家居安防系統(tǒng)監(jiān)控主機的設計與實現(xiàn)

　　熊慧萍1，陳發(fā)堂1，陳東生1，李江華2

　　(1．上海電力學院 上海 201300；2．國防科技大學電子科學與工程學院湖南長沙410073)

　　l 引 言

　　安防監(jiān)控系統(tǒng)的研究設計與實現(xiàn)，是一項專業(yè)性很強的實用技術(shù)。普遍認為，所謂安防監(jiān)控系統(tǒng)，就是以安全防范為主要目的，依靠和運用各種高科技裝備及手段，系統(tǒng)、實時、全面、不間斷地對人、設備及周邊環(huán)境進行監(jiān)督、控制的一系列設備的總和。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展進步，安防監(jiān)控系統(tǒng)的應用普及越來越廣，科技含量越來越高。先進的監(jiān)控系統(tǒng)集中體現(xiàn)了現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展的最新研究成果，是現(xiàn)代高科技產(chǎn)品和技術(shù)的一個結(jié)晶和縮影。當然，安防監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)不能一味地追求高、精、尖，其最根本的立足點還是必須回歸實用性，在保障適用性的前提下追求最低的成本與價格。本文提出一種基于USB總線和單片機構(gòu)成的監(jiān)控主機設計方案。該主機具備一定的智能化控制功能，在個人計算機上實現(xiàn)硬件驅(qū)動和監(jiān)控應用軟件開發(fā)，具有較高性價比，適用于一般民居等場所的安全防盜系統(tǒng)。

　　2 系統(tǒng)構(gòu)成

　　安防系統(tǒng)監(jiān)控主機的設計要求主要包括：采用多媒體計算機輔助控制、硬盤錄像等技術(shù)，通過程序?qū)崿F(xiàn)預警、遠程傳輸、遠程控制功能。有較強的防范能力及報警功能，便于上下聯(lián)動，有較高的自動化、智能化功能，能自動響應信號報警、調(diào)用相應的攝像機畫面、發(fā)出聲光警報，并能根據(jù)報警信號的來源和性質(zhì)做出一定的判斷，向職守人員提供相應的處置方案，自動啟動某些防范手段，能有效減小職守人員工作強度，加強快速反應能力等。 基于信號捕獲及處理流程，安防系統(tǒng)主要有5個部分：

　　信號采集與處理 包括紅外、煙感、溫敏、壓力、斷路、微波等傳感器對光、電、熱、力、位移等物理量變化以及視頻、開關(guān)信號的采集與轉(zhuǎn)換，并依據(jù)規(guī)則進行門限判決和編碼。

　　數(shù)據(jù)傳輸 主要是各模塊、各部件之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及相互交換的過程。

　　系統(tǒng)響應與自動控制 主要是進行自檢掃描，對各種預設的情況及報警事件作出中斷響應。

　　人機交互 通過USB總線實現(xiàn)PC機與單片機之間通信，通過安防監(jiān)控軟件向監(jiān)控主機發(fā)出指令，接收數(shù)據(jù)和請求，并根據(jù)報警事件提供處置預案。

　　遠程通信與控制 基于PSTN，通過MODEM與遠程控制中心交換數(shù)據(jù)并接收指令。

　　安防系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖1所示。

　　3 工作原理

　　安防系統(tǒng)監(jiān)控主機是一個基于嵌入式控制器的MCU應用系統(tǒng)，該嵌入式控制器采用51系列單片機，他負責完成設備大部分的控制功能。另一方面，因基于USB總線通信，故對PC機而言，監(jiān)控主機又如同一個待識別的USB外設。主機硬件結(jié)構(gòu)采用單片機+CPLD構(gòu)成的控制核心，通過LISB接口芯片與PC機交換數(shù)據(jù)。其中，單片機采用的是通用的51系列單片機AT89C52，當然完全可以用其他的51系列單片機替代。CPLD采用XC395288系列芯片。15SB接口芯片采用的是Philips公司的ISPl581芯片。ISPl581的特點是：價格低、功能強、支持高速USB系統(tǒng)的自動檢測、內(nèi)部通用DMA模塊能使得數(shù)據(jù)流很方便地集成，具有的低掛起功耗，還可以滿足ACPITM，OnN0wTM和USB電源管理的要求。

　　監(jiān)控主機一般處于2種工作狀態(tài)：

　　(1)正常監(jiān)控狀態(tài)。此狀態(tài)下．單片機循環(huán)掃描等待，溫度、濕度等各種環(huán)境監(jiān)測量實時傳送至PC機顯示．PC機按照預先設置，順序切換視頻監(jiān)控畫面。

　　(2)處置報警狀態(tài)。報警事件發(fā)生后，報警源或是來自環(huán)境監(jiān)測量超標，或是來自按鍵報警或紅外等傳感器報警后轉(zhuǎn)換的開關(guān)量，經(jīng)編碼鎖存后發(fā)送至單片機。單片機啟動中斷處理程序，將報警數(shù)據(jù)通過ISP158l芯片轉(zhuǎn)換成USB總線數(shù)據(jù)傳送至PC機，PC機譯碼后調(diào)用數(shù)據(jù)庫顯示處置預案，通過攝像頭記錄報警源現(xiàn)場畫面。同時，單片機將報警源代碼通過7段數(shù)碼管進行流水顯示，驅(qū)動語音控制芯片和發(fā)光二極管發(fā)出聲光報警。

　　監(jiān)控主機的工作原理如圖2所示：

　　4主要軟件模塊

　　監(jiān)控主機的設計與實現(xiàn)，難度主要在軟件開發(fā)。一方面是由于USB 2．O作為一種先進的接口標準，他的協(xié)議規(guī)范比較復雜，這種復雜在設備開發(fā)中主要體現(xiàn)為固件程序的開發(fā)。另一方面要求開發(fā)人員對PC機的硬件驅(qū)動和操作系統(tǒng)比較熟悉，還要求有比較熟練的數(shù)據(jù)庫編程經(jīng)驗。其軟件設計主要分3個模塊(如圖3所示)：

　　(1)固件程序

　　固件程序完成的功能包括：完成初始化、自檢和掃描任務，通過USB總線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，處理報警和通信中斷請求。包括4個子程序：

　　主程序(MAIN．C) 主要完成初始化工作，發(fā)送USB請求，處理USB總線事件，用戶功能處理等；

　　中斷處理程序(ISR．C) 主要是處理來自ISPl581的LrSB通信中斷請求和開關(guān)量報警的中斷請求；

　　LJSB協(xié)議(USB．C) 主要功能就是響應主機提出的USB設備識別要求。響應函數(shù)對設備要求進行譯碼，確定設備要求的類別；

　　USB電氣接口驅(qū)動(P81．C) 主要是讀寫操作，將需傳送的數(shù)據(jù)與ISP1581芯片之間通信。程序流程如圖4所示。

　　(2)驅(qū)動程序(ISP81．sys)

　　在單片機固件開發(fā)調(diào)試通過后，主機就能正確識別了，并且如果PC機操作系統(tǒng)中有自帶的這種設備的通用驅(qū)動程序，就無需再開發(fā)任何軟件就可直接使用。否則必須自行開發(fā)驅(qū)動程序。本文采用WinDrivet工具軟件編寫驅(qū)動程序，通過調(diào)用工具中提供的預定義類和底層驅(qū)動接口可以方便地生成符合用戶要求的驅(qū)動程序，不足之處是獨立性不好，適用范圍有限。因為使用winDrivet只提供一個設備安裝信息文件(．inf)，真正的驅(qū)動程序接口在安裝win[)river時就已經(jīng)加載了。不過，WinDrivet更的用途在于可以很方便地調(diào)試幾乎所有計算機總線接口設備，在計算機外部設備開發(fā)過程中能夠起到很好的幫助作用。 (3)應用程序

　　應用程序是處在應用層的上層軟件，他面向用戶提供人機會話界面，并實現(xiàn)各種功能，用戶通過應用程序?qū)υO備實施控制。應用程序使用最常用的Microsoft VisualC++6．O開發(fā)環(huán)境進行開發(fā)編譯，主要分成2個子程序：一是操作臺程序(OPERATION．C)?？刂埔曨l畫面切換，提供人機交互，通過調(diào)用winDriver工具軟件生成的驅(qū)動程序提供的一些間接控制設備硬件的接口函數(shù)，實現(xiàn)USB通信功能；二是報警處理程序(ALARM．C)。處理單片機報警信號，調(diào)用數(shù)據(jù)庫文件，向使用者提供智能化處置預案。程序流程如圖5所示。

　　5 結(jié) 語

　　本文提出的家居安防系統(tǒng)監(jiān)控主機設計實現(xiàn)方案，具備較強的通信能力和一定的智能化處理功能，可以滿足大部分民用住宅自身安全防范的需要。

　　他的特點主要有：

　　(1)監(jiān)控主機設置對開關(guān)量報警的響應，是考慮到安防系統(tǒng)前端傳感器、探測器無論多么復雜，都是經(jīng)過門限判決、信號轉(zhuǎn)換、編譯碼之后提供給單片機監(jiān)控主機，因此可用開關(guān)量來模擬一切報警事件的發(fā)生。同時，按鍵開關(guān)也是最可靠且行之有效的報警手段之一。

　　(2)應用成熟的51系列單片機，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠，完全可以滿足一般數(shù)字信號處理、自動控制和數(shù)據(jù)通信的要求，且成本較低。 (3)基于USB總線的MCU應用系統(tǒng)，本身就是IT業(yè)最熱門的話題之一。不僅有利于提高數(shù)據(jù)傳輸效率，同時基于兼容性和通用性的考慮，可以不加改變地適用于家用電腦，具有廣泛的應用前景。