以太网的智能楼字门口机设计

摘要：分析了智能楼宇技术面向全数字化、网络化、集成化、无线化和智能化的发展趋势。在以太网技术和智能楼宁控制技术基础上，开发了基于以太网的智能楼宇门口机。最后，对门口机进行了系统测试与验证，测试结果稳定，运行正常，基本达到设计要求。
关键词：以太网；智能楼宇；门口机

引言
    可视对讲系统已经成为多功能、高效率的现代化住宅的重要保障，对智能楼宇或智能小区的建设有极其重要的作用。开发智能楼字门口机系统将满足广大用户的需求，将智能生活提高到一个新的台阶。

1 可视对讲系统的总体架构
    小区可视对讲系统的拓扑结构主要由3部分组成：楼区可视对讲系统、骨干网络和中心管理机。其结构如图1所示。

2 智能楼宇门口机的系统设计
    在可视对讲系统当中，以太网门口机的主要功能包括可视对讲、多方式开锁、语音提示，更改振铃声音、更改语音提供，支持中文／英文语言菜单，支持自行设置菜单语言选项，支持本地在线搜索网内和室内终端。多方式开锁主要包括远程开锁、密码开锁、IC卡开锁和出门按钮开锁。门口机的功能框图如图2所示。

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2．1 门口机的硬件设计
    门口机的硬件主要由两部分组成，分别是GM8120处理模块和ATmega64控制模块。门口机的设计采用的是双核处理结构，每个核都有其负责的功能。CPU采用的是台湾智原公司的GM8120处理模块，该处理模块是ARM9内核，具有低功耗32位RISC体系结构。GM8120处理模块带有实时多任务的Linux操作系统，其主要负责音视频信号的处理以及网络信号的处理，同时扩展了比较大的存储容量，可以存储比较多的有用数据。
    ATmega64是Atmel公司生产的一款低功耗的8位单片机，在读取一条指令的时候对下一条将要执行的指令进行读取，加快了程序运行速度。ATmega64控制模块主要负责控制和显示部分，具体分为门禁控制部分、开镁部分以及LCD显示部分。同时，GM8120与ATmega64的通信采用串口通信。硬件系统结构框图如图3所示。

2．1．1 门口机核心板的设计
    门口机的GM8120核心板的设计与实现是整个硬件系统的核心，是整个系统的控制中心，其他模块的一些数据都需要传给GM8120处理模块做进一步处理。同时，GM8120处理过后的数据也需要传给其他模块去执行，所以，GM8120核心板是门口机的大脑。GM8120核心板包含了处理器GM8120、存储器，时钟电路以及一些外围电路和接口。该核心板的结构框图如图4所示。

2．1．2 视频解码电路设计
    GM8120处理模块有数字视频输入接口，对于输出是CCIR656／601的CCD／CMOS摄像头，可以直接与GM8120引脚相连接，而对于输出复合视频或S—VIDEO的CCD／CMOS摄像头，需要外接一块解码芯片。本设计采用的是Philips公司生产的SAA7113视频解码芯片，对视频信号进行解码，SAA7113在很多视频产品中都有应用，是一款9位的视频输入处理器，其功能是把输入的模拟视频信号解码成标准的“VPO”数字信号，相当于一种模／数转换器。SAA7113兼容全球大多数标准，在使用的时候必须对其进行初始化，也是按我国的视频标准对寄存器进行配置，对SAA7113初始化是通过I2C总线进行的。
    在本系统中，SAA7113是摄像头与GM8120的桥梁，摄像头输出的是模拟信号，通过SAA7113之后，转换成为标准的数字信号，直接与GM81 20的数字视频接口相连接。SAA7113芯片加一些外围电路就组成了视频解码电路，如图5所示。

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    从摄像头输出的模拟视频信号经过电容耦合与滤波之后，输入到SAA7113的Vin11脚，其他3路视频输入接口没有用到，同时SAA7113还外接了一个24．576 MHz的有源晶振为其提供时钟频率，模拟部分与数字部分分别采用3．3 V电压进行供电，通过I2C总线对SAA7113进行寄存器的配置，地址为4AH和4BH。解码后的输出是从引脚IPD0～IPD7输出的，其输出的是8位标准ITU656信号，直接与GM8120相连。
2．1．3 开锁模块电路的设计
    开锁模块是门蔡的核心，在本系统中，开锁的方式很多，比如远程开锁、密码开锁、IC卡开锁以及出门开关开锁。所有的开锁方式都是通过控制开锁模块来实现的，开锁模块的电路原理如图6所示。

    开锁模块的核心是一个电磁继电器和一个三极管。电磁继电器型号为OMRON G6H-2，该继电器有8个引脚，引脚1接高电平。引脚10接低电平，引脚3、8、4、7、2、9是公共触点。3、4引脚和8、7引脚连接表示常开，3、2引脚和8、9引脚连接表示常闭。
    图6中引脚3和8并联引出一个端口COM，引脚4和7并联引出一个端口NO，引脚2和9并联引出一个端口NC；三极管型号为S8050，由单片机的一个I／O口对三极管进行控制，其原理如下：当DOOR_RELAY为高电平时，三极管的基极电位电平大于发射极，三极管处于导通状态，继电器工作，使继电器开关打到NO端；当DOOR_RELAY为低电平时，S8050截止，继电器不工作，继电器开关打到NC端。
    继电器引出来的两个端COM、NC跟电锁相应引脚相连，电锁采用的是两线电磁镇H9200，电锁电源接到NC端，电锁正级接COM端，电锁负级接地，继电器引出来的NO端接地。当S8050处于截止状态的时候，继电器不工作，两线电磁锁处于工作状态，门锁上；当S8050导通，继电器工作，电锁不工作，门打开。这就是开锁模块的控制过程。
2．2 门口机的软件设计
    以太网门口机的软件设计主要包括4个部分：LCD显示驱动的设计、ATmega64串口驱动的设计、GM8120串口驱动的设计和键盘扫描驱动的设计。结构框图如图7所示。

2．2．1 LOD显示驱动的设计
    LCD驱动设计主要包含以下几个部分，分别是LCD初始化，LCD清屏，LCD列，行以及页的定位，LCD显示数字、汉字和显示图片等。
    LCD初始化函数包含了端口的配置、LCD复位以及LCD显示特性的设置，比如液晶屏显示颜色深浅，选择正显或者反显，显示行列起始地址和LCD打开等等。
2．2．2 ATmega64的串口驱动设计
    ATmega64的UART结构可以分为3部分，分别是时钟生成器、收控制器和发控制器。控制寄存器是被各个单元共享的。时钟生成器包含外部时钟同步逻辑和波特率发生器；收控制器包含奇偶校验器、控制逻辑、移位寄存器和UDR缓存器。发控制器包含一个写缓存、一系列移位寄存器、奇偶校验生成器和控制逻辑。[!--empirenews.page--]
    在本系统中，通过UART0与GM8120进行数据通信。主要包含串口初始化、串口的数据接收与串口的数据发送等。部分程序如下：
    
2．2．3 GM8120的串口驱动设计
    GM8120有4个串口，其串口结构主要包含波特率发生器、16位发送FIFO、16位接收FIFO、状态FIFO、配置与状态寄存器、中断控制器和APB接口等。
    在GM8120的串口接收中，首先要打开串口的接收文件句柄，然后设置波特率，接着对串口参数进行设置，打开串口，开辟一个串口接收线程，进行数据的接收。对接收到的数据进行存储。主要程序函数如下：
    
2．2．4 键盘的扫描驱动设计
    本系统是4×3矩阵键盘，其用到了ATmega64的PF1-PF6 I／O接口，采用的是逐行(列)扫描法。首先判断有无键按下，将全部行线置低电平。然后，检测列线的电平状态，如果有列线为低电平，则证明有键按下；如果列线没有低电平，则说明没有键按下。如果有键按下，则判断键盘的哪一个键按下了，方法是依次置行为低电平其他线为高电平。确定置为低电平的行，然后检测列线状态，如果某列为低电平，则读取出PF口的值，可以判断出是哪个键按下。PF口对应的值以及键盘代表的键值如表1所列。

3 系统测试与验证
    针对门口机，对其完成了高低温测试。测试地点是在重庆邮电大学自动化学院工程实训中心，测试平台为重庆汉巴试验设备有限公司(HANBA)生产的高低温湿热试验箱，型号为HUT703P。该仪器是参照GB10586—89湿热试验箱相应技术生产的。
    在高低温测试中，分高沮和低温两个流程来完成：
    ①低温测试。测试温度范围：-20～0℃，采用定值运行模式，测试时间为45 min；
    ②高温测试。温度范围：0～60℃，同样采用定值运行模式，测试时间为45 min。在持续的低温与高温环境下，对门口机进行了上电运行，门口机运行正常，测试通过。
    验证平台的搭建分两种模式来完成：一种是以智能楼宇梯口机为中心，搭建验证平台；另外一种是把智能楼宇门口机加入智能楼宇系统中对其进行验证。
    第一种方式需要EPA交换机、智能楼宇门口机、电磁锁、出门按钮、有效IC卡以及一些测试工具。连接图如图8所示。

    第二种方式是把智能楼宇门口机放到智能楼宇系统中进行验证，所需设备为智能楼宇门口机、EPA交换机、电磁镇、出门按钮、IC卡、2台室内机、中心管理机以及一些测试工具。连接图如图9所示。

结语
    智能楼宇门口机是智能楼宇控制系统的重要组成部分，是可视对讲系统的核心。其采用以太网技术进行信号的传输，具有功耗低、速度快、成本低、功能强大、资源丰富等特点。同时，其组网非常方便，具有很强的使用价值。本设计讲述了智能楼宇门口机的总体硬件设计和软件设计方案，总体介绍了智能楼宇门口机的功能和在可视对讲系统中的应用。本设计已经在重庆邮电大学自动化学院智能家居实验室得到了很好的应用，系统运行稳定。