無線可視對講門禁系統(tǒng)中圖像通信的設計與實現

0 引言
    現階段中小城市居民樓單元入口大多數是敞開著的，這方便了居民的進出，也給居民的生活帶來了諸多的不便和不安定因素。例如：任何人都可隨意進入居民樓道內，在居民樓道內隨處都能看到貼于墻上或樓梯臺階上的各類紙質廣告，這既影響了樓道內的衛(wèi)生，也影響了樓道的美觀。可視對講門禁系統(tǒng)能夠實現住戶對訪客圖像的識別和雙向通話的功能，正好解決了居民生活的諸多不便，已經成為小區(qū)住宅中不可缺少的配套設施。目前的可視對講門禁系統(tǒng)大多是有線系統(tǒng)，雖然具有傳輸容量大，可靠性高等優(yōu)點，但是有線系統(tǒng)也有其不可避免的缺點，其靈活性差，安裝成本高，施工難度大和維修困難。無線可視對講門禁系統(tǒng)能夠隨意安放，即裝即用，省去了布線、鑿洞的麻煩，也不會影響裝修環(huán)境與室內美觀。人們在房間的任何位置都可以利用無線遙控自動開鎖，避免了必須到指定位置開啟的不便。因此，研究無線可視對講門禁系統(tǒng)取代有線可視對講門禁系統(tǒng)具有深遠的實踐意義和較高的學術價值，可以解決現實生活中的實際問題。
    目前，國外對無線可視對講門禁系統(tǒng)的研究正在蓬勃發(fā)展中，其中典型的代表有摩托羅拉設計的最新款GB3188。該機以出眾的整體設計與優(yōu)異的性能價格比為眾多商家，特別是給物業(yè)管理、酒店服務業(yè)、建筑業(yè)以及制造業(yè)等行業(yè)的用戶帶來了高效簡便的通行管理解決方案，但不足之處是該系統(tǒng)沒有涉及到圖像的傳輸。國內對無線可視對講門禁系統(tǒng)的研究主要朝著無線可視方向進軍。北京工業(yè)大學崔振碩士設計的無線可視對講門禁系統(tǒng)，能在同一信道中兼容傳輸模擬信號和數字信號，節(jié)省了一套無線收發(fā)設備，降低了成本。但是，圖像信號和聲音信號采用模擬信號傳輸，只有呼叫信號、開鎖信號、報警信號采用數字信號傳輸，導致音質和圖像質量不佳，而且有干擾信號。浙江工業(yè)大學孟利民教授設計的無線可視對講門禁系統(tǒng)，實現了聲音信號的數字傳輸，但是圖像信號還是采用模擬信號傳輸，因此圖像質量不佳。本文設計了一種樓宇無線可視對講電路，該電路以單片機為控制器核心，再連接外圍電路，通過無線數字傳輸電路來傳輸視頻信號，可以達到50～200 m的無線傳輸距離。該設計優(yōu)點是在單張拍攝的基礎上，獲得圖像的連續(xù)顯示，它真正意義上實現了圖像信號的無線數字傳輸。

1 整體設計方案
    系統(tǒng)結構主要由3部分組成：上位機系統(tǒng)、下位機系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。這三部分共同完成了主控制器與分控制器的信息交換，達到樓宇監(jiān)控的目的。主控制器和分控制器通過無線數字傳輸模塊SRWF進行數據和命令的傳輸。該通信模型屬于一對多的通信模式，其整體方框圖如圖1所示。

    主控制器的主控芯片為AT89C51，通過鍵盤獲得訪問的房間號碼，確認后，單片機會控制打開視頻采集芯片和緩沖芯片進行工作，并在設定的通信波特率的情況下，通過串口通信，由單片機把數據送給數字傳輸電路，數字傳輸電路再通過無線信道把數據發(fā)送出去。從控制器的主控芯片也使用AT89C51，通過數字傳輸電路接收主控器的控制信息和數據信息，對接收到的數據進行分類，若是主機發(fā)送過來的通信地址信號，從控制器會讀取振鈴音存儲電路里的數據，從而發(fā)出振鈴音。接下來開始接收視頻信號，并通過LCD顯示電路顯示出來，用戶可通過按鍵控制電路決定是否與主控器進行進一步通話。

2 硬件電路設計
2．1 主控制器的電路設計
    主控制器電路由單片機AT89C51、鍵盤掃描電路、驅動及數碼顯示電路、看門狗電路、無線數傳電路等幾部分組成。主控制器系統(tǒng)的硬件電路原理圖如圖2所示。

    其工作流程如下：先通過鍵盤掃描電路掃描用戶的按鍵信息，以便獲得從機的通信地址，并將按鍵信息通過4個LED顯示出來，以便用戶清楚獲知自己要訪問的從機地址。用戶可以通過鍵盤上的增值、減值、重輸，確認修改其輸入值。當用戶按下確認鍵的時候，主機存貯此時的從機地址，并開啟視頻芯片采樣視頻信號，同時把從機地址通過無線數字傳輸芯片SRWF發(fā)送出去。收到從機的應答信號和準備就緒信號后，主機在設定的波特率下開始發(fā)送數據。每發(fā)1幀數據就等待從機的應答信號，同時對每幀數據都發(fā)送校驗幀，以確保數據傳輸的準確無誤。[!--empirenews.page--]
2．1．1 鍵盤掃描電路
    鍵盤掃描部分采用4×4鍵盤，通過P1口設置掃描電平，先置P1口的低4位中某一位為零，然后讀取P1口高4位的電平。P1口的低一位置零即給列線置低，若在P1口的高4位監(jiān)測到某位為零，則通過行列的位置即可知道按鍵的部位，在按鍵過程中存在抖動問題，解決方法有硬件編碼鍵盤和軟件編碼方式，鑒于成本考慮和AT89C51的高性能考慮本設計采用軟件編碼方式實現掃描，鍵盤掃描電路如圖2所示。
2．1．2 LED顯示電路
    LED顯示電路采用動態(tài)顯示方式顯示，由74LS248 BCD譯碼芯片和74LS138譯碼器組成。采用74LS248的目的是為了節(jié)省I／O口資源，以便控制更多的外圍芯片。LED的段選數據由通過74LS248譯碼過來的段選碼決定，位選數據由74LS138譯碼產生。工作的時候首先把按鍵的值轉換為BCD碼，再送入P0口的第4位，但是對P0口時整體復制會破壞位選口的數據。此時需進行P0口數據的修正，通過或邏輯運算把位選數據也送入P0口的第4位和第5位，再把修正好的數據送給P0口，此時既有段選數據又有位選數據。要使顯示的數據不閃，則需要利用人眼的視覺暫留性，將每個數據顯示之間的時間延時控制在10 ms以內，這樣顯示的數字才不閃。LED顯示電路如圖2所示。
2．1．3 視頻獲取及數傳電路
    視頻獲取電路由CAMERA 0V 7620芯片和IDT7205組成，采用該組合方法是因為視頻獲取的數據量都比較大，但單片機的工作頻率比較低。如果直接搭配則二者不能正常接收。因此，增加緩沖芯片IDT7205，這樣通過單片機控制其工作來達到數據量和單片機的匹配，只有單片機允許接收時才使能IDT7205。如果單片機監(jiān)測到視頻芯片的VSYN上跳后，就會在P0．7口輸出1，從而開始控制IDT7205從視頻芯片獲取數據。SRWF模塊在使用之前要進行無線信道、接口類型、接口速率、接口參數等的設定，在設置完成后便可以進行數據傳輸，當模塊收到單片機發(fā)來的第1個數據后自動進行無線網絡連接及數據同步等工作，因此第1個數據將在5個字節(jié)時間延遲后從接收方串口輸出，如圖2所示。
2．2 分控制器的電路設計
    分控制器也采用AT89C51單片機作為微處理器，分控制器系統(tǒng)的外圍接口電路由晶振、LCD圖像顯示電路、按鍵開鎖電路、看門狗電路、通信接口電路、存儲器等組成。分控制器系統(tǒng)的硬件電路原理圖如圖3所示。

    它的工作過程是：初始化其接收波特率，并一直處于信息監(jiān)測狀態(tài)，當收到地址幀時，就與本身的地址相對比，若不同，則丟棄此幀數據繼續(xù)檢測。若相同，則讀取AT24C02芯片存儲的樂曲編碼，通過P2．1口來控制喇叭發(fā)出樂曲音，從而告訴用戶，有訪客請求進入樓宇。當用戶按下鍵盤上的接聽鍵時，單片機會把從無線數字傳輸模塊接收過來的數據送P0口進行液晶顯示。房主看到液晶上的圖像時，若認識訪客，則按鍵開鎖；若不認識訪客，則按掛機鍵，結束視頻通話。視頻顯示電路的主要工作芯片為TFT6448B。TFT6448B自帶數據鎖存器，不需要擴展鎖存芯片，在選中TFT6448B后，通過往TFT6448B的相應行、列、控制、數據寄存器中寫入數據，即可實現單片機AT89C51對TFT6448B的控制顯示。

3 軟件設計
    主機由AT89C51單片機充當，從機為AT89C51單片機。主機與從機的數據通信波特率定為9 600 B，每個從機都有惟一的地址號，用來區(qū)分各從機。單片機的數據通信由串口完成，定時器T1為波特發(fā)生器，數據傳送格式為1位起始位，8位數據位，1位停止位，1位可編程位(T-B8)。工作方式：將定時器T1設置為方式2，串口設置為工作方式3。
    該系統(tǒng)的通信協(xié)議是：所有從機的SM2位置1，處于接收地址幀狀態(tài)，主機發(fā)送一地址幀，其中第8位是地址，第9位是地址／數據的區(qū)分標志，該位置1表示該幀為地址幀。所有從機接收到地址幀后，都將接收的地址與本機的地址比較，對于地址相符的從機，使自己的SM2位置O，并把本機地址發(fā)回主機作為應答；對于地址不符的從機，仍保持SM2=1，對主機后發(fā)來的數據幀不予理睬。從機發(fā)送數據結束后，要發(fā)送一幀校驗和，并置第9位為1，作為從機數據傳送結束的標志。主機接收數據時，先判斷數據接收標志RB8。若RB8=1，表示數據傳送結束，并比較此幀校驗和，若正確，則回送正確信號00H，命令該從機復位；若出錯，則發(fā)送信號OFFH，命令該從機重發(fā)數據。若接收幀RB8=0，則將數據存到緩沖區(qū)，并準備接受下一幀信息。主機接收到從機的應答地址后，確認地址是否相符，如果地址不符，則發(fā)復位信號；如果地址相符，則清TB8=0，開始發(fā)送數據。從機收到復位命令后回到監(jiān)聽地址狀態(tài)，否則開始接受數據和命令。主控制器和從控制器的通信程序流程圖如圖4和圖5所示。[!--empirenews.page--]

4 系統(tǒng)仿真
    在Proteus的ISIS 7.1sp2軟件環(huán)境下畫出電路原理圖，接下來就是將設計的程序在Keil C51μVision2開發(fā)集成環(huán)境上編譯成機器語言，進入Proteus的ISIS，鼠標左鍵點擊菜單“Debug”，選中“use romote debuger monitor”，便可實現KeilC與Proteus的連接調試。首先在Proteus中雙擊單片機AT89C51，將KeilC下編程生成的．HEX文件導入到AT89C51中，可在Proteus中單擊全速仿真運行按鈕，進行現象查看，能清楚地觀察到芯片上每一個引腳的電平變化，紅色代表高電平，藍色代表低電平；如果現象不正確，則在KeilC中單步調試程序，并在Proteus觀察現象，哪一步不正確，則對該段的程序進行修改，調試直到仿真完全成功為止。
    依次按下掃描鍵盤上的3個按鈕，待3個按鈕全部輸入后，會在數碼管上顯示剛才所按的數據，按照按下的順序顯示數字，該數字表示要訪問的房間號碼，如504表示要訪問504房間的主人。該房間號碼會提供給單片機用來作為多機通信的地址，仿真結果如圖6所示。
    在Proteus里用LM4229代替設計中的TFT6448B芯片。仿真的目：用來獲得圖像顯示的編碼方式和液晶的單色位圖顯示功能。LM4229通過CDWRITE READ三個引腳的電平來確定是讀數據還是讀狀態(tài)，或者是寫數據還是寫命令。其數據引腳為8位，可以與單片機進行直接的數據交換，P2口為液晶顯示的控制端，仿真結果如圖7所示。

5 結語
    該可視對沖電路采用了以單片機AT89C51為核心，以SRWF-1，CAMERA OV 7620，IDT7205等為外圍芯片的設計。文中給出了硬件電路圖及主程序流程圖，闡述了軟硬件設計過程中對關鍵技術的處理。該電路完全可以滿足圖像信號的連續(xù)采集，無線傳輸圖像信號，顯示單色位圖，振鈴呼叫的樓宇無線可視對講電路的實用要求。本文的創(chuàng)新點在于把低速單片機應用于數據量大的圖像信號采集和圖像短距離無線傳輸上。在設計中，圖像信號的實時性處理將成為以后需要努力研究的方向。