面向智慧住區(qū)的遠程可視對講系統(tǒng)設(shè)計

田茂明 吳 芳 山東省新泰市建筑安裝工程有限公司，新泰 721000

智慧住區(qū)以智慧社區(qū)各類軟硬件設(shè)施為依托，以住區(qū)主體為服務(wù)對象，以住區(qū)智慧服務(wù)為主要內(nèi)容，滿足住區(qū)居民多方面生活需求，提升住區(qū)居民生活質(zhì)量?？梢晫χv系統(tǒng)是智慧住區(qū)必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，關(guān)系到住區(qū)最為重要的安全性問題，其智能化、信息化水平也與住區(qū)的便利性緊密相關(guān)。同時，可視對講系統(tǒng)已經(jīng)成為安防系統(tǒng)最為重要的一部分。為此，山東省綠色智慧住區(qū)評價指標體系也明確提出“單元門口設(shè)有門禁系統(tǒng)，支持與住區(qū)平臺聯(lián)動”的方向。

1 可視對講系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計和工作流程

遠程可視對講監(jiān)控系統(tǒng)主要包括傳統(tǒng)數(shù)字可視對講系統(tǒng)、遠程端服務(wù)器、嵌入式子系統(tǒng)，其中嵌入式子系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接模塊和命令轉(zhuǎn)接模塊，采用嵌入式技術(shù)開發(fā)。

該系統(tǒng)以一種低成本的方式對傳統(tǒng)已安裝的或正在安裝的非遠程數(shù)字式可視對講系統(tǒng)進行改造。兩模塊在可視對講系統(tǒng)內(nèi)通過不同的端口號分別接收和發(fā)送不同的數(shù)據(jù)，命令轉(zhuǎn)接模塊負責傳遞系統(tǒng)內(nèi)所有的命令數(shù)據(jù)，包括開鎖、應(yīng)答、監(jiān)視、結(jié)束通話等命令；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接模塊負責將視頻音頻信號轉(zhuǎn)發(fā)存儲到數(shù)據(jù)庫中，客戶端訪問這些數(shù)據(jù)即實現(xiàn)遠程可視對講。其架構(gòu)圖如圖1所示。

遠程可視對講系統(tǒng)運行主要分為兩個流程：數(shù)據(jù)推送和命令下達。當來訪者按下單元機相應(yīng)門牌號時，數(shù)據(jù)傳送至室內(nèi)機，室內(nèi)機響鈴。同時，將來訪者信息上報至服務(wù)器，服務(wù)器解析數(shù)據(jù)并存儲至數(shù)據(jù)庫。確認后客戶端與服務(wù)器建立通信，開始傳輸音視頻信號，客戶端通過調(diào)用庫函數(shù)進行視頻解碼播放，同時調(diào)用本地攝像頭API獲取本地視頻，經(jīng)壓縮后傳送至服務(wù)器。當客戶確認來訪者身份后，客戶端發(fā)送開鎖命令至直服務(wù)器，從而下達至可視對講局域網(wǎng)，單元機確認信息后，開鎖。其命令下達流程圖如圖2所示。

圖1 遠程可視對講系統(tǒng)框架圖

2 嵌入式子系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

嵌入式子系統(tǒng)的命令轉(zhuǎn)接模塊和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接模塊均采用相同的硬件設(shè)計，包括一個處理器和兩個網(wǎng)絡(luò)模塊。處理器采用STM32F103xx芯片，外設(shè)通過總線相互連接；網(wǎng)絡(luò)模塊一個與可視對講系統(tǒng)相連接，一個與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行數(shù)據(jù)交互，轉(zhuǎn)接模塊的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1 控制器模塊

圖2 命令下達流程圖

圖3 轉(zhuǎn)接模塊硬件結(jié)構(gòu)

嵌入式子系統(tǒng)的內(nèi)核采用ARM最新的Cortex-M3內(nèi)核。優(yōu)先級搶占的中斷控制器，支持中斷自動嵌套，硬件完成現(xiàn)場保護與恢復，中斷嵌套時，只需保護和恢復一次現(xiàn)場，即使在恢復現(xiàn)場的時候再次中斷也不需要再次保護現(xiàn)場，只需6個clk的調(diào)整時間。具有5個USART串口，USART速度高達4.5Mbps，不僅支持IrDA，還與接觸式的IC卡協(xié)議兼容，其可靠性和穩(wěn)定性也可以滿足可視對講系統(tǒng)的功能要求。嵌入式子系統(tǒng)兩個串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊和無線透傳模塊分別接到單片機的USART1、USART2、USART3上。USART1口網(wǎng)絡(luò)模塊連接到可視對講系統(tǒng)，USART2口網(wǎng)絡(luò)模塊連接到互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，USART3口無線透傳模塊與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)相連。

2.2 通用串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊

串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊采用HS-ENG092B網(wǎng)絡(luò)模塊，該模塊具有穩(wěn)定性高，通訊速度快等特點，數(shù)據(jù)傳輸支持UDP組播模式，符合轉(zhuǎn)接模塊的要求，應(yīng)用此模塊，可大量減少工作量。由于數(shù)據(jù)以組播方式傳輸，命令模塊可視對講端的串口以太網(wǎng)模塊對于本地IP地址沒有特殊要求，可自動獲取IP地址，其目的是IP設(shè)為組播地址。加入組播后，端口號設(shè)置為可視對講系統(tǒng)內(nèi)部端口號，即可接收整個可視對講內(nèi)所有的命令數(shù)據(jù)包，并且實現(xiàn)發(fā)送命令數(shù)據(jù)包。命令模塊的互聯(lián)網(wǎng)端的目的IP則設(shè)置為服務(wù)器IP，為保證通訊質(zhì)量，采用TCP模式傳輸數(shù)據(jù)。

2.3 無線透傳模塊

在可視對講系統(tǒng)中，采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可更加符合網(wǎng)絡(luò)簡潔性、靈活性、模塊化、擴展性及獨立性的通信特點，因此，特安裝無線模塊，這樣子系統(tǒng)不僅可以和互聯(lián)網(wǎng)直接通信，在接線不方便情況下，可以與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點等智能家居設(shè)備直接進行通信，通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)控制可視對講系統(tǒng)。可視對講系統(tǒng)由于其工作環(huán)境的復雜性，射頻通信芯片選用傳送能力較強的CC1101控制芯片。

3 嵌入式子系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 轉(zhuǎn)接服務(wù)主程序設(shè)計

硬件搭建完成后，嵌入式子系統(tǒng)首先進行初始化，其主要內(nèi)容是串口初始化、時鐘初始化等。當串口接到數(shù)據(jù)時，則判斷數(shù)據(jù)格式，判斷為真則進入中斷。

3.2 中斷程序設(shè)計

嵌入式子系統(tǒng)特別是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接模塊通信數(shù)據(jù)量巨大，因此對于中斷程序做了較高的要求，進入中斷判斷數(shù)據(jù)位較少則可能同一個數(shù)據(jù)包多次進入中斷，判斷數(shù)據(jù)較多則影響單片機處理效率。經(jīng)過測試，兩級判斷計入中斷的方式不僅能滿足上述要求，還極大地提高了處理器的運行效率，以高效的方式過濾掉非法數(shù)據(jù)包。第一級中斷判斷數(shù)據(jù)包前三位是否為數(shù)據(jù)包包頭前三位，再進入二級判斷整個數(shù)據(jù)包合法，最后標志位置一，處理數(shù)據(jù)。

3.3 串口程序設(shè)計

數(shù)據(jù)模塊和命令模塊流程相似，所以本文只論述命令模塊的設(shè)計。其功能為將USART1接收到的數(shù)據(jù)，按照可視對講數(shù)據(jù)包格式提取發(fā)送方地址、發(fā)送方IP地址、接收方地址、接收方IP地址等信息，再將這些信息以一定格式將數(shù)據(jù)向USART2和USART3發(fā)送。同樣地也將USART2接收到互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送的可視對講內(nèi)部數(shù)據(jù)和USART3接收到的無線信號數(shù)據(jù)提取出來，并按照可視對講數(shù)據(jù)包的格式向USART1中發(fā)送。

3.4 通訊協(xié)議

命令轉(zhuǎn)接模塊上行協(xié)議格式表