基于以太網的智能樓宇梯口機的設計與實現

童世華

(重慶電子工程職業學院計算機應用系，重慶401331)

智能樓宇技術作為物聯網技術的重要組成部分，是物聯網的重要研究課題之一。物聯網技術中的以太網技術，具有全開放、成本低、帶寬寬、穩定性和可靠性高、應用廣泛、共享資源豐富等優點［1］。將以太網技術應用到樓宇自動化系統的研究領域，使智能樓宇系統進入全數字通信時代，它將最大限度減少樓宇中間設備，使樓宇對講系統組網更加簡單快捷，在數據的傳輸距離上也有很大的提高［2-3］。將以太網技術應用到樓宇自動化系統的研究領域，其主要技術優勢體現在實現了從管理層到現場設備控制層通信協議的兼容和統一;向低成本、低電壓、微功耗、微封裝和綠色化發展;向家居自動化、家用智能電器的網絡化發展;帶寬寬和共享資源豐富。

1 智能樓宇梯口機系統方案設計

在智能樓宇系統中，智能樓宇可視對講系統是其重要的組成部分［4］?；谝蕴W的智能樓宇系統組網非常簡單，用市場上通用的交換機就可以組網，每一臺設備只需要1根網線即可，不需要專門的音視頻信號線，1根網線就完成了所有信號的傳輸，包括音視頻信號，大幅度降低了線纜成本、布線成本以及安裝成本。如圖1所示，每一棟樓只需要1臺梯口機，以及若干室內機，室內機通過樓層交換機連接起來，形成一個小的局域網絡，樓層交換機把若干棟樓連接起來，形成一個大的局域網絡，再由路由器把樓層交換機連接起來，接到中心管理處，中心管理處可以對整個小區進行管理，同時也可以把一些有用的信息下發給用戶，也可以通過路由器把小區的智能樓宇設備連接到Internet上，從而用戶可以對自己的家庭進行遠程控制［5］。

智能樓宇梯口機除了實現可視對講及開鎖功能以外，還有許多其他功能，比如支持語音提示功能，用戶可以更改振鈴聲音、更改語音提供;支持中文/英文語言菜單，用戶可以自行設置菜單語言選項;支持本地在線搜索網內室內終端功能，方便施工/調試;支持背光調節和節電模式功能［6］。

2 智能樓宇梯口機的硬件設計

梯口機的硬件主要由兩部分組成，分別是GM8120核心處理模塊和Mega64控制模塊，如圖2所示。梯口機的設計采用雙核處理結構，每個核都有其負責的功能。GM8120處理模塊帶有實時多任務Linux操作系統，其主要負責音視頻信號的處理以及網絡信號的處理，同時擴展了比較大的存儲容量，可以存儲比較多的有用數據;Mega64控制模塊主要是負責控制和顯示部分，具體分為門禁控制部分、開鎖部分以及LCD顯示部分。同時，GM8120與Mega64的通信采用串口通信。

圖1 梯口機與智能樓宇系統連接圖

圖2 梯口機總體結構框圖

梯口機的GM8120核心模塊的設計與實現是整個硬件系統的核心，是整個系統的控制中心，其他模塊的一些數據都需要傳給GM8120處理器做進一步處理。同時，GM8120處理過后的數據也需要傳給其他模塊去執行，所以GM8120核心板是梯口機的大腦。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。

控制模塊的設計也是梯口機比較重要的部分，控制模塊上包含了一片AVR單片機，許多控制功能都是在主控板上實現的。具體來說，控制模塊實現的功能有整個系統的供電、LCD顯示功能、攝像頭的視頻輸入、音頻輸入輸出、硬件消回聲等，而其中核心器件是AVR單片機，具體型號采用的是Mega64，開鎖、LCD顯示以及刷卡模塊的數據讀入等，都是依靠Mega64來實現的。

3 智能樓宇梯口機驅動軟件設計

3.1 LCD顯示驅動的設計

LCD驅動設計主要包含以下幾個部分，分別是LCD初始化，LCD清屏，列、行以及頁的定位，顯示數字、漢字和顯示圖片等。下面就LCD清屏進行分析。LCD清屏主要是清除每個PAGE上的值，PAGE實際表示一個擁有8個高點的行，因為LCD的分辨力為128×64，計算得到有8個PAGE，所以要設置一個循環，把每個PAGE上的值清除。具體實現如下：

3.2 串口驅動的設計

在系統中，ATmega64與GM8120是通過串口來進行通信，所以串口驅動包括兩部分，一部分是AVR單片機的串口驅動;一部分是 GM8120的串口收發驅動。以GM8120串口驅動為例，介紹其數據收發以及程序代碼。

GM8120有4個串口，其串口結構主要包含有波特率發生器、16位發送FIFO、16位接收FIFO、狀態FIFO、配置與狀態寄存器、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，然后設置波特率，而后對串口參數進行設置，再打開串口，開辟一個串口接收線程，進行數據的接收，對接收到的數據進行存儲。

主要程序函數如下：

3.3 鍵盤掃描驅動設計

該系統是4×3矩陣鍵盤，其用到了ATmega64L的PF1～PF6 I/O接口，采用的是逐行(列)掃描法，首先是判斷有無鍵按下，將全部行線置低電平，然后檢測列線的電平狀態，如果有列線為低電平，證明有鍵按下，若列線沒有低電平，說明沒有鍵按下;如果有鍵按下，然后判斷鍵盤的哪一位鍵按下了，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，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口對應的值以及鍵盤代表的鍵值如表1所示。

表1 PF口對應的值以及鍵盤代表的鍵值

4 驗證平臺的搭建

把智能樓宇梯口機放到智能樓宇系統中進行驗證，所需設備為智能樓宇梯口機、交換機、電磁鎖、出門按鈕、IC卡、2臺室內機、中心管理機以及一些測試工具。驗證平臺的搭建過程［7］，首先把電磁鎖、出門按鈕接在梯口機的相關接口上，把梯口機與交換機用網線進行連接，然后把2臺室內機和中心管理機分別與EPA交換機用網線進行連接，檢查電路連接，看是否有短路現象，連接如圖3所示。

圖3 梯口機系統驗證連接圖

測試智能樓宇的以太網通信、可視對講、遠程控制以及梯口機自身的相關功能。其驗證過程如下：

1)打開交換機和中心管理機(這里采用上PC機代替)，使系統處于供電狀態。

2)配置智能樓宇梯口機、室內機和中心管理機的IP地址和子網掩碼，使這幾臺以太網設備處于同一網段，然后配置梯口機與室內機的服務器地址，服務器地址為中心管理機的IP地址。

3)打開中心管理軟件，查看設備上線情況。

4)使用梯口機呼叫第一臺室內機，進行可視對講，驗證網絡通信、音視頻質量以及系統延時。

5)在可視對講過程中按開鎖鍵，確認電磁鎖打開，以及梯口機的語音提示。

6)在室內機上監視梯口機，驗證室內機對梯口機的監視功能。

7)使梯口機呼叫中心管理機，進行可視對講，驗證音視頻質量。

8)在中心管理機上監視梯口機，驗證監視功能。

9)在中心管理機上按開鎖鍵，驗證中心管理機對梯口機的遠程開鎖功能以及實時性。

10)在梯口機上使用有效IC卡刷卡，中心管理軟件上是否有刷卡記錄。

11)在梯口機上使用無效IC卡刷卡，中心管理軟件上是否有報警消息產生。

驗證結果：系統能正常工作，可視對講正常，音視頻質量較好，室內機遠程開鎖正常，梯口機能與中心管理機進行正常可視對講，梯口機能監視梯口機，中心管理軟件能檢查到梯口機的上線信息，功能測試正常，可視對講視頻質量較高，很好地滿足了系統要求。圖4為可視對講視頻質量圖。總體驗證結果顯示，梯口機滿足智能樓宇系統要求，達到項目所需性能。

圖4 可視對講視頻質量圖

5 總結

該設計全面考慮項目對梯口機的需求，突出了梯口機在高速、低功耗、全數字和以太網傳輸數據等方面的優勢，采用模塊化設計方法，以智源科技的GM8120處理器為核心來實現。GM8120處理器包含有ARM9的處理器和視頻MPEG-4全硬件編解碼器，芯片資源豐富，在很大程度上節約了開發成本，提高了性能，減低了成本，使其具有很好的使用價值。

［1］王再英，韓養社，高虎賢.樓宇自動化系統原理與應用［M］.北京：電子工業出版社，2009.

［2］黎連業，單銀根，向東明.綜合布線系統弱電工程設計與施工技術［M］.北京：電子工業出版社，2010.

［3］陳東.OrCAD電路設計［M］.北京：國防工業出版社，2009.

［4］GB/T 5031l—2000，建筑與建筑群綜合布線系統工程設計規劃［S］.2000.

［5］ROSENBERG J，SEHULZRINNE H，CAMARILLO G，et al.SIP tension initiation protocol［S］.2010.

［6］SRISURESH P，EGEVANG K.Traditional IP network address translator(Traditional NAT)［S］.2010.

［7］ROSENBERG J，WEINBERGER J，HUITEMA C，et al.STUN simple traversal of user day.Protocol(UDP)through network address translators(NATs)［S］.2010.