以太網的智能樓宇門口機設計＊

謝浩，付蔚

（重慶郵電大學 工業物聯網與智能儀器儀表教育部重點實驗室，重慶 400065）

謝浩（碩士研究生），主要研究方向為智能家居。

引 言

可視對講系統已經成為多功能、高效率的現代化住宅的重要保障，對智能樓宇或智能小區的建設有極其重要的作用［1］。開發智能樓宇門口機系統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 可視對講系統的總體架構

小區可視對講系統的拓撲結構［2］主要由3部分組成：樓區可視對講系統、骨干網絡和中心管理機。其結構如圖1所示。

2 智能樓宇門口機的系統設計

在可視對講系統當中，以太網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，支持自行設置菜單語言選項，支持本地在線搜索網內和室內終端。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。

圖1 小區可視對講系統的拓撲結構

圖2 門口機功能可視框圖

2.1 門口機的硬件設計

門口機的硬件主要由兩部分組成，分別是GM8120處理模塊［3］和ATmega64控制模塊。門口機的設計采用的是雙核處理結構，每個核都有其負責的功能。CPU采用的是臺灣智原公司的GM8120處理模塊，該處理模塊是ARM9內核，具有低功耗32位RISC體系結構。GM8120處理模塊帶有實時多任務的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。

ATmega64是Atmel公司生產的一款低功耗的8位單片機，在讀取一條指令的時候對下一條將要執行的指令進行讀取，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［4］。同時，GM8120與 ATmega64的通信采用串口通信。硬件系統結構框圖如圖3所示。

圖3 門口機總體結構框圖

2.1.1 門口機核心板的設計

門口機的GM8120核心板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處理模塊做進一步處理。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。該核心板的結構框圖如圖4所示。

圖4 GM8120核心板結構框圖

2.1.2 視頻解碼電路設計

GM8120處理模塊有數字視頻輸入接口，對于輸出是CCIR656／601 的 CCD／CMOS攝像頭，可以直接與GM8120引腳相連接，而對于輸出復合視頻或S－VIDEO的CCD／CMOS攝像頭，需要外接一塊解碼芯片。本設計采用的是Philips公司生產的SAA7113視頻解碼芯片，對視頻信號進行解碼，SAA7113在很多視頻產品中都有應用，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”數字信號，相當于一種模／數轉換器。SAA7113兼容全球大多數標準，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［4］。

在本系統中，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，轉換成為標準的數字信號，直接與GM8120的數字視頻接口相連接。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。

從攝像頭輸出的模擬視頻信號經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24.576MHz的有源晶振為其提供時鐘頻率，模擬部分與數字部分分別采用3.3V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 開鎖模塊電路的設計

開鎖模塊是門禁的核心，在本系統中，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開鎖。所有的開鎖方式都是通過控制開鎖模塊來實現的，開鎖模塊的電路原理如圖6所示［5］。

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并聯引出一個端口COM，引腳4和7并聯引出一個端口NO，引腳2和9并聯引出一個端口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射極，三極管處于導通狀態，繼電器工作，使繼電器開關打到NO端；當DOOR＿RELAY為低電平時，S8050截止，繼電器不工作，繼電器開關打到NC端。

圖5 視頻解碼電路原理圖

圖6 開鎖模塊電路原理圖

繼電器引出來的兩個端COM、NC跟電鎖相應引腳相連，電鎖采用的是兩線電磁鎖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處于截止狀態的時候，繼電器不工作，兩線電磁鎖處于工作狀態，門鎖上；當S8050導通，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 門口機的軟件設計

以太網門口機的軟件設計主要包括4個部分：LCD顯示驅動的設計、ATmega64串口驅動的設計、GM8120串口驅動的設計和鍵盤掃描驅動的設計。結構框圖如圖7所示。

圖7 以太網門口機軟件結構框圖

2.2.1 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，LCD列，行以及頁的定位，LCD顯示數字、漢字和顯示圖片等。

LCD初始化函數包含了端口的配置、LCD復位以及LCD顯示特性的設置，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的串口驅動設計

ATmega64的UART結構可以分為3部分，分別是時鐘生成器、收控制器和發控制器。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［5］。發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。

在本系統中，通過UART0與GM8120進行數據通信。主要包含串口初始化、串口的數據接收與串口的數據發送等。部分程序如下：

2.2.3 GM8120的串口驅動設計

GM8120有4個串口，其串口結構主要包含波特率發生器、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，接著對串口參數進行設置，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：

2.2.4 鍵盤的掃描驅動設計

本系統是4×3矩陣鍵盤，其用到了ATmega64的PF1－PF6I／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，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，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所列。

表1 PF口對應的值以及鍵盤代表的鍵值

3 系統測試與驗證

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自動化學院工程實訓中心，測試平臺為重慶漢巴試驗設備有限公司（HANBA）生產的高低溫濕熱試驗箱，型號為HUT703P。該儀器是參照GB10586－89濕熱試驗箱相應技術生產的。

在高低溫測試中，分高溫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45min；

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45min。在持續的低溫與高溫環境下，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。

圖8 門口機功能驗證連接圖（第一種方式）

第二種方式是把智能樓宇門口機放到智能樓宇系統中進行驗證，所需設備為智能樓宇門口機、EPA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。連接圖如圖9所示。

圖9 門口機系統驗證連接圖（第二種方式）

結 語

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

［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，2011.

［2］林火養.智能小區安全防范系統［M］.北京：機械工業出版社，2012.

［3］張齊，朱寧西，畢盛.單片機原理與嵌入式系統設計［M］.北京：電子工業出版社，2011.

［4］馬潮.AVR單片機嵌入式系統原理與應用實踐［M］.2版.北京：北京航空航天大學出版社，2011.

［5］莊嚴.嵌入式Linux系統工程實訓教程［M］.北京：清華大學出版社，2012.