基于ADSP-BF533的家庭安全系统设计

 现代传感器技术和网络技术的发展，使得运用现代传感器与计算机技术进行防盗，已成为家庭安全系统发展的必然趋势。文中设计了一种基于ADSP-BF533的家庭安全系统，该系统以BF533为核心处理器，采用MPEG-4视频压缩标准，通过红外探测器检测非法入侵，一旦检测到异常情况，即以短信的形式向用户报警，同时启动视频采集模块获取现场图像信息，并将压缩编码后的视频数据保存到存储设备中，以便用户回放、查看和编辑。与传统的依靠安装防盗门窗的防盗方式和以现场语音报警为手段，以阻吓和告知为目的的报警器相比，本系统具有GSM远程报警和现场图像采集并存储功能，提高了报警的及时陛、可靠性和警情处理的有效性。

1 系统整体方案
     基于BF533的家庭安全系统设计方案，主要由4部分组成，分别为热释电红外检测、CMOS图像采集、GSM报警和图像存储。系统结构框图，如图l所示。热释电红外检测模块与BF533的PF口相连，对室内空间进行检测，一旦检测到非法入侵，立即向DSP发送中断请求，将处于睡眠状态的DSP唤醒工作。GSM短信报警模块与UART接口相连，DSP通过UART口可以控制GSM模块使其发送报警信息。CMOS摄像头连接在PPI接口，PPI口以DMA方式将视频数据搬移到SDRAM中，供DSP进行压缩，存储设备SD卡通过SPI接口与DSP连接，用于保存压缩后的视频码流数据。

2 系统硬件设计
2．1 热释电红外检测电路
    热释电红外检测模块采用BISS0001型热释电红外控制专用芯片完成。当有人在热释电红外传感器的有效检测区域内活动时，传感器将接收到人体发出的红外信号，并将其转变成微弱的脉冲电压信号，此电压信号经BISS0001内部电路放大、鉴幅处理及定时控制后，从输出引脚输出高电平，该高电平连接到DSP的PF口，作为DSP的中断请求信号，唤醒DSP进人工作状态。
2．2 CMOS图像采集电路
    本系统采用Pixelplus公司的P03030K图像传感器完成图像采集功能，P03030K输出30万像素图像，支持多种输出模式和输出数据格式，此处采用QVGA输出模式和YUV4：2：2输出数据格式。P03030K与BF533的PPI口相连接，连接方式，如图2所示，P03030K产生HREF，VSYNC，PCLK这3种同步信号，分别为行同步输出信号、场同步输出信号和输出像素时钟。Y[7：0]为P03030K输出的图像数据信号。BF533使用GPIO的PF0和PF1模拟I2C总线协议，从而实现对P03030K内部寄存器的读写操作。

2．3 GSM报警电路
    GSM报警电路采用西门子公司的TC35模块完成，TC35模块通过MAX232串口接口芯片与DSP的UART口相连接。TC35模块还提供了SIM卡接口，
插入注册后的SIM卡，便能够接入GSM通信网完成短信报警功能。
2．4 图像存储电路
    本系统采用SD卡存储压缩编码后的视频数据，SD卡有两种工作模式：SDIO模式和SPI模式。由于BF533支持SPI接口，故采用SPI模式。BF533的SPI接口数据传输速率最快可达到系统时钟的1／4，按系统时钟为118．8 MHz进行计算，SPI的最高数据率可达到29．7 MB／s，考虑到视频流数据量较大，采用双缓冲机制进行存储，能够满足系统要求。SD卡接口电路，如图3所示。

3 系统软件设计
    系统软件可分为视频采集及压缩程序、GSM短信报警程序和图像存储程序3部分，软件流程图，如图4所示。

3．1 视频采集及压缩程序
    DSP通过I2C接口完成对P03030K图像传感器的初始化，并设置相应的寄存器完成对工作模式、数据输出格式、分辨率、亮度和色度等的设置。P03030K与DSP的PPI口相连，输出图像数据以DMA方式传输到SDRAM中存储，本系统采用乒乓缓冲区的方法传输数据，在内存中开辟两个缓冲区，使用两个头尾相连的描述符链表控制PPI DMA一次传输数据到两个缓冲区中。DMA每采集完一行图像数据之后就产生一次中断，在中断服务程序中使用存储器DMA将数据搬移到片外SDRAM，等待DSP对其进行MPEG-4压缩处理。视频采集流程图，如图5所示。

    DSP对视频数据进行压缩编码时采用MPEG-4标准，由于CMOS图像采集模块输出YUV4：2：2图像，而编码模型的输入为YUV4：2：0图像，故需要对采集到的图像进行色度重采样。DCT和IDCT是编码过程中被频繁调用的两个函数，故采用汇编语言实现且使用Chen的快速算法，此外根据BF533的硬件和编译系统的特点，运用各种方法对MPEG-4编码程序代码进行大量的优化工作，利用循环缓冲技术和DSP提供的各种像素操作指令和向量操作指令对PADDING算法、运动矢量预测、SAD最小搜索算法和半像素内插等需要反复执行的过程进行汇编优化，充分发挥BF533的并行处理能力。在内存分配方面，在SDRAM中开辟了4个帧缓冲器，分别用于保存当前编码帧、当前参考帧、下一编码帧和下一参考帧数据。DSP的片内RAM容量较小，但是访问速度较快，而MPEG-4的最小编码单元是宏块，所以可以将宏块从片外SDRAM转移到片内RAM中进行处理，处理结束后再存到SDRAM中。另外为了加快数据块搬移速度，充分利用BF533强大的DMA能力完成数据传输操作，同时将CPU频繁访问的程序和数据放在片上缓存中，并充分利用乒乓缓冲结构，提高编码效率。
    MPEG-4编码流程，如图6所示。

3．2 GSM短信报警程序
    在红外探测器检测到有人入侵时，DSP将立即向户主发送短信报警信息，以便用户采取措施。BF533通过UART口发送AT指令，实现对TC35模块的控制，发送“AT+CMGF=1”设置短信发送模式为文本模式，发送“AT+CREG?”查询网络注册情况，发送“AT+CMGS=13572472507”再加上短信内容，即可以实现向目标手机发送报警信息的目的。由于采用文本发送模式，故不能发送中文文字，本系统选择发送英文字符“Danger”。
3．3 图像存储程序
    压缩后的视频流数据将以文件的形式写入SD卡中。在进行写卡操作前，先要对SD卡初始化，设置其为SPI工作模式。SD卡的寻址方式是按字节寻址的，为加快速度，将其设置为扇区寻址，每个扇区512 bit，写一个扇区的函数部分程序段如下：

    其中，sector为要写的扇区号，buff指向需要保存的数据流，SPI_transfer_byte为通过SPI口向SD卡传输l bit的函数，SD_write_block为SD卡写命令的编码。

4 结束语
    本系统依托目前覆盖率较高的GSM公共网络，利用现有的无线通信业务和短消息服务业务，实现了远程报警功能，且不受地域和时间的限制，并采用CMOS摄像头采集现场图像，提高了警情处理的效率。经测试证明，该系统稳定、可靠，报警准确、及时，图像采集的帧率为15 f·s-1，单帧图像的分辨率为320×240，能够满足用户需求。