童世華

(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用系，重慶401331)

智能樓宇技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分，是物聯(lián)網(wǎng)的重要研究課題之一。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的以太網(wǎng)技術(shù)，具有全開(kāi)放、成本低、帶寬寬、穩(wěn)定性和可靠性高、應(yīng)用廣泛、共享資源豐富等優(yōu)點(diǎn)［1］。將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的研究領(lǐng)域，使智能樓宇系統(tǒng)進(jìn)入全數(shù)字通信時(shí)代，它將最大限度減少樓宇中間設(shè)備，使樓宇對(duì)講系統(tǒng)組網(wǎng)更加簡(jiǎn)單快捷，在數(shù)據(jù)的傳輸距離上也有很大的提高［2-3］。將以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的研究領(lǐng)域，其主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)了從管理層到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制層通信協(xié)議的兼容和統(tǒng)一;向低成本、低電壓、微功耗、微封裝和綠色化發(fā)展;向家居自動(dòng)化、家用智能電器的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展;帶寬寬和共享資源豐富。

1 智能樓宇梯口機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在智能樓宇系統(tǒng)中，智能樓宇可視對(duì)講系統(tǒng)是其重要的組成部分［4］。基于以太網(wǎng)的智能樓宇系統(tǒng)組網(wǎng)非常簡(jiǎn)單，用市場(chǎng)上通用的交換機(jī)就可以組網(wǎng)，每一臺(tái)設(shè)備只需要1根網(wǎng)線即可，不需要專門的音視頻信號(hào)線，1根網(wǎng)線就完成了所有信號(hào)的傳輸，包括音視頻信號(hào)，大幅度降低了線纜成本、布線成本以及安裝成本。如圖1所示，每一棟樓只需要1臺(tái)梯口機(jī)，以及若干室內(nèi)機(jī)，室內(nèi)機(jī)通過(guò)樓層交換機(jī)連接起來(lái)，形成一個(gè)小的局域網(wǎng)絡(luò)，樓層交換機(jī)把若干棟樓連接起來(lái)，形成一個(gè)大的局域網(wǎng)絡(luò)，再由路由器把樓層交換機(jī)連接起來(lái)，接到中心管理處，中心管理處可以對(duì)整個(gè)小區(qū)進(jìn)行管理，同時(shí)也可以把一些有用的信息下發(fā)給用戶，也可以通過(guò)路由器把小區(qū)的智能樓宇設(shè)備連接到Internet上，從而用戶可以對(duì)自己的家庭進(jìn)行遠(yuǎn)程控制［5］。

智能樓宇梯口機(jī)除了實(shí)現(xiàn)可視對(duì)講及開(kāi)鎖功能以外，還有許多其他功能，比如支持語(yǔ)音提示功能，用戶可以更改振鈴聲音、更改語(yǔ)音提供;支持中文/英文語(yǔ)言菜單，用戶可以自行設(shè)置菜單語(yǔ)言選項(xiàng);支持本地在線搜索網(wǎng)內(nèi)室內(nèi)終端功能，方便施工/調(diào)試;支持背光調(diào)節(jié)和節(jié)電模式功能［6］。

2 智能樓宇梯口機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

梯口機(jī)的硬件主要由兩部分組成，分別是GM8120核心處理模塊和Mega64控制模塊，如圖2所示。梯口機(jī)的設(shè)計(jì)采用雙核處理結(jié)構(gòu)，每個(gè)核都有其負(fù)責(zé)的功能。GM8120處理模塊帶有實(shí)時(shí)多任務(wù)Linux操作系統(tǒng)，其主要負(fù)責(zé)音視頻信號(hào)的處理以及網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的處理，同時(shí)擴(kuò)展了比較大的存儲(chǔ)容量，可以存儲(chǔ)比較多的有用數(shù)據(jù);Mega64控制模塊主要是負(fù)責(zé)控制和顯示部分，具體分為門禁控制部分、開(kāi)鎖部分以及LCD顯示部分。同時(shí)，GM8120與Mega64的通信采用串口通信。

圖1 梯口機(jī)與智能樓宇系統(tǒng)連接圖

圖2 梯口機(jī)總體結(jié)構(gòu)框圖

梯口機(jī)的GM8120核心模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心，是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，其他模塊的一些數(shù)據(jù)都需要傳給GM8120處理器做進(jìn)一步處理。同時(shí)，GM8120處理過(guò)后的數(shù)據(jù)也需要傳給其他模塊去執(zhí)行，所以GM8120核心板是梯口機(jī)的大腦。GM8120核心板包含了處理器GM8120、存儲(chǔ)器、時(shí)鐘電路以及一些外圍電路和接口。

控制模塊的設(shè)計(jì)也是梯口機(jī)比較重要的部分，控制模塊上包含了一片AVR單片機(jī)，許多控制功能都是在主控板上實(shí)現(xiàn)的。具體來(lái)說(shuō)，控制模塊實(shí)現(xiàn)的功能有整個(gè)系統(tǒng)的供電、LCD顯示功能、攝像頭的視頻輸入、音頻輸入輸出、硬件消回聲等，而其中核心器件是AVR單片機(jī)，具體型號(hào)采用的是Mega64，開(kāi)鎖、LCD顯示以及刷卡模塊的數(shù)據(jù)讀入等，都是依靠Mega64來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3 智能樓宇梯口機(jī)驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 LCD顯示驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

LCD驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)主要包含以下幾個(gè)部分，分別是LCD初始化，LCD清屏，列、行以及頁(yè)的定位，顯示數(shù)字、漢字和顯示圖片等。下面就LCD清屏進(jìn)行分析。LCD清屏主要是清除每個(gè)PAGE上的值，PAGE實(shí)際表示一個(gè)擁有8個(gè)高點(diǎn)的行，因?yàn)長(zhǎng)CD的分辨力為128×64，計(jì)算得到有8個(gè)PAGE，所以要設(shè)置一個(gè)循環(huán)，把每個(gè)PAGE上的值清除。具體實(shí)現(xiàn)如下：

3.2 串口驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)中，ATmega64與GM8120是通過(guò)串口來(lái)進(jìn)行通信，所以串口驅(qū)動(dòng)包括兩部分，一部分是AVR單片機(jī)的串口驅(qū)動(dòng);一部分是 GM8120的串口收發(fā)驅(qū)動(dòng)。以GM8120串口驅(qū)動(dòng)為例，介紹其數(shù)據(jù)收發(fā)以及程序代碼。

GM8120有4個(gè)串口，其串口結(jié)構(gòu)主要包含有波特率發(fā)生器、16位發(fā)送FIFO、16位接收FIFO、狀態(tài)FIFO、配置與狀態(tài)寄存器、中斷控制器和APB接口等。在GM8120的串口接收中，首先要打開(kāi)串口的接收文件句柄，然后設(shè)置波特率，而后對(duì)串口參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，再打開(kāi)串口，開(kāi)辟一個(gè)串口接收線程，進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

主要程序函數(shù)如下：

3.3 鍵盤掃描驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)是4×3矩陣鍵盤，其用到了ATmega64L的PF1～PF6 I/O接口，采用的是逐行(列)掃描法，首先是判斷有無(wú)鍵按下，將全部行線置低電平，然后檢測(cè)列線的電平狀態(tài)，如果有列線為低電平，證明有鍵按下，若列線沒(méi)有低電平，說(shuō)明沒(méi)有鍵按下;如果有鍵按下，然后判斷鍵盤的哪一位鍵按下了，方法是依次置行為低電平，其他線為高電平，確定置為低電平的行，然后檢測(cè)列線狀態(tài)，如果某列為低電平，則讀取出PF口的值，可以判斷出是哪個(gè)鍵按下，PF口對(duì)應(yīng)的值以及鍵盤代表的鍵值如表1所示。

表1 PF口對(duì)應(yīng)的值以及鍵盤代表的鍵值

4 驗(yàn)證平臺(tái)的搭建

把智能樓宇梯口機(jī)放到智能樓宇系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證，所需設(shè)備為智能樓宇梯口機(jī)、交換機(jī)、電磁鎖、出門按鈕、IC卡、2臺(tái)室內(nèi)機(jī)、中心管理機(jī)以及一些測(cè)試工具。驗(yàn)證平臺(tái)的搭建過(guò)程［7］，首先把電磁鎖、出門按鈕接在梯口機(jī)的相關(guān)接口上，把梯口機(jī)與交換機(jī)用網(wǎng)線進(jìn)行連接，然后把2臺(tái)室內(nèi)機(jī)和中心管理機(jī)分別與EPA交換機(jī)用網(wǎng)線進(jìn)行連接，檢查電路連接，看是否有短路現(xiàn)象，連接如圖3所示。

圖3 梯口機(jī)系統(tǒng)驗(yàn)證連接圖

測(cè)試智能樓宇的以太網(wǎng)通信、可視對(duì)講、遠(yuǎn)程控制以及梯口機(jī)自身的相關(guān)功能。其驗(yàn)證過(guò)程如下：

1)打開(kāi)交換機(jī)和中心管理機(jī)(這里采用上PC機(jī)代替)，使系統(tǒng)處于供電狀態(tài)。

2)配置智能樓宇梯口機(jī)、室內(nèi)機(jī)和中心管理機(jī)的IP地址和子網(wǎng)掩碼，使這幾臺(tái)以太網(wǎng)設(shè)備處于同一網(wǎng)段，然后配置梯口機(jī)與室內(nèi)機(jī)的服務(wù)器地址，服務(wù)器地址為中心管理機(jī)的IP地址。

3)打開(kāi)中心管理軟件，查看設(shè)備上線情況。

4)使用梯口機(jī)呼叫第一臺(tái)室內(nèi)機(jī)，進(jìn)行可視對(duì)講，驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)通信、音視頻質(zhì)量以及系統(tǒng)延時(shí)。

5)在可視對(duì)講過(guò)程中按開(kāi)鎖鍵，確認(rèn)電磁鎖打開(kāi)，以及梯口機(jī)的語(yǔ)音提示。

6)在室內(nèi)機(jī)上監(jiān)視梯口機(jī)，驗(yàn)證室內(nèi)機(jī)對(duì)梯口機(jī)的監(jiān)視功能。

7)使梯口機(jī)呼叫中心管理機(jī)，進(jìn)行可視對(duì)講，驗(yàn)證音視頻質(zhì)量。

8)在中心管理機(jī)上監(jiān)視梯口機(jī)，驗(yàn)證監(jiān)視功能。

9)在中心管理機(jī)上按開(kāi)鎖鍵，驗(yàn)證中心管理機(jī)對(duì)梯口機(jī)的遠(yuǎn)程開(kāi)鎖功能以及實(shí)時(shí)性。

10)在梯口機(jī)上使用有效IC卡刷卡，中心管理軟件上是否有刷卡記錄。

11)在梯口機(jī)上使用無(wú)效IC卡刷卡，中心管理軟件上是否有報(bào)警消息產(chǎn)生。

驗(yàn)證結(jié)果：系統(tǒng)能正常工作，可視對(duì)講正常，音視頻質(zhì)量較好，室內(nèi)機(jī)遠(yuǎn)程開(kāi)鎖正常，梯口機(jī)能與中心管理機(jī)進(jìn)行正?？梢晫?duì)講，梯口機(jī)能監(jiān)視梯口機(jī)，中心管理軟件能檢查到梯口機(jī)的上線信息，功能測(cè)試正常，可視對(duì)講視頻質(zhì)量較高，很好地滿足了系統(tǒng)要求。圖4為可視對(duì)講視頻質(zhì)量圖?？傮w驗(yàn)證結(jié)果顯示，梯口機(jī)滿足智能樓宇系統(tǒng)要求，達(dá)到項(xiàng)目所需性能。

圖4 可視對(duì)講視頻質(zhì)量圖

5 總結(jié)

該設(shè)計(jì)全面考慮項(xiàng)目對(duì)梯口機(jī)的需求，突出了梯口機(jī)在高速、低功耗、全數(shù)字和以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)等方面的優(yōu)勢(shì)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，以智源科技的GM8120處理器為核心來(lái)實(shí)現(xiàn)。GM8120處理器包含有ARM9的處理器和視頻MPEG-4全硬件編解碼器，芯片資源豐富，在很大程度上節(jié)約了開(kāi)發(fā)成本，提高了性能，減低了成本，使其具有很好的使用價(jià)值。

［1］王再英，韓養(yǎng)社，高虎賢.樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)原理與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［2］黎連業(yè)，單銀根，向東明.綜合布線系統(tǒng)弱電工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［3］陳東.OrCAD電路設(shè)計(jì)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.

［4］GB/T 5031l—2000，建筑與建筑群綜合布線系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)劃［S］.2000.

［5］ROSENBERG J，SEHULZRINNE H，CAMARILLO G，et al.SIP tension initiation protocol［S］.2010.

［6］SRISURESH P，EGEVANG K.Traditional IP network address translator(Traditional NAT)［S］.2010.

［7］ROSENBERG J，WEINBERGER J，HUITEMA C，et al.STUN simple traversal of user day.Protocol(UDP)through network address translators(NATs)［S］.2010.