基于SoPC的多用途無線監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)

室內(nèi)監(jiān)控和車輛監(jiān)控受到人們普遍關(guān)注，現(xiàn)有的室內(nèi)監(jiān)控手段存儲(chǔ)空間消耗大，用戶不能隨時(shí)主動(dòng)查看現(xiàn)場，且費(fèi)用昂貴；而車輛監(jiān)控系統(tǒng)不能實(shí)時(shí)直觀查看車輛運(yùn)行路線。

針對(duì)現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)中存在的不足，本文設(shè)計(jì)了一種基于SoPC的室內(nèi)、車內(nèi)兩用的多用途無線監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)用戶可隨時(shí)遠(yuǎn)程主動(dòng)監(jiān)控現(xiàn)場，或以智能報(bào)警方式監(jiān)控現(xiàn)場；手機(jī)上的車輛跟蹤軟件攔截車輛報(bào)警信息把路線顯示在Google靜態(tài)地圖上，方便用戶直接查看。緊急情況發(fā)生時(shí)，用戶還可通過手動(dòng)方式報(bào)警。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)分為現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)和用戶端子系統(tǒng)兩部分，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)可工作在室內(nèi)或車內(nèi)，兩種情況下都有智能監(jiān)控、智能報(bào)警和手動(dòng)報(bào)警模式。用在室內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)通過人體傳感器和攝像頭采集現(xiàn)場信息；用在車內(nèi)時(shí)，通過GPS模塊接收車輛地理位置信息，通過攝像頭采集現(xiàn)場圖像。采集到的現(xiàn)場信息送入FPGA中的嵌入式軟核Nios II做智能檢測。系統(tǒng)通過GPRS模塊接收用戶的控制命令，同時(shí)以短信和彩信的方式向用戶發(fā)送現(xiàn)場信息。用戶端子系統(tǒng)的車輛跟蹤軟件可實(shí)現(xiàn)車輛報(bào)警信息攔截和路線顯示，便于用戶查看。

智能監(jiān)控模式下系統(tǒng)監(jiān)控，但不主動(dòng)發(fā)送報(bào)警信息，用戶可隨時(shí)主動(dòng)發(fā)送短信要求查看。智能報(bào)警模式下系統(tǒng)自動(dòng)檢測現(xiàn)場是否發(fā)生異常，異常時(shí)發(fā)送短信和彩信向用戶報(bào)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；無異常時(shí)每三分鐘存儲(chǔ)一幅圖像，這種自適應(yīng)存儲(chǔ)機(jī)制能用較少的存儲(chǔ)資源存儲(chǔ)盡可能多的信息。若用戶在場時(shí)發(fā)生緊急情況，可通過一個(gè)隱蔽的報(bào)警按鍵實(shí)現(xiàn)手動(dòng)報(bào)警。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括SoPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)和TR800模塊硬件電路設(shè)計(jì)兩部分。

2.1 SoPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主控制芯片是一片F(xiàn)PGA，結(jié)合SoPC技術(shù)，在FPGA中加入了嵌入式軟核Nios II，通過Avalon總線與外圍設(shè)備建立聯(lián)系。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。


2.1.1 攝像頭控制器設(shè)計(jì)

攝像頭用于采集現(xiàn)場（包括車內(nèi)和室內(nèi)）圖像，本系統(tǒng)CMOS攝像頭采集到的圖像信息為數(shù)字信號(hào)，無需模數(shù)轉(zhuǎn)換，可簡化電路設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)

人體傳感器用于判斷室內(nèi)是否有人進(jìn)入。系統(tǒng)的人體感應(yīng)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(qiáng)、感應(yīng)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，處理器通過查詢狀態(tài)寄存器可知道是否有人。

2.1.3 GPS控制器設(shè)計(jì)

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

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

2.1.4 SD卡控制器設(shè)計(jì)

SD卡可工作在SD和SPI兩種模式下，本系統(tǒng)采用SPI模式。SD卡與FPGA之間通過片選、數(shù)據(jù)輸入、時(shí)鐘和數(shù)據(jù)輸出四根信號(hào)線通信，速度雖然比SD模式低，但接口簡單，能滿足系統(tǒng)要求。本系統(tǒng)兼容SD1.1和SD2.0兩種協(xié)議，SD卡控制器自動(dòng)識(shí)別SD卡需要的協(xié)議類型并執(zhí)行相應(yīng)的讀寫方式。

SD卡控制器框圖如圖3所示。AVALON總線接口模塊是Nios II處理器和SD卡控制器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的橋梁。復(fù)位初始化模塊要保證片選信號(hào)在上電后的74個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)為高，完成復(fù)位。此后通過命令讀寫控制模塊發(fā)送CMD0命令給SD卡使其進(jìn)入SPI模式。命令讀寫控制模塊按照SD卡命令時(shí)序完成SD卡命令號(hào)、參數(shù)、命令校驗(yàn)的發(fā)送和命令回執(zhí)的讀取，如果是讀寫操作還要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送和接收，雙口RAM用作讀寫數(shù)據(jù)緩存。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和時(shí)鐘產(chǎn)生模塊完成SD卡和Avalon總線間信號(hào)的時(shí)序轉(zhuǎn)換。


2.2 TR800模塊硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用iWOW公司的GPRS模塊TR800實(shí)現(xiàn)無線通信。TR800硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。SIM卡是每個(gè)現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)的ID，揚(yáng)聲器用于用戶向現(xiàn)場喊話，麥克風(fēng)用于捕獲現(xiàn)場聲音，方便用戶監(jiān)聽。TR800通過串口芯片RS232與FPGA通信。


3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)的軟件功能模塊及其聯(lián)系如圖5所示。系統(tǒng)只響應(yīng)有權(quán)限用戶的訪問，用戶權(quán)限數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡的隱藏扇區(qū)，即使格式化也不丟失。用戶可通過短信對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用戶管理，包括設(shè)置管理員、添加或刪除用戶、密碼設(shè)置等。


3.1.1 JPEG圖像壓縮

JPEG壓縮的目的是減少傳輸和存儲(chǔ)時(shí)所耗的資源。JPEG壓縮處理時(shí)要先把RGB空間轉(zhuǎn)換到Y(jié)UV空間。為簡化計(jì)算采用查表方式進(jìn)行。轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)采用AAN算法，極大提高了運(yùn)算速度。變換后采用Z形掃描和量化，以去除高頻分量。系統(tǒng)對(duì)直流系數(shù)和交流系數(shù)分別進(jìn)行霍夫曼編碼完成壓縮。

3.1.2 TR800模塊軟件設(shè)計(jì)

為保證TR800模塊的正常工作，上電后要先對(duì)其進(jìn)行語音、短信和彩信的初始化設(shè)置。語音業(yè)務(wù)方面，通過發(fā)送ATS0=2設(shè)置兩聲后自動(dòng)接聽。短信初始化主要包括短信息編碼格式和提醒格式設(shè)置。彩信業(yè)務(wù)方面，要設(shè)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AT指令實(shí)現(xiàn)，短信的接收用串口檢測程序?qū)崿F(xiàn)接收和短信內(nèi)容解析。

3.1.3 FAT32文件系統(tǒng)

FAT32文件系統(tǒng)的FAT表有32位，若FAT表常駐內(nèi)存，它占用的內(nèi)存資源將很大，同時(shí)對(duì)處理器造成很大壓力。因此本系統(tǒng)工作時(shí)只是不斷地新增文件或目錄存儲(chǔ)現(xiàn)場圖像，而不對(duì)文件進(jìn)行刪除或修改操作。

3.2 手機(jī)端車輛跟蹤軟件設(shè)計(jì)

車輛跟蹤軟件用于自動(dòng)提取車輛報(bào)警短信信息，把車輛行駛路線顯示在手機(jī)上。

Windows Mobile智能手機(jī)中，IMailRuleClient 接口處理應(yīng)用程序內(nèi)的傳入消息，而MAPI 規(guī)則客戶端(MAPI Rule Client)是可以實(shí)現(xiàn)IMailRuleClient接口的COM對(duì)象。編寫代碼攔截含GPS信息的短信并提取其中的經(jīng)緯度信息，根據(jù)經(jīng)緯度在Google靜態(tài)地圖中顯示車輛行駛路線。將上述短信攔截和處理代碼生成dll文件，然后調(diào)用該dll并修改注冊(cè)表。注冊(cè)時(shí)，收件箱應(yīng)用程序?qū)?huì)加載MAPI規(guī)則客戶端。注冊(cè)后，傳入的SMS消息會(huì)傳遞給MAPI規(guī)則客戶端，由它決定如何處理該傳入消息。由此實(shí)現(xiàn)手機(jī)上的車輛跟蹤軟件設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)通過無線方式實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)和車輛的遠(yuǎn)程監(jiān)視監(jiān)聽和智能報(bào)警，并能在發(fā)生緊急情況時(shí)手動(dòng)報(bào)警，方便了用戶對(duì)室內(nèi)和車輛的監(jiān)控。系統(tǒng)的用戶終端是手機(jī)，操作方便，便于用戶及時(shí)接收信息且不需要其他設(shè)備。此外由于自適應(yīng)存儲(chǔ)機(jī)制的引入，使系統(tǒng)能存儲(chǔ)大量的現(xiàn)場信息，即使用戶沒能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，存儲(chǔ)的信息對(duì)案發(fā)后的調(diào)查也會(huì)有很大幫助。車輛跟蹤軟件可方便用戶實(shí)時(shí)直觀地查看車輛路線?？傊到y(tǒng)為室內(nèi)遠(yuǎn)程無線監(jiān)控報(bào)警和車輛無線跟蹤提供了一種切實(shí)可行的實(shí)現(xiàn)方案。