家居安防系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(xué)院 上海 201300；2．國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院湖南長(zhǎng)沙410073)

　　l 引 言

　　安防監(jiān)控系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，是一項(xiàng)專業(yè)性很強(qiáng)的實(shí)用技術(shù)。普遍認(rèn)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(yùn)用各種高科技裝備及手段，系統(tǒng)、實(shí)時(shí)、全面、不間斷地對(duì)人、設(shè)備及周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)督、控制的一系列設(shè)備的總和。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展進(jìn)步，安防監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用普及越來越廣，科技含量越來越高。先進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)集中體現(xiàn)了現(xiàn)代科學(xué)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(gè)結(jié)晶和縮影。當(dāng)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(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總線和單片機(jī)構(gòu)成的監(jiān)控主機(jī)設(shè)計(jì)方案。該主機(jī)具備一定的智能化控制功能，在個(gè)人計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)硬件驅(qū)動(dòng)和監(jiān)控應(yīng)用軟件開發(fā)，具有較高性價(jià)比，適用于一般民居等場(chǎng)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(jī)的設(shè)計(jì)要求主要包括：采用多媒體計(jì)算機(jī)輔助控制、硬盤錄像等技術(shù)，通過程序?qū)崿F(xiàn)預(yù)警、遠(yuǎn)程傳輸、遠(yuǎn)程控制功能。有較強(qiáng)的防范能力及報(bào)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(yīng)信號(hào)報(bào)警、調(diào)用相應(yīng)的攝像機(jī)畫面、發(fā)出聲光警報(bào)，并能根據(jù)報(bào)警信號(hào)的來源和性質(zhì)做出一定的判斷，向職守人員提供相應(yīng)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(qiáng)度，加強(qiáng)快速反應(yīng)能力等。 基于信號(hào)捕獲及處理流程，安防系統(tǒng)主要有5個(gè)部分：

　　信號(hào)采集與處理 包括紅外、煙感、溫敏、壓力、斷路、微波等傳感器對(duì)光、電、熱、力、位移等物理量變化以及視頻、開關(guān)信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)換，并依據(jù)規(guī)則進(jìn)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(yīng)與自動(dòng)控制 主要是進(jìn)行自檢掃描，對(duì)各種預(yù)設(shè)的情況及報(bào)警事件作出中斷響應(yīng)。

　　人機(jī)交互 通過USB總線實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)之間通信，通過安防監(jiān)控軟件向監(jiān)控主機(jī)發(fā)出指令，接收數(shù)據(jù)和請(qǐng)求，并根據(jù)報(bào)警事件提供處置預(yù)案。

　　遠(yuǎn)程通信與控制 基于PSTN，通過MODEM與遠(yuǎn)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(jī)是一個(gè)基于嵌入式控制器的MCU應(yīng)用系統(tǒng)，該嵌入式控制器采用51系列單片機(jī)，他負(fù)責(zé)完成設(shè)備大部分的控制功能。另一方面，因基于USB總線通信，故對(duì)PC機(jī)而言，監(jiān)控主機(jī)又如同一個(gè)待識(shí)別的USB外設(shè)。主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)采用單片機(jī)+CPLD構(gòu)成的控制核心，通過LISB接口芯片與PC機(jī)交換數(shù)據(jù)。其中，單片機(jī)采用的是通用的51系列單片機(jī)AT89C52，當(dāng)然完全可以用其他的51系列單片機(jī)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(qiáng)、支持高速USB系統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)、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(jī)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(jī)循環(huán)掃描等待，溫度、濕度等各種環(huán)境監(jiān)測(cè)量實(shí)時(shí)傳送至PC機(jī)顯示．PC機(jī)按照預(yù)先設(shè)置，順序切換視頻監(jiān)控畫面。

　　(2)處置報(bào)警狀態(tài)。報(bào)警事件發(fā)生后，報(bào)警源或是來自環(huán)境監(jiān)測(cè)量超標(biāo)，或是來自按鍵報(bào)警或紅外等傳感器報(bào)警后轉(zhuǎn)換的開關(guān)量，經(jīng)編碼鎖存后發(fā)送至單片機(jī)。單片機(jī)啟動(dòng)中斷處理程序，將報(bào)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(jī)，PC機(jī)譯碼后調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)顯示處置預(yù)案，通過攝像頭記錄報(bào)警源現(xiàn)場(chǎng)畫面。同時(shí)，單片機(jī)將報(bào)警源代碼通過7段數(shù)碼管進(jìn)行流水顯示，驅(qū)動(dòng)語(yǔ)音控制芯片和發(fā)光二極管發(fā)出聲光報(bào)警。

　　監(jiān)控主機(jī)的工作原理如圖2所示：

　　4主要軟件模塊

　　監(jiān)控主機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(jìn)的接口標(biāo)準(zhǔn)，他的協(xié)議規(guī)范比較復(fù)雜，這種復(fù)雜在設(shè)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(duì)PC機(jī)的硬件驅(qū)動(dòng)和操作系統(tǒng)比較熟悉，還要求有比較熟練的數(shù)據(jù)庫(kù)編程經(jīng)驗(yàn)。其軟件設(shè)計(jì)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USB總線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，處理報(bào)警和通信中斷請(qǐng)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(qǐng)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(qǐng)求和開關(guān)量報(bào)警的中斷請(qǐng)求；

　　LJSB協(xié)議(USB．C) 主要功能就是響應(yīng)主機(jī)提出的USB設(shè)備識(shí)別要求。響應(yīng)函數(shù)對(duì)設(shè)備要求進(jìn)行譯碼，確定設(shè)備要求的類別；

　　USB電氣接口驅(qū)動(dòng)(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(dòng)程序(ISP81．sys)

　　在單片機(jī)固件開發(fā)調(diào)試通過后，主機(jī)就能正確識(shí)別了，并且如果PC機(jī)操作系統(tǒng)中有自帶的這種設(shè)備的通用驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序。本文采用WinDrivet工具軟件編寫驅(qū)動(dòng)程序，通過調(diào)用工具中提供的預(yù)定義類和底層驅(qū)動(dòng)接口可以方便地生成符合用戶要求的驅(qū)動(dòng)程序，不足之處是獨(dú)立性不好，適用范圍有限。因?yàn)槭褂脀inDrivet只提供一個(gè)設(shè)備安裝信息文件(．inf)，真正的驅(qū)動(dòng)程序接口在安裝win[)river時(shí)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(jì)算機(jī)總線接口設(shè)備，在計(jì)算機(jī)外部設(shè)備開發(fā)過程中能夠起到很好的幫助作用。 (3)應(yīng)用程序

　　應(yīng)用程序是處在應(yīng)用層的上層軟件，他面向用戶提供人機(jī)會(huì)話界面，并實(shí)現(xiàn)各種功能，用戶通過應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備實(shí)施控制。應(yīng)用程序使用最常用的Microsoft VisualC++6．O開發(fā)環(huán)境進(jìn)行開發(fā)編譯，主要分成2個(gè)子程序：一是操作臺(tái)程序(OPERATION．C)?？刂埔曨l畫面切換，提供人機(jī)交互，通過調(diào)用winDriver工具軟件生成的驅(qū)動(dòng)程序提供的一些間接控制設(shè)備硬件的接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)USB通信功能；二是報(bào)警處理程序(ALARM．C)。處理單片機(jī)報(bào)警信號(hào)，調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)文件，向使用者提供智能化處置預(yù)案。程序流程如圖5所示。

　　5 結(jié) 語(yǔ)

　　本文提出的家居安防系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案，具備較強(qiáng)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(diǎn)主要有：

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

　　(2)應(yīng)用成熟的51系列單片機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，完全可以滿足一般數(shù)字信號(hào)處理、自動(dòng)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(yīng)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(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(yīng)用前景。