家居安防系統監控主機的設計與實(shí)現

　　熊慧萍1，陳發(fā)堂1，陳東生1，李江華2

　　(1．上海電力學(xué)院 上海 201300；2．國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院湖南長(cháng)沙410073)

　　l 引 言

　　安防監控系統的研究設計與實(shí)現，是一項專(zhuān)業(yè)性很強的實(shí)用技術(shù)。普遍認為，所謂安防監控系統，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、實(shí)時(shí)、全面、不間斷地對人、設備及周邊環(huán)境進(jìn)行監督、控制的一系列設備的總和。隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展進(jìn)步，安防監控系統的應用普及越來(lái)越廣，科技含量越來(lái)越高。先進(jìn)的監控系統集中體現了現代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最新研究成果，是現代高科技產(chǎn)品和技術(shù)的一個(gè)結晶和縮影。當然，安防監控系統的研發(fā)不能一味地追求高、精、尖，其最根本的立足點(diǎn)還是必須回歸實(shí)用性，在保障適用性的前提下追求最低的成本與價(jià)格。本文提出一種基于USB總線(xiàn)和單片機構成的監控主機設計方案。該主機具備一定的智能化控制功能，在個(gè)人計算機上實(shí)現硬件驅動(dòng)和監控應用軟件開(kāi)發(fā)，具有較高性?xún)r(jià)比，適用于一般民居等場(chǎng)所的安全防盜系統。

　　2 系統構成

　　安防系統監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(pán)錄像等技術(shù)，通過(guò)程序實(shí)現預警、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(dòng)，有較高的自動(dòng)化、智能化功能，能自動(dòng)響應信號報警、調用相應的攝像機畫(huà)面、發(fā)出聲光警報，并能根據報警信號的來(lái)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(dòng)啟動(dòng)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，安防系統主要有5個(gè)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(kāi)關(guān)信號的采集與轉換，并依據規則進(jìn)行門(mén)限判決和編碼。

　　數據傳輸 主要是各模塊、各部件之間數據轉換及相互交換的過(guò)程。

　　系統響應與自動(dòng)控制 主要是進(jìn)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(guò)USB總線(xiàn)實(shí)現PC機與單片機之間通信，通過(guò)安防監控軟件向監控主機發(fā)出指令，接收數據和請求，并根據報警事件提供處置預案。

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

　　安防系統的構成框圖如圖1所示。

　　3 工作原理

　　安防系統監控主機是一個(gè)基于嵌入式控制器的MCU應用系統，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(xiàn)通信，故對PC機而言，監控主機又如同一個(gè)待識別的USB外設。主機硬件結構采用單片機+CPLD構成的控制核心，通過(guò)LISB接口芯片與PC機交換數據。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(diǎn)是：價(jià)格低、功能強、支持高速USB系統的自動(dòng)檢測、內部通用DMA模塊能使得數據流很方便地集成，具有的低掛起功耗，還可以滿(mǎn)足ACPITM，OnN0wTM和USB電源管理的要求。

　　監控主機一般處于2種工作狀態(tài)：

　　(1)正常監控狀態(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)境監測量實(shí)時(shí)傳送至PC機顯示．PC機按照預先設置，順序切換視頻監控畫(huà)面。

　　(2)處置報警狀態(tài)。報警事件發(fā)生后，報警源或是來(lái)自環(huán)境監測量超標，或是來(lái)自按鍵報警或紅外等傳感器報警后轉換的開(kāi)關(guān)量，經(jīng)編碼鎖存后發(fā)送至單片機。單片機啟動(dòng)中斷處理程序，將報警數據通過(guò)ISP158l芯片轉換成USB總線(xiàn)數據傳送至PC機，PC機譯碼后調用數據庫顯示處置預案，通過(guò)攝像頭記錄報警源現場(chǎng)畫(huà)面。同時(shí)，單片機將報警源代碼通過(guò)7段數碼管進(jìn)行流水顯示，驅動(dòng)語(yǔ)音控制芯片和發(fā)光二極管發(fā)出聲光報警。

　　監控主機的工作原理如圖2所示：

　　4主要軟件模塊

　　監控主機的設計與實(shí)現，難度主要在軟件開(kāi)發(fā)。一方面是由于USB 2．O作為一種先進(jìn)的接口標準，他的協(xié)議規范比較復雜，這種復雜在設備開(kāi)發(fā)中主要體現為固件程序的開(kāi)發(fā)。另一方面要求開(kāi)發(fā)人員對PC機的硬件驅動(dòng)和操作系統比較熟悉，還要求有比較熟練的數據庫編程經(jīng)驗。其軟件設計主要分3個(gè)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(wù)，通過(guò)USB總線(xiàn)發(fā)送和接收數據，處理報警和通信中斷請求。包括4個(gè)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(xiàn)事件，用戶(hù)功能處理等；

　　中斷處理程序(ISR．C) 主要是處理來(lái)自ISPl581的LrSB通信中斷請求和開(kāi)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。響應函數對設備要求進(jìn)行譯碼，確定設備要求的類(lèi)別；

　　USB電氣接口驅動(dòng)(P81．C) 主要是讀寫(xiě)操作，將需傳送的數據與ISP1581芯片之間通信。程序流程如圖4所示。

　　(2)驅動(dòng)程序(ISP81．sys)

　　在單片機固件開(kāi)發(fā)調試通過(guò)后，主機就能正確識別了，并且如果PC機操作系統中有自帶的這種設備的通用驅動(dòng)程序，就無(wú)需再開(kāi)發(fā)任何軟件就可直接使用。否則必須自行開(kāi)發(fā)驅動(dòng)程序。本文采用WinDrivet工具軟件編寫(xiě)驅動(dòng)程序，通過(guò)調用工具中提供的預定義類(lèi)和底層驅動(dòng)接口可以方便地生成符合用戶(hù)要求的驅動(dòng)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(gè)設備安裝信息文件(．inf)，真正的驅動(dòng)程序接口在安裝win[)river時(shí)就已經(jīng)加載了。不過(guò)，WinDrivet更的用途在于可以很方便地調試幾乎所有計算機總線(xiàn)接口設備，在計算機外部設備開(kāi)發(fā)過(guò)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(hù)提供人機會(huì )話(huà)界面，并實(shí)現各種功能，用戶(hù)通過(guò)應用程序對設備實(shí)施控制。應用程序使用最常用的Microsoft VisualC++6．O開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行開(kāi)發(fā)編譯，主要分成2個(gè)子程序：一是操作臺程序(OPERATION．C)?？刂埔曨l畫(huà)面切換，提供人機交互，通過(guò)調用winDriver工具軟件生成的驅動(dòng)程序提供的一些間接控制設備硬件的接口函數，實(shí)現USB通信功能；二是報警處理程序(ALARM．C)。處理單片機報警信號，調用數據庫文件，向使用者提供智能化處置預案。程序流程如圖5所示。

　　5 結 語(yǔ)

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

　　他的特點(diǎn)主要有：

　　(1)監控主機設置對開(kāi)關(guān)量報警的響應，是考慮到安防系統前端傳感器、探測器無(wú)論多么復雜，都是經(jīng)過(guò)門(mén)限判決、信號轉換、編譯碼之后提供給單片機監控主機，因此可用開(kāi)關(guān)量來(lái)模擬一切報警事件的發(fā)生。同時(shí)，按鍵開(kāi)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，結構簡(jiǎn)單，性能穩定可靠，完全可以滿(mǎn)足一般數字信號處理、自動(dòng)控制和數據通信的要求，且成本較低。 (3)基于USB總線(xiàn)的MCU應用系統，本身就是IT業(yè)最熱門(mén)的話(huà)題之一。不僅有利于提高數據傳輸效率，同時(shí)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。