基于SoPC的多用途無(wú)線(xiàn)監控報警系統

室內監控和車(chē)輛監控受到人們普遍關(guān)注，現有的室內監控手段存儲空間消耗大，用戶(hù)不能隨時(shí)主動(dòng)查看現場(chǎng)，且費用昂貴；而車(chē)輛監控系統不能實(shí)時(shí)直觀(guān)查看車(chē)輛運行路線(xiàn)。

針對現有監控系統中存在的不足，本文設計了一種基于SoPC的室內、車(chē)內兩用的多用途無(wú)線(xiàn)監控報警系統。通過(guò)該系統用戶(hù)可隨時(shí)遠程主動(dòng)監控現場(chǎng)，或以智能報警方式監控現場(chǎng)；手機上的車(chē)輛跟蹤軟件攔截車(chē)輛報警信息把路線(xiàn)顯示在Google靜態(tài)地圖上，方便用戶(hù)直接查看。緊急情況發(fā)生時(shí)，用戶(hù)還可通過(guò)手動(dòng)方式報警。

1 系統總體結構設計

遠程監控報警系統分為現場(chǎng)監控子系統和用戶(hù)端子系統兩部分，系統總體結構框圖如圖1所示。本系統可工作在室內或車(chē)內，兩種情況下都有智能監控、智能報警和手動(dòng)報警模式。用在室內時(shí)，系統通過(guò)人體傳感器和攝像頭采集現場(chǎng)信息；用在車(chē)內時(shí)，通過(guò)GPS模塊接收車(chē)輛地理位置信息，通過(guò)攝像頭采集現場(chǎng)圖像。采集到的現場(chǎng)信息送入FPGA中的嵌入式軟核Nios II做智能檢測。系統通過(guò)GPRS模塊接收用戶(hù)的控制命令，同時(shí)以短信和彩信的方式向用戶(hù)發(fā)送現場(chǎng)信息。用戶(hù)端子系統的車(chē)輛跟蹤軟件可實(shí)現車(chē)輛報警信息攔截和路線(xiàn)顯示，便于用戶(hù)查看。

智能監控模式下系統監控，但不主動(dòng)發(fā)送報警信息，用戶(hù)可隨時(shí)主動(dòng)發(fā)送短信要求查看。智能報警模式下系統自動(dòng)檢測現場(chǎng)是否發(fā)生異常，異常時(shí)發(fā)送短信和彩信向用戶(hù)報警，同時(shí)以最快的速度將壓縮后的圖像存入SD卡，以備必要時(shí)偵查；無(wú)異常時(shí)每三分鐘存儲一幅圖像，這種自適應存儲機制能用較少的存儲資源存儲盡可能多的信息。若用戶(hù)在場(chǎng)時(shí)發(fā)生緊急情況，可通過(guò)一個(gè)隱蔽的報警按鍵實(shí)現手動(dòng)報警。

2 系統硬件設計

系統的硬件設計主要包括SoPC系統設計和TR800模塊硬件電路設計兩部分。

2.1 SoPC系統設計

系統的主控制芯片是一片FPGA，結合SoPC技術(shù)，在FPGA中加入了嵌入式軟核Nios II，通過(guò)Avalon總線(xiàn)與外圍設備建立聯(lián)系。系統硬件結構框圖如圖2所示。


2.1.1 攝像頭控制器設計

攝像頭用于采集現場(chǎng)（包括車(chē)內和室內）圖像，本系統CMOS攝像頭采集到的圖像信息為數字信號，無(wú)需模數轉換，可簡(jiǎn)化電路設計。攝像頭采集到的圖像緩存到SRAM，需要時(shí)從SRAM中讀出。

2.1.2 人體傳感器控制器設計

人體傳感器用于判斷室內是否有人進(jìn)入。系統的人體感應模塊采用 GH-718，該模塊是基于紅外技術(shù)的自動(dòng)控制產(chǎn)品，靈敏度高、可靠性強、感應角度大。傳感器一旦檢測到人的活動(dòng)，就改變狀態(tài)寄存器，處理器通過(guò)查詢(xún)狀態(tài)寄存器可知道是否有人。

2.1.3 GPS控制器設計

GPS模塊用于車(chē)載環(huán)境下接收汽車(chē)地理位置。GPS采用一塊集成模塊，上電后約一秒鐘發(fā)回一幀數據，每幀數據包含幾個(gè)協(xié)議，本系統中只用到$GPRMC與$GPGGA協(xié)議。

在GPS控制器中，采用硬件描述語(yǔ)言來(lái)解析GPS協(xié)議，用一系列寄存器存儲日期、時(shí)間、經(jīng)度、緯度、海拔、速度等GPS信息。模塊開(kāi)始工作后，持續接收處理來(lái)自GPS模塊的信息，GPS控制器一旦檢測到$GPRMC或$GPGGA，就根據接收到的內容更新寄存器，CPU可通過(guò)讀寄存器的方式得到GPS信息。

2.1.4 SD卡控制器設計

SD卡可工作在SD和SPI兩種模式下，本系統采用SPI模式。SD卡與FPGA之間通過(guò)片選、數據輸入、時(shí)鐘和數據輸出四根信號線(xiàn)通信，速度雖然比SD模式低，但接口簡(jiǎn)單，能滿(mǎn)足系統要求。本系統兼容SD1.1和SD2.0兩種協(xié)議，SD卡控制器自動(dòng)識別SD卡需要的協(xié)議類(lèi)型并執行相應的讀寫(xiě)方式。

SD卡控制器框圖如圖3所示。AVALON總線(xiàn)接口模塊是Nios II處理器和SD卡控制器模塊進(jìn)行數據交互的橋梁。復位初始化模塊要保證片選信號在上電后的74個(gè)時(shí)鐘周期內為高，完成復位。此后通過(guò)命令讀寫(xiě)控制模塊發(fā)送CMD0命令給SD卡使其進(jìn)入SPI模式。命令讀寫(xiě)控制模塊按照SD卡命令時(shí)序完成SD卡命令號、參數、命令校驗的發(fā)送和命令回執的讀取，如果是讀寫(xiě)操作還要對數據進(jìn)行發(fā)送和接收，雙口RAM用作讀寫(xiě)數據緩存。數據轉換和時(shí)鐘產(chǎn)生模塊完成SD卡和Avalon總線(xiàn)間信號的時(shí)序轉換。


2.2 TR800模塊硬件電路設計

本系統采用iWOW公司的GPRS模塊TR800實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信。TR800硬件電路設計框圖如圖4所示。SIM卡是每個(gè)現場(chǎng)監控子系統的ID，揚聲器用于用戶(hù)向現場(chǎng)喊話(huà)，麥克風(fēng)用于捕獲現場(chǎng)聲音，方便用戶(hù)監聽(tīng)。TR800通過(guò)串口芯片RS232與FPGA通信。


3 軟件設計

3.1 現場(chǎng)監控子系統軟件設計

現場(chǎng)監控子系統的軟件功能模塊及其聯(lián)系如圖5所示。系統只響應有權限用戶(hù)的訪(fǎng)問(wèn)，用戶(hù)權限數據存儲在SD卡的隱藏扇區，即使格式化也不丟失。用戶(hù)可通過(guò)短信對系統實(shí)現用戶(hù)管理，包括設置管理員、添加或刪除用戶(hù)、密碼設置等。


3.1.1 JPEG圖像壓縮

JPEG壓縮的目的是減少傳輸和存儲時(shí)所耗的資源。JPEG壓縮處理時(shí)要先把RGB空間轉換到YUV空間。為簡(jiǎn)化計算采用查表方式進(jìn)行。轉換后進(jìn)行Y：U：V=4:1:1的抽樣，抽樣后進(jìn)行DCT變換。DCT變換耗時(shí)多，本設計采用AAN算法，極大提高了運算速度。變換后采用Z形掃描和量化，以去除高頻分量。系統對直流系數和交流系數分別進(jìn)行霍夫曼編碼完成壓縮。

3.1.2 TR800模塊軟件設計

為保證TR800模塊的正常工作，上電后要先對其進(jìn)行語(yǔ)音、短信和彩信的初始化設置。語(yǔ)音業(yè)務(wù)方面，通過(guò)發(fā)送ATS0=2設置兩聲后自動(dòng)接聽(tīng)。短信初始化主要包括短信息編碼格式和提醒格式設置。彩信業(yè)務(wù)方面，要設置編碼方式、接入點(diǎn)、代理、通信模式和MMS 中心網(wǎng)址等。

短信和彩信的發(fā)送通過(guò)AT指令實(shí)現，短信的接收用串口檢測程序實(shí)現接收和短信內容解析。

3.1.3 FAT32文件系統

FAT32文件系統的FAT表有32位，若FAT表常駐內存，它占用的內存資源將很大，同時(shí)對處理器造成很大壓力。因此本系統工作時(shí)只是不斷地新增文件或目錄存儲現場(chǎng)圖像，而不對文件進(jìn)行刪除或修改操作。

3.2 手機端車(chē)輛跟蹤軟件設計

車(chē)輛跟蹤軟件用于自動(dòng)提取車(chē)輛報警短信信息，把車(chē)輛行駛路線(xiàn)顯示在手機上。

Windows Mobile智能手機中，IMailRuleClient 接口處理應用程序內的傳入消息，而MAPI 規則客戶(hù)端(MAPI Rule Client)是可以實(shí)現IMailRuleClient接口的COM對象。編寫(xiě)代碼攔截含GPS信息的短信并提取其中的經(jīng)緯度信息，根據經(jīng)緯度在Google靜態(tài)地圖中顯示車(chē)輛行駛路線(xiàn)。將上述短信攔截和處理代碼生成dll文件，然后調用該dll并修改注冊表。注冊時(shí)，收件箱應用程序將會(huì )加載MAPI規則客戶(hù)端。注冊后，傳入的SMS消息會(huì )傳遞給MAPI規則客戶(hù)端，由它決定如何處理該傳入消息。由此實(shí)現手機上的車(chē)輛跟蹤軟件設計。

系統通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式實(shí)現對室內和車(chē)輛的遠程監視監聽(tīng)和智能報警，并能在發(fā)生緊急情況時(shí)手動(dòng)報警，方便了用戶(hù)對室內和車(chē)輛的監控。系統的用戶(hù)終端是手機，操作方便，便于用戶(hù)及時(shí)接收信息且不需要其他設備。此外由于自適應存儲機制的引入，使系統能存儲大量的現場(chǎng)信息，即使用戶(hù)沒(méi)能及時(shí)發(fā)現異常，存儲的信息對案發(fā)后的調查也會(huì )有很大幫助。車(chē)輛跟蹤軟件可方便用戶(hù)實(shí)時(shí)直觀(guān)地查看車(chē)輛路線(xiàn)?？傊?，系統為室內遠程無(wú)線(xiàn)監控報警和車(chē)輛無(wú)線(xiàn)跟蹤提供了一種切實(shí)可行的實(shí)現方案。