí)輪流切換畫(huà)面。這些方案不夠智能且增加了運(yùn)營(yíng)成本。文中提出一種基于S3C2440的智能監(jiān)控系統(tǒng)，以MSP430F2121、nRF24L01等為硬件基礎(chǔ)，結(jié)合射頻識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)房間內(nèi)物品的實(shí)時(shí)智能監(jiān)控即房間內(nèi)有物品被移出時(shí)，將房間的圖像信息在監(jiān)控端實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。

射頻識(shí)別技術(shù)[1]是利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合實(shí)現(xiàn)信息的傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別的目的的技術(shù)。本文采用的射頻通信模塊 nRF24L01[2]能工作于2.45 G，讀寫(xiě)距離遠(yuǎn)，識(shí)別精度高，完全滿足實(shí)際要求。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

本文主要模擬實(shí)際監(jiān)控環(huán)境，設(shè)計(jì)出一套硬件系統(tǒng)和與之相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，對(duì)房間內(nèi)的各種物件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，具體思想：給監(jiān)控房間內(nèi)每一件重要物品都貼上一張2.45 G射頻標(biāo)簽，標(biāo)簽每隔一定時(shí)間發(fā)送自己的信息（標(biāo)簽號(hào)）給房間內(nèi)的2.45 G讀卡器（主控模塊），以證明所代表的物品還在房間。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，讀卡器沒(méi)有讀到某張標(biāo)簽，證明相應(yīng)的物品已經(jīng)不在監(jiān)控區(qū)域，監(jiān)控模塊立即打開(kāi)房間內(nèi)的攝像頭，采集現(xiàn)場(chǎng)視頻數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示屏上。系統(tǒng)整體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the smart monitoring system

2 智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)

2.1 2.45G電子標(biāo)簽

電子標(biāo)簽是本系統(tǒng)的重要組成部分。采用3.7 V鋰電池供電，所以要求功耗盡可能低。MSP430F2121[3]是TI公司的一款典型低功耗混合信號(hào)處理芯片，它有一種正常工作模式（AM）， 和五種 低功耗 模 式 （LPM0、LPM1、LPM2、LPM3 和LMP4）。MSP430系列單片機(jī)各個(gè)模塊相互獨(dú)立。系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，讓CPU睡眠，而其它模塊（如定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換和看門(mén)狗等）正常運(yùn)行。需要CPU時(shí)，可以利用中斷將其喚醒，進(jìn)入正常工作模式。喚醒時(shí)間約為1 μs。本設(shè)計(jì)采用MSP430F2121作為電子標(biāo)簽主控芯片，完全滿足低功耗要求。

目前，2.45G電子標(biāo)簽的射頻通信部分有如下解決方案：WIFI、Bluetooth、Nordic 公 司 的 nRF24l01 和 Cypress公 司 的wireless USB。本設(shè)計(jì)綜合考慮電路性能、功耗、成本、系統(tǒng)復(fù)雜性等各方面因素，選擇了Nordic公司的nRF24L01芯片作為射頻收發(fā)解決方案[4]。nRF24L01是一款工作于2.4 G頻段的無(wú)線通信芯片，采用GFSK調(diào)制，支持跳頻，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和1對(duì)6的無(wú)線通信。在其內(nèi)部，集成了Enhanced Short Burst協(xié)議，所以nRF24L01能夠自動(dòng)處理幀頭和CRC校驗(yàn)碼。并且其發(fā)射功率可以自動(dòng)調(diào)節(jié)。

標(biāo)簽主控芯片MSP430F2121與nRF24L01通過(guò)SPI總線進(jìn)行通信，SPI有 SCLK、MOSI、MISO 3 根線，加上使能 CE、片選CS和IRQ信號(hào)線，總共6根線。在本設(shè)計(jì)中，標(biāo)簽的主要任務(wù)是每隔一段實(shí)際發(fā)送自己的信息給讀卡器，所以可以省略MISO和IRQ兩個(gè)線。結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 電子標(biāo)簽硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the electronic tag

2.2 主控制模塊

主控制模塊的主要功能是讀取周?chē)臉?biāo)簽信息，完成后，與內(nèi)存中的標(biāo)簽表進(jìn)行比較，如果某些標(biāo)簽沒(méi)有被讀到，證明與標(biāo)簽所綁定的物品不在所讀范圍內(nèi)，此時(shí)打開(kāi)攝像頭，在LCD上實(shí)時(shí)顯示房間內(nèi)的情況。

主控制模塊的主控芯片采用三星公司的S3C2440[5]。該SOC是ARM9核，主頻高達(dá)400 MHz，有獨(dú)立的指令cache和數(shù)據(jù)cache，有MMU控制器。并且集成了豐富的硬件資源，如PWM定時(shí)器、UART控制器、存儲(chǔ)器控制器、Nand Flash控制器、LCD控制器和攝像頭接口等等。完全滿足本設(shè)計(jì)對(duì)主控芯片的要求。

2.2.1 主控模塊的讀卡器部分

在電子標(biāo)簽設(shè)計(jì)時(shí)，標(biāo)簽一直發(fā)送模式。因此在主控制模塊端，配置nRF24L01處于接收模式，讓其一直讀取周?chē)鷺?biāo)簽的信息。 S3C2440有SPI控制器，所以配置nRF24L01比較方便，具體配置過(guò)程與電子標(biāo)簽nRF24L01配置過(guò)程類(lèi)似。需要注意的是相對(duì)于標(biāo)簽端，主控制段用到了MISO和IRQ信號(hào)信，MISO接收標(biāo)簽發(fā)來(lái)的信息，IRQ信號(hào)線與外部中斷0口相接。

圖3 主控模塊射頻部分硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of RF module

2.2.2 主控模塊的視頻采集及顯示部分

S3C2440集成有SDRAM控制器，方便外接SDRAM。本設(shè)計(jì)采用三星公司的K4S561632N作為系統(tǒng)的SDRAM。K4S561632N組織形式為 16M*16 bit，其線寬為 16位，經(jīng)兩塊K4S561632N并聯(lián)，得到32位的線寬，總?cè)萘繛?4MByte。之所以需要大內(nèi)存，是因?yàn)榻?jīng)過(guò)攝像頭采集來(lái)的數(shù)據(jù)，需要存儲(chǔ)于內(nèi)存中，以便于在LCD上顯示。查看數(shù)據(jù)手冊(cè)，K4S561632N有13根行地址線 （RA0-RA12）、9根列地址線（CA0-CA8）、2 根 BANK 選擇線（BA0-BA1）。 SDRAM 的行地址線和列地址線是分時(shí)復(fù)用的，先送行地址，然后送列地址，分別被鎖存于行地址鎖存器和列地址鎖存器中[6]。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，當(dāng)周?chē)h(huán)境中有物品被移出，主控制器讀不到某標(biāo)簽時(shí)，需要實(shí)時(shí)采集房間的圖像數(shù)據(jù)。S3C2440集成了攝像頭控制接口，有13根信號(hào)線：CAMDATA[7:0]（攝像頭輸入數(shù)據(jù)）、CAMPCLK（輸入像素時(shí)鐘）、CAMVSYNC（輸入幀同步時(shí)鐘）、CAMHRER（輸入水平同步時(shí)鐘）、CAMCLKOUT（提供給攝像頭的時(shí)鐘）和CAMRESET（攝像頭復(fù)位）。S3C2440攝像頭接口支持ITU-R BT601/656數(shù)據(jù)輸入，并且支持的2個(gè)通道的攝像頭DMA，Preview通道和Codec通道，Preview通道將數(shù)據(jù)存放于Preview DMA分配的內(nèi)存中，主要用于本地視頻顯示，本設(shè)計(jì)采用該通道。本系統(tǒng)中，攝像頭采用的是OmniVision公司的COMS攝像頭OV9650，它集成了SCCB總線接口，該總線包含兩根信號(hào)線，SIO_C時(shí)鐘線和SIO_D數(shù)據(jù)線。SCCB總線兼容IIC總線，所以，可以用S3C2440的IIC總線配置OV9650的寄存器，完成攝像頭的初始化。

S3C2440中集成了LCD控制器，支持單色灰色彩色LCD屏。對(duì)于LCD控制器的操作，需要注意3個(gè)時(shí)序信號(hào)，VSYNC（幀同步信號(hào)）、HSYNC（行同步信號(hào)）和 VCLK（像素同步信號(hào)）。LCD顯示另外一個(gè)要注意的地方是顯示緩沖區(qū)，可以在內(nèi)存中定義一個(gè)與屏幕尺寸大小相同的二維數(shù)組最為顯示緩沖區(qū)。本文使用的屏幕大小為320×240的LCD顯示屏，所以定義二維數(shù)組為L(zhǎng)CD_BUFFER[240][320]。然后，將設(shè)置好的二維數(shù)組地址賦于LCDSADDR1和LCDSADDR2寄存器，初始化后的LCD顯示屏就能夠顯示緩沖區(qū)所存的數(shù)據(jù)。LCD控制有一個(gè)專(zhuān)用的DMA控制器，使用該DMA通道，能夠不需CPU的干預(yù)下，將視頻數(shù)據(jù)從幀緩沖區(qū)中傳送到LCD驅(qū)動(dòng)。本設(shè)計(jì)顯示單元采用群創(chuàng)3.7英寸TFT LCD屏。

由OV9650采集的視頻數(shù)據(jù)通過(guò)DMA將數(shù)據(jù)存放到Preview DMA分配的內(nèi)存中，使這段內(nèi)存與LCD顯示緩存重合，就能夠?qū)崿F(xiàn)攝像頭采集到的數(shù)據(jù)在LCD上實(shí)時(shí)顯示。視頻信息采集及顯示模塊如圖4所示。

2.3 主控制模塊程序的下載與運(yùn)行

圖4 視頻監(jiān)控部分硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of monitoring module

本設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)系統(tǒng)為NAND FLASH，通過(guò)JTAG接口將程序下載到NAND FLASH，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，NAND FLASH中不能夠運(yùn)行程序，但是，S3C2440自動(dòng)將程序的前4K內(nèi)容從NAND FLASH搬移到處理器內(nèi)部的Stepping stone區(qū)域，這個(gè)區(qū)域成為Boot Internal SRAM，然后在其中運(yùn)行程序，前4K程序中的搬移函數(shù)將整個(gè)程序從NAND FLASH中復(fù)制到SDRAM中，并從SDRAM中運(yùn)行程序。至此整個(gè)系統(tǒng)正常啟動(dòng)。之所以采用NAND FLASH作為存儲(chǔ)系統(tǒng)，是因?yàn)橄鄬?duì)于NOR FLASH，NAND FLASH有存儲(chǔ)密度高，可擦寫(xiě)次數(shù)高，價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，所以，是一種常見(jiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。本設(shè)計(jì)采用NAND FLASH的型號(hào)是K9F2G08U0B，其容量為256M字節(jié)。通過(guò)S3C2440的NAND FLASH控制器可以很方便的控制NAND FLASH。

3 智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 電子標(biāo)簽上的軟件設(shè)計(jì)

MSP430F2121完成初始化：設(shè)置時(shí)鐘頻率、選擇工作模式、通過(guò)SPI總線配置nRF24L01。然而MSP430F2121不含SPI總線接口，就需要根據(jù)SPI協(xié)議用I/O口模擬SPI總線來(lái)配置nRF24L01[7]。

在本設(shè)計(jì)中，電子標(biāo)簽只要發(fā)送自己的信息，不要接收任何信息。通過(guò)SPI的MOSI接口，配置閱讀器地址寄存器TX_ADDR，自動(dòng)重發(fā)寄存器

SETUP_RETR，通信頻率寄存器RF_CH和發(fā)射參數(shù)配置寄存器RF_SETUP等。具體參數(shù)：通信頻率為2.45 G，不自動(dòng)重發(fā)，1MHz發(fā)送速率和0 dBm發(fā)射功率等參數(shù)。

MSP430F2121配置完nRF24L01后，用定時(shí)器定時(shí)1s，打開(kāi)定時(shí)器，并進(jìn)入低功耗模式LPM3。當(dāng)定時(shí)器時(shí)間到時(shí)，產(chǎn)生中斷，喚醒CPU，在中斷處理函數(shù)中，向TX FIFO里寫(xiě)數(shù)據(jù)（標(biāo)簽編號(hào)），CE=1，保持 10 μs以上，nRF24L01 由 Standby-I模式進(jìn)入Tx Mode，數(shù)據(jù)發(fā)完后，不檢測(cè)ACK，自動(dòng)回到Standby-I模式。中斷返回后，CPU再次休眠，定時(shí)器繼續(xù)計(jì)數(shù)如此往復(fù)。圖5為程序流程圖。

3.2 主控制模塊軟件設(shè)計(jì)

總控制模塊是本設(shè)計(jì)的核心，其軟件也是整個(gè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。S3C2440主頻頻率高，硬件資源十分豐富。這使得對(duì)于外接設(shè)備的初始化和控制變得比較容易。

首先，在S3C2440啟動(dòng)代碼中要設(shè)置工作頻率、建立好異常中斷向量表、初始化堆棧、初始化內(nèi)存、初始化應(yīng)用程序執(zhí)行環(huán)境。

然后跳轉(zhuǎn)的主應(yīng)用程序。在主應(yīng)用程序中，初始化攝像頭和LCD控制器，通話SPI控制器配置nRF24L01，設(shè)置接收端地址RX_ADDR，選擇通信頻率，無(wú)線速率等參數(shù)。切換工作模式，nRF24L01從Standby-I模式進(jìn)入RX Mode，在此模式下接收標(biāo)簽發(fā)來(lái)的信息。

圖5 電子標(biāo)簽軟件流程圖Fig.5 Flow chart of the electronic tag

接著建立一個(gè)標(biāo)簽是否存在的整型數(shù)組，如tag[n]，n為數(shù)組元素的個(gè)數(shù)，數(shù)組中每個(gè)元素的每位代表一個(gè)標(biāo)簽的存在狀況，0表示存在，1表示不存在。數(shù)組tag[0]有32位可以表示32個(gè)標(biāo)簽的存在狀況，本設(shè)計(jì)只有5個(gè)電子標(biāo)簽，所以用tag[0]的低5位表示標(biāo)簽的存在狀況，初始值各位全為1，即tag[0]=0x1f，當(dāng)收到標(biāo)簽發(fā)來(lái)的信息時(shí)，外部EINT0產(chǎn)生中斷，在中斷處理函數(shù)中，讀取標(biāo)簽發(fā)來(lái)的信息，跳出中斷處理函數(shù)，將tag[0]中相應(yīng)標(biāo)簽的表示位清零，如此循環(huán)。若定時(shí)器溢出并產(chǎn)生中斷（本設(shè)計(jì)定為5 s），判斷tag[0]是否等于0，若不等于0，表示有標(biāo)簽沒(méi)有讀到，此時(shí)可能標(biāo)簽所表示的物品已經(jīng)不在房間，主控制器打開(kāi)攝像頭，打開(kāi)LCD顯示器，將房間內(nèi)實(shí)時(shí)畫(huà)面顯示出來(lái)。管理人員清查現(xiàn)場(chǎng)，并手動(dòng)重啟系統(tǒng)。軟件流程圖如下：

圖6 主控模塊軟件流程圖Fig.6 Flow chart of the central control module

4 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)測(cè)試，標(biāo)簽發(fā)送功率設(shè)置在0 dBm時(shí)，在空曠場(chǎng)地里，主控制模塊的識(shí)別范圍在半徑15 m圓的范圍內(nèi)。在空曠的操場(chǎng)上，主控模塊周?chē)?5 m內(nèi)的圓形范圍內(nèi)隨機(jī)放置5件物品，每件物品上貼一個(gè)電子標(biāo)簽。當(dāng)拿上一件物品，走出識(shí)別距離時(shí)，主控模塊會(huì)在5 s內(nèi)打開(kāi)攝像頭，將現(xiàn)場(chǎng)畫(huà)面顯示在LCD上，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合預(yù)期。

[1]游占清，李蘇劍.無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)理論與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2]Nordic Semiconductor.nRF24L01 Datasheet[EB/OL].（2007-07）[2013-04-17].http://www.nordicsemi.com/eng/Products/2.4GHz-RF/nRF24L01/（language）/eng-GB

[3]Texas Instruments.MSP430F21x1 Datasheet[EB/OL]，（2011-08-02）[2013-04-17].http://www.ti.com/product/MSP430f 2121

[4]基于nRF24L01的射頻識(shí)別卡的軟件設(shè)計(jì)[D].南通：南通大學(xué)，2010.

[5]SAMSUNG Electronics.S3C2440 Datasheet[EB/OL]，（2004-7）[2013-4-17].http://www.waveshare.net/Datasheet_PDF/S3C2440-PDF.html

[6]周立功等.ARM嵌入式系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)實(shí)例（一）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[7]朱慧彥，林林.基于MCU和nRF24L01的無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子科技，2012（4）:81-83，91.

ZHU Hui-yan，LIN Lin.Design of wireless communication system based on MCU and nRF24L01[J].Electronic Science and Technology，2012（4）:81-83，91.