大型綜合性實驗設計——小區智能監護服務系統

武俊鵬　劉書勇

摘要：本文通過設計一個綜合性較強的實驗項目，很好地培養學生的創新能力和綜合運用知識和技術的能力。該項目致力于設計新一代小區監護服務系統，它將無線網絡技術，視頻監控技術，家居智能安全技術結合起來。

關鍵詞：綜合性實驗；視頻監控；家居安全；無線遙控巡邏車；車輛防盜；Windows XP Embedded

中圖分類號：G642

文獻標識碼：B

1背景

隨著我國住宅建設的發展，智能化小區建設也得到了飛速發展，傳統的模擬及數字監控系統已不能適應新型智能化小區的要求。以現代網絡技術、電子技術、計算機技術、軟件技術以及信息技術為代表的高新技術的應用, 使得小區的智能化監控成了現代化小區的標志。

近年來，嵌入式技術的不斷發展，使基于嵌入式系統平臺的開發設計占據了越來越重要的地位。為培養具有適應社會發展需要的硬件“嵌入式技術”人才，哈爾濱工程大學計算機實驗教學中心成立計算機技術創新實驗室。教師們圍繞著嵌入式方向，設計了若干項目，供學生選擇實踐，其中有幾個小區智能化服務方面的項目，完成情況較好，學生得到了鍛煉，實用性也很好。為參加2006年教育部和信息產業部主辦的“全國大學生電子設計競賽—嵌入式系統專題邀請賽（英特爾杯）”，把現有的幾個項目綜合在一起，再進行進一步開發，形成一個綜合性項目參賽，即“綜合性實驗設計——小區智能監護服務系統”，獲得了三等獎。

本系統采用“研揚GENE-8310工控板”作為中央監控平臺核心，利用無線網絡技術，視頻監控技術，家居智能安全技術，結合Windows XP Embedded操作系統,實現了小區的無線視頻監控、遙控巡邏，遠程實時看護，車輛定位防盜報警以及家居安全監控功能。

2系統設計

2.1系統設計指標

(1) 實時監控三路視頻，可根據需要擴充為多路視頻監控；

(2) 視頻監控最大延遲不超過10s；

(3) 車輛防盜報警裝置誤報率95%±3%；

(4) 視頻監控數據單路大小120MB/h±20MB/h；

(5) 中央監控系統能在采用電池供電時持續工作2小時以上；

(6) 無線遙控巡邏車能在電池的驅動下持續工作兩小時以上，并能在中央監控平臺的控制下進行前進、后退，左轉、右轉、停止動作；

(7) 住戶居家信息終端能與中央監控平臺相互通信并正確顯示數據；

(8) 中央監控平臺能與遠程監控裝置相互通信并正確顯示數據；

(9) 中央監控平臺能與無線遙控巡邏車相互通信并完成相關功能。

2.2系統功能

(1) 小區信息發布。該功能由住戶居家信息終端和中央監控平臺共同完成，小區物業管理部門在中央監控平臺以短信群發或針對單一用戶的方式向各住戶居家信息終端發送小區信息廣播，住戶居家信息終端成功接收后存儲等待用戶查看。

(2) 住宅火警、煤氣泄露報警。該功能由住戶居家信息終端和中央監控平臺共同完成，當用戶住宅內的溫度、煤氣濃度等出現異常，住戶居家信息終端以短消息的形式將數據發送至中央監控平臺，由中央監控平臺對數據進行解碼并在屏幕上顯示以向小區管理人員發出警告。

(3) 無人巡邏。此功能由自移動巡邏車和中央監控平臺共同完成，小區管理人員在管理中心通過中央監控平臺向自移動巡邏車發送指令，由自移動巡邏車按照指令要求進行巡邏，同時可以根據小區實際地形編制程序進行自主巡邏。在巡邏過程中，由車載數傳電臺將所采集的視頻信號發送至中央監控平臺并在屏幕上實時顯示出來。此功能可以減輕小區保安的巡邏負擔，在一定程度上節約了人力資源成本。

(4) 視頻監控。此功能由視頻采集攝像機和中央監控平臺以及流媒體服務器共同完成，視頻采集攝像機采集的視頻數據通過流媒體服務器進行處理后在中央監控平臺上顯示出來，監控圖像可根據需要在多路視頻源中實時選擇、切換。同時，視頻監控也可針對小區中有特殊監控需要的部分住戶，在為其加裝了視頻采集終端并連入流媒體服務器網絡后，用戶既可在獲得授權的前提下訪問指定IP對其指定地點進行視頻監控，也可為流媒體服務器開發Web站點。

(5) 特殊人群定位。此功能由遠程監控裝置和中央監控平臺共同完成，主要針對小區中的特殊群體(如小孩和有一定記憶障礙的老人等)的監護需求而設計，攜帶遠程實時監護裝置的用戶，其所處位置的GPS坐標數據將會通過GSM網絡傳回中央監控平臺，中央監控平臺主控程序對數據進行坐標變換后，在中央監控平臺的電子地圖上以光標的形式將坐標對應的地點在地圖上的位置顯示出來，以方便用戶的查找與追蹤。此功能也可作為小區物業管理部門的一項特殊業務，由專門工作人員為提出監護需求的小區住戶提供監護服務。

(6) 車輛防盜報警。此功能由中央監控平臺和車輛防盜報警裝置共同完成，主要針對車輛防盜進行設計。在車輛上安裝車輛定位防盜報警裝置后，當有人未經許可非法啟動車輛并行駛超過一定距離后，車輛定位防盜報警裝置會通過GSM網絡以短消息的形式將警告發送到用戶的手機上，同時在中央監控平臺的電子地圖上定位該車輛位置并進行跟蹤。同時，此裝置可根據實際使用需要擴展功能，如擴展為采用GPRS網絡進行實時追蹤，可做為銀行系統的運鈔車實時追蹤的解決方案。

2.3系統方案

根據系統設計指標和功能，本系統提出了如下設計方案：

中央監控平臺由GENE-8310和Windows XP Embedded操作系統構成，同時，針對所需功能開發對應的軟件在中央監控平臺上運行，軟件通過預先定義的協議通過通信網絡與各個終端進行通信。系統分為以下五個部分：

(1)中央監控平臺；(2)遠程監控裝置；(3)車輛定位防盜報警裝置；(4)住戶居家信息終端；(5)無線遙控巡邏車

其中中央監控平臺和遠程監控裝置、車輛防盜報警裝置以及住戶居家信息終端進行通信時，由于其數據量小，且不需要保持數據傳輸鏈路，采用TC35i通過GSM網絡以短消息的形式進行數據傳輸。而中央監控平臺在與自移動巡邏車進行通信時，有較大的數據流量而且需要保持數據傳輸鏈路，采用數傳電臺的方式實現。數傳電臺在使用中具有傳輸帶寬高，傳輸距離可調的特點。方案總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖

2.3.1視頻監控方案

視頻監控系統沒有采用常用的工業用監控卡進行視頻采集，而是采用Viewcast公司OsPrey 200流媒體卡實現，主要是由于工業用監控卡一般開發時間長，需要有專門的軟件進行配套，不易將其集成到應用軟件中，而且，其開發成本相對較高，同系統預期目標中提出的提供一種低成本的小區智能化系統建設方案不一致。我們在對比了多種流媒體卡后，選擇了Viewcast公司的OsPrey流媒體卡，該卡的特點是圖像采集時對CPU的占用率非常低，使流媒體服務器有更多的系統資源可以用來進行流媒體的編碼和發布，而且其支持一機多卡不但為視頻監控擴展監控終端提供了可能，也使得視頻監控的擴展成本低廉、易于實現。

基于Windows Media Services進行流媒體的采集、編碼和發布。流媒體編碼器對所采集數據加時間戳后存儲，可使用戶查詢指定時間指定位置的監控數據。監控數據主要通過無線網絡傳輸，也有部分視頻數據通過數傳電臺傳輸。

監控網絡分為兩部分，小區監控局域網和外圍監控廣域網。小區監控局域網主要針對小區監控設備架構專用網，保證不占用視頻數據的傳輸帶寬。外圍監控廣域網主要針對小區中需對自己家庭進行監控的特殊用戶提供授權監控功能，該類型用戶可在小區為其加裝視頻采集終端和分配用戶監控權限后監控授權監控地點。

由于視頻信號采集占用了較多的系統資源，GENE-8310不提供監控板擴展所需的多個PCI總線插槽，因此未將其集成到中央監控平臺，而是單獨由一臺流媒體服務器來完成，服務器的主要功能是將通過各無線/有線監控攝像機采集到的視頻信號進行編碼、壓縮后，通過802.11g無線網絡傳送給中央監控平臺，同時對所收集到的視頻信號進行存儲。

2.3.2通信實現方案

為了保證中央監控平臺能識別各終端發送的數據，系統通過約定的格式定義了中央監控系統同各終端之間的通信方式，根據需要的功能定義了如下6種通信協議：

(1) 天氣預報廣播(中央監控系統→住戶居家信息終端)

01 00 2008 06 20 00 01 27 00 XXXXXX

01 - 功能1(不需要更改)

00 - 分隔符(不需要更改)

2008 - 年

06 - 月

20 - 日

00 - 天氣：00晴 01陰 02雨 03雪 對應家庭終端上的天氣符號

01 - 溫度的符號 00正 01負

27 - 溫度的絕對值

00 - 分隔符

XXXXXX - 提示信息

(2) 信息廣播(中央監控系統->住戶居家信息終端)

02 00 XXXX XXXX XXXX ... XXXX 0000 YYYY YYYY ...

02 - 功能2(不需要更改)

00 - 分隔符(不需要更改)

XXXX XXXX XXXX ... XXXX - 標題，4位一個漢字

0000 - 分隔符

YYYY YYYY ...→- 正文

(3) 報警(住戶居家信息終端->中央監控系統)

03 00 01

03 - 功能3(不需要更改)

00 - 分隔符(不需要更改)

01 - 報警信息01火警02煤氣03緊急呼叫

(4) 請求GPS位置信息(中央監控系統->遠程實時監護裝置、車輛定位防盜報警裝置)

04

04 - 功能4(不需要更改)

(5) 返回坐標(遠程實時監護裝置、車輛防盜報警裝置→中央監控系統)

05 00 XXXXXXXXXXXXXXXXYYYYYYYYYYYY YYYYYY

05 - 功能5(不需要更改)

00 - 分隔符(不需要更改)

XX(16位) - 經度

YY(18位) - 緯度

(6) 車輛被盜報警(遠程實時監護裝置、車輛防盜報警裝置→中央監控系統)

06 00 XXXXXXXXXXXXXXXXYYYYYYYYYYYY YYYYYY

06 - 功能6(不需要更改)

00 - 分隔符(不需要更改)

XX(16位) - 經度

YY(18位) - 緯度

2.3.3遠程監控裝置方案

此裝置主要由TC35i模塊以及GPS模塊組成，兩者通過高速儀表用繼電器與MCU STC 89LE516AD進行通信。系統程序中對接收到的GPS坐標數據進行解碼并編碼成協議約定的數據格式發送到中央監控平臺。中央監控平臺根據約定的協議對數據進行解碼，并將坐標在電子地圖對應的位置顯示出來。

2.3.4車輛定位防盜報警裝置方案

此裝置與遠程監控裝置相同，主要由TC35i模塊以及GPS模塊組成，兩者通過高速儀表用繼電器與MCU STC 89LE516AD進行通信。系統根據功能需要，在滿足報警條件時被觸發，TC35i通過GSM網絡中將STC 89LE516AD按照協議解析過的數據發送到中央監控平臺。同時，中央監控平臺根據約定的協議進行解碼，并將數據中的GPS坐標信息在中央監控平臺的電子地圖對應的位置上顯示出來。

2.3.5住戶居家信息終端方案

采用TC35i GSM模塊和中央監控平臺進行數據通信，DS1820B作為溫度采集傳感器，STC 89LE516AD做為微控制器，顯示部分使用采用了RA8820控制器的240x128 LCD，同時在此終端的設計中預留了串行接口，可以根據電表、水表的特點來編制程序實現無線抄表功能，也可為信息家電功能的實現提供數據處理和傳輸的平臺。

2.3.6無線遙控巡邏車方案

自移動巡邏車采用履帶行走，選用2個6V/50W直流減速電機，可以適應一般地形的移動需要。通過一塊系統板接收由數傳電臺得到的指令，控制電機和云臺的轉動。

電機在減速箱的配合下可以提供足夠的扭矩，使車身通過左右驅動輪的不同扭矩，完成前進、后退、原地左轉和原地右轉等動作。云臺部分的結構通過限位開關的控制，允許攝像機在水平方向上轉動350度，可以從各不同方向接受視頻信息。

3系統實現

3.1硬件實現

3.1.1中央監控平臺硬件實現

(1) 電源及在線充電器的實現

GENE-8310與液晶屏和其它配件組成系統后功耗較大，電源的設計對我們提出了巨大的挑戰，考慮到系統的穩定性、功耗以及便攜性等多方面要求，系統中采用了鋰離子電池組作為后備電源。

鋰離子電池是目前應用最為廣泛的電池，它根據不同的電子產品的要求可以做成扁平長方形、圓柱形、長方形及扣式，鋰離子電池的額定電壓為3.6V(有的產品為3.7V)。充滿電時的終止充電電壓與電池陽極材料有關：石墨陽極材料為4.2V；焦炭陽極材料為4.1V。不同陽極材料的內阻也不同，焦炭陽極的內阻略大，各種陽極材料其放電曲線也略有差別。鋰離子電池的終止放電電壓為2.5V～2.75V。低于終止放電電壓繼續放電稱為過放，過放對電池會有損害。為了防止鋰離子電池過度放電，在系統中，為每組電池配備了保護板，當放電電流過大或過度放電時，保護板會截止電池的放電。

鋰離子電池不適合用作大電流放電，過大電流放電時會降低放電時間(內部會產生較高的溫度而損耗能量)。因此電池生產工廠給出最大放電電流，在使用中應小于最大放電電流。鋰離子電池對溫度有一定要求，工廠給出了充電溫度范圍、放電溫度范圍及保存溫度范圍。

鋰離子電池對充電的要求非常高，它要求精密的充電電路以保證充電的安全。終止充電電壓精度允差為額定值的±1%(例如，充4.2V的鋰離子電池，其允差為±0.042V)，過壓充電會造成鋰離子電池永久性損壞。鋰離子電池充電電流應根據電池生產廠的建議，并要求有限流電路以免發生過流(過熱)。一般常用的充電率為0.25C～1C(C是電池的容量，如C=800mAh，1C充電率即充電電流為800mA)。在大電流充電時往往要檢測電池溫度，以防止過熱損壞電池或產生爆炸。所以需要根據電池特有的參數進行調節，這也是制作充電電路中的難點之一。

鋰離子電池充電分為四個階段：當電壓小于2.4V時進行預充電，由于系統中每組電池均有保護板，當放電使電池的電壓降至3V以下時，自動截止放電，所以這個階段在充電器的設計中未體現。當電池電壓在2.4V-4.2V之間時進行恒流充電，接近終止電壓時改為恒壓充電。最后，當充電電流小于一特定值時，改為脈沖充電。

在充電器中，使用了開關電源來提供需要的電壓、電流，配合一塊控制電路板對電池進行監視并實時調整充電進程。

(2) 中央監控平臺硬件構成

研揚GENE-8310工控板一塊；640*480TFT液晶屏一塊；液晶屏驅動電路板一塊；256M DDR 266內存一條；2G KINSTON 52XCF卡一塊；西門子TC35i GSM模塊一塊；數傳電臺一個；供電電池一組。

3.1.2遠程監控裝置硬件實現

由于STC89C58只有一個串口，而GPS和TC35i均需要通過串口與MCU通信，為解決這個問題，系統中使用了交換機用高速繼電器進行串口的切換，如圖2所示。

圖2 遠程監控裝置原理框圖

復位電路采用簡單的RC復位，其電路如圖3所示。

圖3 復位電路

晶振使用22.1184MHz，配合兩個33pF電容接地，如圖4所示。

圖4 晶振電路

M2576是一個高效率、開關型5V穩壓的芯片，其輸入電壓范圍達7-40V。電路如圖5所示。

圖5 5V電源電路原理圖

RS-232通信中邏輯電平與TTL電路的定義有所不同，使用MAX232進行相應的電平轉換。其中，網絡標號TX接單片機的TXD腳，網絡標號TXRX_232接單片機的RXD腳。RS232_T和RS232_R分別接DB9串口頭的第2、3針。電路圖如圖6。

圖6 RS-232通信電路原理圖

3.1.3住戶居家信息終端硬件實現

經過各種傳感器的比較及結合我們系統的具體情況，我們選擇了DALLAS公司的單線數字溫度傳感器DS18B20作為本系統的測溫元件。

3.1.4無線遙控巡邏車硬件實現

無線遙控巡邏車采用履帶式仿坦克外形，車載監控攝像機在電機的帶動下可做水平350o物理旋轉。在攝像機廣角鏡頭的作用下保證監控視無死角。巡邏車和控制中心采用數傳電臺進行通信，得到運行指令后，主控板控制電機按要求進行動作。

云臺設計為一個自由度，既繞中心以-175～+175度轉動。驅動云臺使用L298芯片，并配合PWM調速為其選定最佳的轉動速度。在巡邏車上設計加工了2塊電路板：控制板和驅動板。為了不使電機干擾控制電路，電機和驅動板之間使用了光偶隔離，還對電源進行了處理，使之基本互不干擾。電機驅動電路原理如圖8。

圖8 電機驅動電路原理圖

3.2軟件實現

3.2.1Windows XP Embedded(XPE)操作系統的定制

針對GENE-8310及本系統所需要的功能創建和部署 XPE運行時映像的開發過程包括七個主要步驟，分別說明如下：

(1) 在GENE-8310系統板上運行目標設計器,得到包含GENE-8310的系統硬件資源的xml格式的文件；

(2) 根據本系統設計的需要，選擇XPE系統存儲媒介，本系統選擇了2.5寸5400rpm筆記本硬盤作為系統的存儲媒介。格式化硬盤，生成command文件；

(3) 將步驟1生成的xml格式的設備列表移到開發系統，然后運行配置生成器腳本，創建基本配置。根據需要將系統所需功能組件添加到該配置中；

(4) 對所生成的組件進行相關性檢查，確保各組件之間不存在沖突和組件不缺少運行所需的文件；

(5) 生成XPE鏡像文件；

(6) 將生成的XPE鏡像文件拷貝到步驟2中格式化好的硬盤中；

(7) 在GENE-8310中啟動XPE系統，執行First Boot Agent后運行系統；

(8) 系統在實際 應用過程中如果不滿足使用的需要，可從第3步開始再次定制XPE操作系統。

在定制的過程中，針對嵌入式系統的應用集成了高級電源管理功能，可以保證系統有更長的運行時間。中央監控平臺軟件配置為Shell啟動，進入系統后直接運行。系統使用Minlogon登陸模式，進入時間大約60s。Minlogon是XPE系統的組件，用它代替Winlogon可以有效地節省內存占用，減少步長，提高XPE的啟動速度。Minlogon沒有用戶的概念，只能以System用戶登陸Windows。由于系統程序本身在Shell狀態下運行，而中央監控系統軟件使用需要進行身份認證，身份認證的過程其實就是起到登陸XPE系統的認證作用，保證了系統的安全性和可靠性。

3.2.2中央監控平臺軟件開發與實現

監控中心的軟件系統運行于.NET平臺下，采用C#.NET編寫。C#是一種精確、簡單、類型安全、面向對象的語言，很適合快速開發與部署。

監控中心后臺采用了MS Access數據庫系統，使用標準的ODBC接口與程序進行通訊。考慮到小區實際的用戶數量與需要記錄的信息量，系統中沒有使用SQL Server等大型專用數據庫系統，而是使用了桌面型的數據庫系統，這樣不僅降低了系統成本還使程序更加靈活。由于標準的關系型數據庫大都支持SQL99語言，在有需要的情況下，可將本系統的后臺數據庫方便的升級到其它高級數據庫系統。

軟件主要包括身份認證、信息發布、電子地圖、監視巡邏、設置四大部分。四部分又根據功能劃分為天氣預報、小區信息、特殊人群監控、車輛防盜、視頻監控、遙控巡邏、小區住戶設置、GPS監控點、攝像機設置共九個功能模塊。其軟件結構如圖9所示。

圖9 監控中心系統軟件結構

4 結語

本實驗項目綜合性較強，運用了嵌入式系統、通信、機械設計等多領域技術和知識，通過本項目的制作，可加強學生綜合運用多學科知識的能力，通過分工協作，可大大提高學生大型項目設計經驗，培養創新精神，提高實踐、團隊協作語言文字表達等各方面能力，有利于培養電類高素質人才。

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