基于CC3200的可視化低功耗WiFi門鈴設計與實現

張曉丹，俞 侃，朱琳琳

（文華學院 信息科學與技術學部，武漢430074）

隨著物聯網和自動化技術的飛速發展，智能小區和智能家居逐漸興起，人們對于居住環境的安全性提出了更高的要求。智能門鈴作為智能家居的重要組成部分，取代功能單一的傳統門鈴已成為不可避免的趨勢。根據前瞻產業研究院預測，2020年我國智能家居產值將突破萬億元，潛在市場規模將達5.8 萬億元。國外調查機構Technavio 發布的報告顯示，未來智能門鈴市場年復合增長率高達69%[1]。智能可視化WiFi 門鈴能有效地提升家居生活的便利感、科技感和安全感，具有廣闊的市場前景和較大的社會價值。

2014年美國德州儀器發布了業界第一款帶有片上WiFi 功能的單片機CC3200，通過Cortex-M4內核可直接控制片上WiFi 模塊，無需外接無線射頻模塊即可連接網絡。在此，基于該單片機并配合使用攝像頭模塊、音頻模塊、蜂鳴器、OLED 屏、按鍵等外設，在IAR 集成開發環境下采用C 語言和CC3200SDK開發智能可視化、低功耗WiFi 門鈴系統。

1 智能門鈴系統研究進展

早期的門鈴輔助安裝貓眼，通過貓眼去觀看門外的來訪者。傳統的貓眼依靠光學成像，視角范圍較小，在外界光線強度較弱時難以看清門外情況，且傳輸距離有限。

隨著移動互聯網技術和物聯網技術的發展，有線門鈴逐漸向無線門鈴過渡。文獻[2]基于W77E58單片機和GSM 網絡設計了具有語音合成功能的智能門鈴系統；文獻[3]在CPLD（complex programmable logic device）中實現了無線可視對講門鈴系統的幀同步，設計用于智能小區安全的無線可視對講門鈴系統；文獻[4]提出了遠程控制集可視、語音對講、監控及提醒等眾多功能于一體的移動互聯門鈴解決方案；文獻[5]設計了基于ARM 的智能可視化電子門鈴系統，采用STM32F1 芯片為主控芯片，并對其移植了UCOS-II 操作系統；文獻[6]實現了一款無線編解碼遙控門鈴，最遠空曠距離可達60 m；文獻[7]提出了基于Hadoop 云平臺的WiFi 移動無線門鈴系統，解決用戶隨時隨地了解訪客信息的需求；文獻[8]以STC89C51 單片機為控制核心，設計了基于51 單片機的無線音樂門鈴；文獻[9]提出了集智能手機和家庭網絡系統功能于一體的物聯網門鈴，通過獲取閉路電視的證據來幫助識別入侵者； 文獻[10]針對專門的視頻顯示器攜帶不便的問題，設計了基于云服務的智能門鈴系統；文獻[11]引入Dashbell設計實現了廉價的家用智能門鈴系統，支持WiFi設備Amazon 儀表盤連接網絡；文獻[12]以AT89C51單片機為主控系統，設計了智能家庭語音無線對講門鈴系統。

以上研究大多聚焦于無線可視化方面，重點解決非法入侵、開門不便、家中無人訪客等待等問題，尚未著重考慮系統的功耗和節能問題。

2 系統總體設計

智能可視化低功耗WiFi 門鈴系統的門鈴端以CC3200 主控板為核心，搭載攝像頭、麥克風、揚聲器、OLED 屏、蜂鳴器等外設，配有USB 轉串口、仿真器等接口，連接家庭WiFi，通過TCP、UDP 協議實現與移動終端之間的網絡通信，移動終端采用具有Android 系統的智能手機。系統的總體設計如圖1所示。

圖1 可視化低功耗WiFi 門鈴系統總體設計Fig.1 Overall design of visual low-power WiFi door bell

2.1 無線視頻實時監控模塊設計

無線視頻實時監控模塊主要實現無線語音對講和無線實時視頻播放功能。當有訪客按下門鈴以后，攝像頭開啟工作發送采集的圖像數據，經JPEG編碼輸入CC3200 主控板，在客戶端App 與CC3200主控板建立TCP 連接后，單向地向手機客戶端傳輸實時圖像并顯示，用戶可通過手機App 界面進行圖像捕獲、OLED 屏幕顯示回復消息、開啟語音對講功能。該模塊設計如圖2所示。

圖2 無線視頻實時監控模塊原理Fig.2 Schematic of wireless video real-time monitoring module

JPEG 是一種國際化的圖像壓縮標準，不僅可以保證圖像的壓縮性能，還擁有良好的重建質量，多應用于圖像處理和視頻處理領域。JPEG 的編碼過程主要包括采集RGB 數據、YUV 轉換、提取8×8 數據塊、FDCT 變換、量化、Z 變換、霍夫曼編碼，輸出JPG 格式。

2.2 無線語音對講模塊設計

無線語音對講模塊原理如圖3所示。其基本原理是，當開啟語音對講功能后，CC3200 主控板向客戶端發送訪客的語音消息，麥克風將采集到的音頻數據經由ADC 轉換、編碼過程后通過UDP 協議，端口號5001，發送給客戶端。與此同時，將接收到的音頻數據將經過解碼、DAC 轉換后，經喇叭播放供訪客接聽。

圖3 無線語音對講模塊原理Fig.3 Schematic of wireless voice intercom module

2.3 低功耗模塊設計

設置休眠模式，當按動門鈴后，CC3200 主控板從休眠模式被喚醒，初始化外圍設備進行WiFi 網絡連接。從每次聯網成功開始計時，30 s 內若未能成功與客戶端進行TCP 連接，門鈴系統將再次進入休眠模式。若與手機客戶端TCP 連接成功，用戶則可通過手機客戶端App 觀看視頻，回復消息至OLED屏，與來訪者進行語音對講。結束時，可通過手機客戶端App 使設備立即進入休眠模式，或關閉手機客戶端App，TCP 連接斷開后30 s 內若未能重連，則自動進入休眠模式。該模塊設計如圖4所示。

圖4 低功耗模塊原理Fig.4 Schematic of low-power module

3 系統實現

3.1 WiFi 網絡連接實現

CC3200 可快速實現AP 模式或STA 模式的網絡連接，通過調用官方SDK 包中ConfigureSimple LinkToDefaultState（）函數完成配置，調用sl_Strat（）函數開啟網絡處理器，SwitchToStaMode（）函數將設備切換到STA 模式，使用WlanConnect（）函數連接至指定的WiFi 網絡。

3.2 實時視頻采集功能實現

初始化攝像頭，設置攝像頭輸出數據格式為YCbCr4：2：2，配置DMA 并啟動捕獲圖片數據寫入sflash。以JFIF 的格式創建JPEG 文件頭，采集的數據經JPEG 壓縮后發送至手機客戶端，通過手機客戶端App 可以保存某時刻的圖片數據。當手機發送停止信號時，視頻設備關閉并進入休眠。實時視頻數據采集的關鍵代碼如下：

3.3 無線語音對講功能實現

當接收到來自手機客戶端發送的開啟語音對講命令后，CC3200 對外設音頻模塊進行初始化，并設置麥克風音量大小，分配Buffer 緩沖區存儲接收和發送的音頻數據，設置以DMA 方式搬運ADC 采集到的數據。以輪詢的方式完成音視頻的采集、發送以及音頻播放。當CC3200 接收到來自客戶端發送的關閉語音對講功能的命令后，關閉對外設音頻模塊的使用，只進行視頻的傳輸。

音頻采集及發送的關鍵代碼如下：

音頻接收及播放的關鍵代碼如下：

3.4 低功耗模式

開機或由休眠狀態被喚醒后，定時器開始計數等待30 s。若30 s 過后仍無人接聽，設備立即再次進入休眠；若在等待時間內被接聽，則執行音視頻通信、消息回復功能。當網絡連接異常時，設備自動復位。當CC3200 收到來自手機客戶端發送的休眠指令后，設備立即進入Hibernate 模式。低功耗模式的關鍵代碼如下：

4 系統測試

4.1 系統測試環境搭建

系統測試環境包括門鈴端和手機客戶端兩部分，如圖5所示。各部分的硬件環境如下：

圖5 門鈴端的硬件環境Fig.5 Hardware of doorbell end

門鈴端德州儀器帶有片上WiFi 的MCU——CC3200 作為核心板，其具有USB 轉串口、仿真器接口等接口，外接Mt9d111 8 位并行攝像頭、32 mm OLED 顯示屏、音頻模塊等，在IAR 集成開發環境下進行程序編譯，燒錄至片上Flash 中。

手機客戶端手機小米4，搭載Android 6.0.1系統，內置2 G RAM/16 G ROM，具備視頻觀看、語音對講、消息回復等功能。

4.2 音視頻測試

CC3200 主控板與Android 手機均連接家庭WiFi網絡，將Android 手機設定為固定IP：192.168.43.192，進行音視頻測試。測試界面如圖6和圖7所示，測試結果音視頻均可正常工作。當開啟采集音頻后，采集的音頻數據達到2 K，通過UDP 協議，端口號5001 發送至手機端播放音頻，通過端口號5002 對收到的音頻數據進行解碼并播放。攝像頭采集的分辨率為640×480，并編碼為JPEG 格式，通過TCP 協議發送至手機端顯示，反復測試視頻播放流暢。

圖6 實時音頻測試Fig.6 Test of real time audio

圖7 實時視頻測試Fig.7 Test of real time video

4.3 網絡速度測試

采用TCP & UDP 測試工具測試網速，如圖8所示。此時TCP 接收速度為634880 B/s，足以滿足640×480 的圖片數據和音頻數據傳輸，反復測試可知，平均網絡傳送速度與網絡質量和CC3200 的處理速度成正比。

4.4 低功耗測試

圖8 接收TCP 數據Fig.8 Receive TCP data

系統休眠設定為Hibernate 模式，通過按鍵觸發（設定引腳GPIO13 為喚醒源）和定時喚醒（用于處理網絡連接出錯時重啟）2 種方式喚醒設備。當設備進入休眠后，干路消耗電流為0.649 mA，如圖9所示。若使用5000 mA/h 電源供電，每天按動1 次門鈴，每次工作時長1 min，則理論上可待機使用6 個月。

圖9 低功耗測試Fig.9 Test of low-power

5 結語

通過設計基于物聯網的智能可視化低功耗WiFi 門鈴，采用CC3200 自帶的片上WiFi 模塊，解決了傳統門鈴傳輸距離的問題，實現了無線傳輸、低功耗和音視頻通信功能。采用低功耗的芯片，當無訪客時門鈴處于休眠狀態，大幅度降低對電源的消耗，從而可以使用內置電源的方式供電，且不必頻繁更換電源；采用無線設計，通過連接WiFi 設備實現了門鈴與移動設備之間的通信，且安裝簡單，節省人力物力。當有訪客到來時，門鈴從睡眠模式被喚醒，自動連接WiFi 設備，主人可以使用移動設備，在App 上接收到音視頻流數據，遠程查看來訪情況，并且可實時與來訪者語音對講，從而增強家庭的安全性和用戶體驗。后續將進一步考慮采用H264，H265 等更高的視頻數據壓縮率來避免網絡阻塞，開展音視頻數據上傳云端、人臉識別消息推送等研究。