以太網(wǎng)的智能樓字門口機設(shè)計

摘要：分析了智能樓宇技術(shù)面向全數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化、無線化和智能化的發(fā)展趨勢。在以太網(wǎng)技術(shù)和智能樓寧控制技術(shù)基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于以太網(wǎng)的智能樓宇門口機。最后，對門口機進行了系統(tǒng)測試與驗證，測試結(jié)果穩(wěn)定，運行正常，基本達到設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)；智能樓宇；門口機

引言
    可視對講系統(tǒng)已經(jīng)成為多功能、高效率的現(xiàn)代化住宅的重要保障，對智能樓宇或智能小區(qū)的建設(shè)有極其重要的作用。開發(fā)智能樓字門口機系統(tǒng)將滿足廣大用戶的需求，將智能生活提高到一個新的臺階。

1 可視對講系統(tǒng)的總體架構(gòu)
    小區(qū)可視對講系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)主要由3部分組成：樓區(qū)可視對講系統(tǒng)、骨干網(wǎng)絡(luò)和中心管理機。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 智能樓宇門口機的系統(tǒng)設(shè)計
    在可視對講系統(tǒng)當中，以太網(wǎng)門口機的主要功能包括可視對講、多方式開鎖、語音提示，更改振鈴聲音、更改語音提供，支持中文／英文語言菜單，支持自行設(shè)置菜單語言選項，支持本地在線搜索網(wǎng)內(nèi)和室內(nèi)終端。多方式開鎖主要包括遠程開鎖、密碼開鎖、IC卡開鎖和出門按鈕開鎖。門口機的功能框圖如圖2所示。

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2．1 門口機的硬件設(shè)計
    門口機的硬件主要由兩部分組成，分別是GM8120處理模塊和ATmega64控制模塊。門口機的設(shè)計采用的是雙核處理結(jié)構(gòu)，每個核都有其負責(zé)的功能。CPU采用的是臺灣智原公司的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處理模塊帶有實時多任務(wù)的Linux操作系統(tǒng)，其主要負責(zé)音視頻信號的處理以及網(wǎng)絡(luò)信號的處理，同時擴展了比較大的存儲容量，可以存儲比較多的有用數(shù)據(jù)。
    ATmega64是Atmel公司生產(chǎn)的一款低功耗的8位單片機，在讀取一條指令的時候?qū)ο乱粭l將要執(zhí)行的指令進行讀取，加快了程序運行速度。ATmega64控制模塊主要負責(zé)控制和顯示部分，具體分為門禁控制部分、開鎂部分以及LCD顯示部分。同時，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。

2．1．1 門口機核心板的設(shè)計
    門口機的GM8120核心板的設(shè)計與實現(xiàn)是整個硬件系統(tǒng)的核心，是整個系統(tǒng)的控制中心，其他模塊的一些數(shù)據(jù)都需要傳給GM8120處理模塊做進一步處理。同時，GM8120處理過后的數(shù)據(jù)也需要傳給其他模塊去執(zhí)行，所以，GM8120核心板是門口機的大腦。GM8120核心板包含了處理器GM8120、存儲器，時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。

2．1．2 視頻解碼電路設(shè)計
    GM8120處理模塊有數(shù)字視頻輸入接口，對于輸出是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)計采用的是Philips公司生產(chǎn)的SAA7113視頻解碼芯片，對視頻信號進行解碼，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解碼成標準的“VPO”數(shù)字信號，相當于一種模／數(shù)轉(zhuǎn)換器。SAA7113兼容全球大多數(shù)標準，在使用的時候必須對其進行初始化，也是按我國的視頻標準對寄存器進行配置，對SAA7113初始化是通過I2C總線進行的。
    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，通過SAA7113之后，轉(zhuǎn)換成為標準的數(shù)字信號，直接與GM81 20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。

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    從攝像頭輸出的模擬視頻信號經(jīng)過電容耦合與濾波之后，輸入到SAA7113的Vin11腳，其他3路視頻輸入接口沒有用到，同時SAA7113還外接了一個24．576 MHz的有源晶振為其提供時鐘頻率，模擬部分與數(shù)字部分分別采用3．3 V電壓進行供電，通過I2C總線對SAA7113進行寄存器的配置，地址為4AH和4BH。解碼后的輸出是從引腳IPD0～IPD7輸出的，其輸出的是8位標準ITU656信號，直接與GM8120相連。
2．1．3 開鎖模塊電路的設(shè)計
    開鎖模塊是門蔡的核心，在本系統(tǒng)中，開鎖的方式很多，比如遠程開鎖、密碼開鎖、IC卡開鎖以及出門開關(guān)開鎖。所有的開鎖方式都是通過控制開鎖模塊來實現(xiàn)的，開鎖模塊的電路原理如圖6所示。

    開鎖模塊的核心是一個電磁繼電器和一個三極管。電磁繼電器型號為OMRON G6H-2，該繼電器有8個引腳，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。3、4引腳和8、7引腳連接表示常開，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)引出一個端口COM，引腳4和7并聯(lián)引出一個端口NO，引腳2和9并聯(lián)引出一個端口NC；三極管型號為S8050，由單片機的一個I／O口對三極管進行控制，其原理如下：當DOOR_RELAY為高電平時，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，使繼電器開關(guān)打到NO端；當DOOR_RELAY為低電平時，S8050截止，繼電器不工作，繼電器開關(guān)打到NC端。
    繼電器引出來的兩個端COM、NC跟電鎖相應(yīng)引腳相連，電鎖采用的是兩線電磁鎮(zhèn)H9200，電鎖電源接到NC端，電鎖正級接COM端，電鎖負級接地，繼電器引出來的NO端接地。當S8050處于截止狀態(tài)的時候，繼電器不工作，兩線電磁鎖處于工作狀態(tài)，門鎖上；當S8050導(dǎo)通，繼電器工作，電鎖不工作，門打開。這就是開鎖模塊的控制過程。
2．2 門口機的軟件設(shè)計
    以太網(wǎng)門口機的軟件設(shè)計主要包括4個部分：LCD顯示驅(qū)動的設(shè)計、ATmega64串口驅(qū)動的設(shè)計、GM8120串口驅(qū)動的設(shè)計和鍵盤掃描驅(qū)動的設(shè)計。結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

2．2．1 LOD顯示驅(qū)動的設(shè)計
    LCD驅(qū)動設(shè)計主要包含以下幾個部分，分別是LCD初始化，LCD清屏，LCD列，行以及頁的定位，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打開等等。
2．2．2 ATmega64的串口驅(qū)動設(shè)計
    ATmega64的UART結(jié)構(gòu)可以分為3部分，分別是時鐘生成器、收控制器和發(fā)控制器。控制寄存器是被各個單元共享的。時鐘生成器包含外部時鐘同步邏輯和波特率發(fā)生器；收控制器包含奇偶校驗器、控制邏輯、移位寄存器和UDR緩存器。發(fā)控制器包含一個寫緩存、一系列移位寄存器、奇偶校驗生成器和控制邏輯。[!--empirenews.page--]
    在本系統(tǒng)中，通過UART0與GM8120進行數(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)動設(shè)計
    GM8120有4個串口，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，首先要打開串口的接收文件句柄，然后設(shè)置波特率，接著對串口參數(shù)進行設(shè)置，打開串口，開辟一個串口接收線程，進行數(shù)據(jù)的接收。對接收到的數(shù)據(jù)進行存儲。主要程序函數(shù)如下：
    
2．2．4 鍵盤的掃描驅(qū)動設(shè)計
    本系統(tǒng)是4×3矩陣鍵盤，其用到了ATmega64的PF1-PF6 I／O接口，采用的是逐行(列)掃描法。首先判斷有無鍵按下，將全部行線置低電平。然后，檢測列線的電平狀態(tài)，如果有列線為低電平，則證明有鍵按下；如果列線沒有低電平，則說明沒有鍵按下。如果有鍵按下，則判斷鍵盤的哪一個鍵按下了，方法是依次置行為低電平其他線為高電平。確定置為低電平的行，然后檢測列線狀態(tài)，如果某列為低電平，則讀取出PF口的值，可以判斷出是哪個鍵按下。PF口對應(yīng)的值以及鍵盤代表的鍵值如表1所列。

3 系統(tǒng)測試與驗證
    針對門口機，對其完成了高低溫測試。測試地點是在重慶郵電大學(xué)自動化學(xué)院工程實訓(xùn)中心，測試平臺為重慶漢巴試驗設(shè)備有限公司(HANBA)生產(chǎn)的高低溫濕熱試驗箱，型號為HUT703P。該儀器是參照GB10586—89濕熱試驗箱相應(yīng)技術(shù)生產(chǎn)的。
    在高低溫測試中，分高沮和低溫兩個流程來完成：
    ①低溫測試。測試溫度范圍：-20～0℃，采用定值運行模式，測試時間為45 min；
    ②高溫測試。溫度范圍：0～60℃，同樣采用定值運行模式，測試時間為45 min。在持續(xù)的低溫與高溫環(huán)境下，對門口機進行了上電運行，門口機運行正常，測試通過。
    驗證平臺的搭建分兩種模式來完成：一種是以智能樓宇梯口機為中心，搭建驗證平臺；另外一種是把智能樓宇門口機加入智能樓宇系統(tǒng)中對其進行驗證。
    第一種方式需要EPA交換機、智能樓宇門口機、電磁鎖、出門按鈕、有效IC卡以及一些測試工具。連接圖如圖8所示。

    第二種方式是把智能樓宇門口機放到智能樓宇系統(tǒng)中進行驗證，所需設(shè)備為智能樓宇門口機、EPA交換機、電磁鎮(zhèn)、出門按鈕、IC卡、2臺室內(nèi)機、中心管理機以及一些測試工具。連接圖如圖9所示。

結(jié)語
    智能樓宇門口機是智能樓宇控制系統(tǒng)的重要組成部分，是可視對講系統(tǒng)的核心。其采用以太網(wǎng)技術(shù)進行信號的傳輸，具有功耗低、速度快、成本低、功能強大、資源豐富等特點。同時，其組網(wǎng)非常方便，具有很強的使用價值。本設(shè)計講述了智能樓宇門口機的總體硬件設(shè)計和軟件設(shè)計方案，總體介紹了智能樓宇門口機的功能和在可視對講系統(tǒng)中的應(yīng)用。本設(shè)計已經(jīng)在重慶郵電大學(xué)自動化學(xué)院智能家居實驗室得到了很好的應(yīng)用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。