基于S3C2440和RFID技術(shù)的智能監控系統

摘要：為了實(shí)現實(shí)時(shí)監控，設計了一種以ARM9芯片S3C2440為核心的智能監控系統。Nordic公司的nRF24L01芯片解決主控模塊和電子標簽的互相通信，實(shí)現遠距離射頻識別，工作于2.45 G。在房間內有東西被移出后，OV9650攝像頭能夠實(shí)時(shí)采集房間內的視頻信息，并及時(shí)顯示在群創(chuàng )3.7英寸TFT LCD屏上。實(shí)驗結果表明，該設計運行穩定，是智能監控的一種有效解決方案。

視頻監控是安防系統中的重要環(huán)節。它的應用無(wú)處不在，無(wú)論是居民小區、校園，還是公司、企業(yè)，它能及時(shí)將現場(chǎng)情況反映給監控中心，有效的防止了犯罪的發(fā)生。但是，目前的監控系統都有它的局限性。由于監控中心監控畫(huà)的顯示面的數量限制，不能夠同時(shí)顯示監控網(wǎng)絡(luò )中所有的攝像頭所傳送的畫(huà)面。目前主要采用的措施是增加監控中心的監視器，要么定時(shí)輪流切換畫(huà)面。這些方案不夠智能且增加了運營(yíng)成本。文中提出一種基于S3C2440的智能監控系統，以MSP430F2121、nRF24L01等為硬件基礎，結合射頻識別技術(shù)，實(shí)現對房間內物品的實(shí)時(shí)智能監控即房間內有物品被移出時(shí)，將房間的圖像信息在監控端實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。

射頻識別技術(shù)是利用射頻信號通過(guò)空間耦合實(shí)現信息的傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達到識別的目的的技術(shù)。本文采用的射頻通信模塊nRF24 L01能工作于2.45 G，讀寫(xiě)距離遠，識別精度高，完全滿(mǎn)足實(shí)際要求。

1 系統整體架構

本文主要模擬實(shí)際監控環(huán)境，設計出一套硬件系統和與之相應的軟件系統，對房間內的各種物件實(shí)現實(shí)時(shí)監控，具體思想：給監控房間內每一件重要物品都貼上一張2.45 G射頻標簽，標簽每隔一定時(shí)間發(fā)送自己的信息(標簽號)給房間內的2.45 G讀卡器(主控模塊)，以證明所代表的物品還在房間。如果在規定時(shí)間內，讀卡器沒(méi)有讀到某張標簽，證明相應的物品已經(jīng)不在監控區域，監控模塊立即打開(kāi)房間內的攝像頭，采集現場(chǎng)視頻數據，并將數據顯示在LCD顯示屏上。系統整體架構圖如圖1所示。

2 智能監控系統硬件平臺

2.1 2.45G電子標簽

電子標簽是本系統的重要組成部分。采用3.7 V鋰電池供電，所以要求功耗盡可能低。MSP430F212是TI公司的一款典型低功耗混合信號處理芯片，它有一種正常工作模式(AM)，和五種低功耗模式(LPM0、LPM1、LPM2、LPM3和LMP4)。MSP430系列單片機各個(gè)模塊相互獨立。系統進(jìn)入低功耗模式，讓CPU睡眠，而其它模塊(如定時(shí)器、A/D轉換和看門(mén)狗等)正常運行。需要CPU時(shí)，可以利用中斷將其喚醒，進(jìn)入正常工作模式。喚醒時(shí)間約為1μs。本設計采用MSP430F2121作為電子標簽主控芯片，完全滿(mǎn)足低功耗要求。

目前，2.45G電子標簽的射頻通信部分有如下解決方案：WIFI、Bluetooth、Nordic公司的nRF24101和Cypress公司的wireless USB。本設計綜合考慮電路性能、功耗、成本、系統復雜性等各方面因素，選擇了Nordic公司的nRF24L01芯片作為射頻收發(fā)解決方案。nRF24L01是一款工作于2.4 G頻段的無(wú)線(xiàn)通信芯片，采用GFSK調制，支持跳頻，支持點(diǎn)對點(diǎn)和1對6的無(wú)線(xiàn)通信。在其內部，集成了Enhanced Short Burst協(xié)議，所以nRF24L01能夠自動(dòng)處理幀頭和CRC校驗碼。并且其發(fā)射功率可以自動(dòng)調節。

標簽主控芯片MSP430F2121與nRF24L01通過(guò)SH總線(xiàn)進(jìn)行通信，SPI有SCLK、MOSI、MISO 3根線(xiàn)，加上使能CE、片選CS和IRQ信號線(xiàn)，總共6根線(xiàn)。在本設計中，標簽的主要任務(wù)是每隔一段實(shí)際發(fā)送自己的信息給讀卡器，所以可以省略MISO和IRQ兩個(gè)線(xiàn)。結構圖如圖2所示。

2.2 主控制模塊

主控制模塊的主要功能是讀取周?chē)臉撕炐畔?，完成后，與內存中的標簽表進(jìn)行比較，如果某些標簽沒(méi)有被讀到，證明與標簽所綁定的物品不在所讀范圍內，此時(shí)打開(kāi)攝像頭，在LCD上實(shí)時(shí)顯示房間內的情況。

主控制模塊的主控芯片采用三星公司的S3C2440。該SOC是ARM9核，主頻高達400MHz，有獨立的指令cache和數據cache，有MMU控制器。并且集成了豐富的硬件資源，如PWM定時(shí)器、UART控制器、存儲器控制器、Nand Flash控制器、LCD控制器和攝像頭接口等等。完全滿(mǎn)足本設計對主控芯片的要求。

2.2.1 主控模塊的讀卡器部分

在電子標簽設計時(shí)，標簽一直發(fā)送模式。因此在主控制模塊端，配置nRF24L01處于接收模式，讓其一直讀取周?chē)鷺撕灥男畔?。S3C2440有SPI控制器，所以配置nRF24L01比較方便，具體配置過(guò)程與電子標簽nRF24L01配置過(guò)程類(lèi)似。需要注意的是相對于標簽端，主控制段用到了MISO和IRQ信號信，MISO接收標簽發(fā)來(lái)的信息，IRQ信號線(xiàn)與外部中斷0口相接。

2.2.2 主控模塊的視頻采集及顯示部分

S3C2440集成有SDRAM控制器，方便外接SDRAM。本設計采用三星公司的K4S561632N作為系統的SDRAM。K4S561632N組織形式為16M*16bit其線(xiàn)寬為16位，經(jīng)兩塊K4S561632N并聯(lián)，得到32位的線(xiàn)寬，總容量為64MByte。之所以需要大內存，是因為經(jīng)過(guò)攝像頭采集來(lái)的數據，需要存儲于內存中，以便于在LCD上顯示。查看數據手冊，K4S561632N有13根行地址線(xiàn)(RA0-RA12)、9根列地址線(xiàn)(CA0-CA8)、2根BANK選擇線(xiàn)(BA0-BA1)。SDRAM的行地址線(xiàn)和列地址線(xiàn)是分時(shí)復用的，先送行地址，然后送列地址，分別被鎖存于行地址鎖存器和列地址鎖存器中。

根據設計要求，當周?chē)h(huán)境中有物品被移出，主控制器讀不到某標簽時(shí)，需要實(shí)時(shí)采集房間的圖像數據。S3C2440集成了攝像頭控制接口，有13根信號線(xiàn)：CAMDATA[7：0](攝像頭輸入數據)、CAMPCLK(輸入像素時(shí)鐘)、CAMVSYNC(輸入幀同步時(shí)鐘)、CAMHRER(輸入水平同步時(shí)鐘)CAMCLKOUT(提供給攝像頭的時(shí)鐘)和CAMRESET(攝像頭復位)。S3C2440攝像頭接口支持ITU—R BT601/656數據輸入，并且支持的2個(gè)通道的攝像頭DMA，Preview通道和Codec通道，Preview通道將數據存放于Preview DMA分配的內存中，主要用于本地視頻顯示，本設計采用該通道。本系統中，攝像頭采用的是OmniVision公司的COMS攝像頭OV9650，它集成了SCCB總線(xiàn)接口，該總線(xiàn)包含兩根信號線(xiàn)，SIO_C時(shí)鐘線(xiàn)和SIO_D數據線(xiàn)。SCCB總線(xiàn)兼容IIC總線(xiàn)，所以，可以用S3C2440的IIC總線(xiàn)配置OV9650的寄存器，完成攝像頭的初始化。

S3C2440中集成了LCD控制器。支持單色灰色彩色LCD屏。對于LCD控制器的操作，需要注意3個(gè)時(shí)序信號，VSYNC(幀同步信號)、HSYNC(行同步信號)和VCLK(像素同步信號)。LCD顯示另外一個(gè)要注意的地方是顯示緩沖區，可以在內存中定義一個(gè)與屏幕尺寸大小相同的二維數組最為顯示緩沖區。本文使用的屏幕大小為320x240的LCD顯示屏，所以定義二維數組為L(cháng)CD_BUFFER[240][320]。然后，將設置好的二維數組地址賦于LCDSADDR1和LCDSADDR2寄存器，初始化后的LCD顯示屏就能夠顯示緩沖區所存的數據。LCD控制有一個(gè)專(zhuān)用的DMA控制器，使用該DMA通道，能夠不需CPU的干預下，將視頻數據從幀緩沖區中傳送到LCD驅動(dòng)。本設計顯示單元采用群創(chuàng )3.7英寸TFT LCD屏。

由OV9650采集的視頻數據通過(guò)DMA將數據存放到Preview DMA分配的內存中，使這段內存與LCD顯示緩存重合，就能夠實(shí)現攝像頭采集到的數據在LCD上實(shí)時(shí)顯示。視頻信息采集及顯示模塊如圖4所示。

2.3 主控制模塊程序的下載與運行

本設計的存儲系統為NAND FLASH，通過(guò)JTAG接口將程序下載到NAND FLASH，系統啟動(dòng)時(shí)，NAND FLASH中不能夠運行程序，但是，S3C24 40自動(dòng)將程序的前4K內容從NAND FLASH搬移到處理器內部的Stepping stone區域，這個(gè)區域成為Boot Internal SRAM，然后在其中運行程序，前4K程序中的搬移函數將整個(gè)程序從NAND FLASH中復制到SDRAM中，并從SDRAM中運行程序。至此整個(gè)系統正常啟動(dòng)。之所以采用NAND FLASH作為存儲系統，是因為相對于NOR FLASH，NAND FLASH有存儲密度高，可擦寫(xiě)次數高，價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，所以，是一種常見(jiàn)數據存儲設備。本設計采用NAND FLASH的型號是K9F2G08UOB，其容量為256M字節。通過(guò)S3C2440的NAND FLASH控制器可以很方便的控制NAND FLASH。

3 智能監控系統軟件設計

3.1 電子標簽上的軟件設計

MSP430F2121完成初始化：設置時(shí)鐘頻率、選擇工作模式、通過(guò)SPI總線(xiàn)配置nRF24L01。然而MSP430F2121不含SPI總線(xiàn)接口，就需要根據SPI協(xié)議用I/O口模擬SPI總線(xiàn)來(lái)配置nRF24L01。

在本設計中，電子標簽只要發(fā)送自己的信息，不要接收任何信息。通過(guò)SPI的MOSI接口，配置閱讀器地址寄存器TX_ADDR，自動(dòng)重發(fā)寄存器SETUP_RETR，通信頻率寄存器RF_CH和發(fā)射參數配置寄存器RF_SETUP等。具體參數：通信頻率為2.45 G，不自動(dòng)重發(fā)，1MHz發(fā)送速率和0 dBm發(fā)射功率等參數。

MSP430F2121配置完nRF24L01后，用定時(shí)器定時(shí)1s，打開(kāi)定時(shí)器，并進(jìn)入低功耗模式LPM3。當定時(shí)器時(shí)間到時(shí)，產(chǎn)生中斷，喚醒CPU，在中斷處理函數中，向TX FIFO里寫(xiě)數據(標簽編號)，CE=1，保持10μs以上，nRF24L01由Standby-I模式進(jìn)入Tx Mode，數據發(fā)完后，不檢測ACK自動(dòng)回到Standbyr-I模式。中斷返回后，CPU再次休眠，定時(shí)器繼續計數如此往復。圖5為程序流程圖。

3.2 主控制模塊軟件設計

總控制模塊是本設計的核心，其軟件也是整個(gè)設計的重點(diǎn)。S3C2440主頻頻率高，硬件資源十分豐富。這使得對于外接設備的初始化和控制變得比較容易。

首先，在S3C2440啟動(dòng)代碼中要設置工作頻率、建立好異常中斷向量表、初始化堆棧、初始化內存、初始化應用程序執行環(huán)境。

然后跳轉的主應用程序。在主應用程序中，初始化攝像頭和LCD控制器.通話(huà)SPI控制器配置nRF24L01，設置接收端地址RX_ADDR，選擇通信頻率，無(wú)線(xiàn)速率等參數。切換工作模式，nRF24L01從Standby-I模式進(jìn)入RX Mode，在此模式下接收標簽發(fā)來(lái)的信息。

接著(zhù)建立一個(gè)標簽是否存在的整型數組，如tag[n]，n為數組元素的個(gè)數，數組中每個(gè)元素的每位代表一個(gè)標簽的存在狀況，0表示存在，1表示不存在。數組tag[0]有32位可以表示32個(gè)標簽的存在狀況，本設計只有5個(gè)電子標簽，所以用tag[0]的低5位表示標簽的存在狀況，初始值各位全為1，即tag[0]=0x1f，當收到標簽發(fā)來(lái)的信息時(shí)，外部EINT0產(chǎn)生中斷，在中斷處理函數中，讀取標簽發(fā)來(lái)的信息，跳出中斷處理函數，將tag[0]中相應標簽的表示位清零，如此循環(huán)。若定時(shí)器溢出并產(chǎn)生中斷(本設計定為5 s)，判斷tag[0]是否等于0，若不等于0，表示有標簽沒(méi)有讀到，此時(shí)可能標簽所表示的物品已經(jīng)不在房間，主控制器打開(kāi)攝像頭，打開(kāi)LCD顯示器，將房間內實(shí)時(shí)畫(huà)面顯示出來(lái)。管理人員清查現場(chǎng)，并手動(dòng)重啟系統。軟件流程圖如下：

4 結論

經(jīng)過(guò)測試，標簽發(fā)送功率設置在0 dBm時(shí)，在空曠場(chǎng)地里，主控制模塊的識別范圍在半徑15 m圓的范圍內。在空曠的操場(chǎng)上，主控模塊周?chē)?5 m內的圓形范圍內隨機放置5件物品，每件物品上貼一個(gè)電子標簽。當拿上一件物品，走出識別距離時(shí)，主控模塊會(huì )在5 s內打開(kāi)攝像頭，將現場(chǎng)畫(huà)面顯示在LCD上，實(shí)現了實(shí)時(shí)視頻監控功能。實(shí)驗結果基本符合預期。