戴智鑫
摘要:隨著經(jīng)濟(jì)和各行各業(yè)的快速發(fā)展,隨著電子行業(yè)的發(fā)展,如今自動(dòng)門經(jīng)常出現(xiàn)在日常生活中,如機(jī)場(chǎng)、醫(yī)院、超市、商務(wù)樓等公共場(chǎng)所中,或是作為智能家居進(jìn)入人們的生活,根據(jù)不同的需求,在自動(dòng)開關(guān)門功能的基礎(chǔ)上能添加各種其他功能,例如防夾手功能、時(shí)鐘溫度顯示、語音提示功能、人臉識(shí)別功能等等。智能家居已經(jīng)逐步進(jìn)入人們的生活,但是智能家居門控制系統(tǒng)面世的卻很少。本論文設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)控制器的智能門系統(tǒng),該系統(tǒng)安裝方便,可以應(yīng)用于一般居家生活門中。選用IAP15F2K61S2單片機(jī)作為主控芯片,通過繼電器的開關(guān)模擬家居門的開和關(guān);安裝超聲波的發(fā)射接收模塊在門正上方用于測(cè)量人體距離,利用各種傳感器將開關(guān)門信號(hào)和夾手信號(hào)傳輸給主控芯片。在白天與夜晚自動(dòng)進(jìn)入密碼鎖模式,更加智能安全。該智能系統(tǒng)適用在多種場(chǎng)景,如公司、商場(chǎng)、家居等。
關(guān)鍵詞:門控系統(tǒng);遠(yuǎn)程遙控;視頻監(jiān)控;防盜報(bào)警
引言
伴隨著樓宇自動(dòng)化的發(fā)展,門控系統(tǒng)在現(xiàn)代樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用十分廣泛,它提高了住宅區(qū)的生活質(zhì)量和人們生活的安全性。門控系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的門鎖基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,在出入較多的通道中,傳統(tǒng)門鎖的管理會(huì)特別麻煩。為了解決這樣的問題,出現(xiàn)了電子密碼鎖,這種鎖的出現(xiàn)從一定程度上提高了人們對(duì)出入口通道的管理效率,使通道管理進(jìn)入了電子時(shí)代。綜合市場(chǎng)上的樓宇對(duì)講系統(tǒng)和電子密碼鎖,本文設(shè)計(jì)出集合兩種功能并且自帶防盜報(bào)警的多功能門控系統(tǒng)。通過對(duì)門禁系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件調(diào)試,基本實(shí)現(xiàn)了一般的高層住宅小區(qū)應(yīng)用的需要,住戶通過密碼輸入能夠順利的進(jìn)入,住戶或外來客人還能通過門號(hào)呼叫及對(duì)講的方式進(jìn)入,如果遇到異常如非法入侵、超時(shí)未關(guān)門等情況時(shí)就啟動(dòng)報(bào)警。與市場(chǎng)上在銷售的門禁系統(tǒng)相比,價(jià)格上有很大的優(yōu)惠,所以還是有很大的推廣前景的。同時(shí),在降低成本的基礎(chǔ)上還考慮采用其它的技術(shù)對(duì)門控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和升級(jí),達(dá)到智能化的水平。
1門控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路
目前市場(chǎng)上已經(jīng)在銷售的門控系統(tǒng)主要有三大類:密碼門控系統(tǒng)、刷卡門控系統(tǒng)和生物識(shí)別門控系統(tǒng)。隨著電子信息技術(shù)的高速發(fā)展,門控系統(tǒng)的識(shí)別更為先進(jìn),設(shè)計(jì)更加合理,控制器與識(shí)別儀分體設(shè)計(jì),在安全性方面有很大的提高,系統(tǒng)的可靠性、管理和使用的方便性等方面也有很大的進(jìn)步。本文所設(shè)計(jì)的門控系統(tǒng)主要是應(yīng)用于一般的高層住宅小區(qū),而目前市場(chǎng)上已經(jīng)在銷售的門控系統(tǒng)的價(jià)格比較高,而一般的高層住宅小區(qū)如果使用現(xiàn)有的門控系統(tǒng),就增加了一定的成本。綜合考慮到實(shí)際應(yīng)用的需要,希望設(shè)計(jì)出一種具備以下功能的門控系統(tǒng):通過密碼輸入進(jìn)入大門、門號(hào)呼叫及對(duì)講、異常報(bào)警等功能,并且能夠大大的降低成本。
2硬件電路設(shè)計(jì)
2.1超聲波測(cè)距模塊
由于超聲波方向性好、易控制、經(jīng)濟(jì)耐用、易于編程的特點(diǎn),故選用超聲波測(cè)距來測(cè)量與路人的距離,代為判斷人員的通過。本系統(tǒng)通過超聲波發(fā)射器從開發(fā)板向上方發(fā)射超聲波,在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí),超聲波在傳播途中碰到障礙物就會(huì)立即返回來,通過超聲波接收器檢查是否收到反射波,收到后就立即停止計(jì)時(shí),記錄計(jì)時(shí)器的時(shí)間t,最后利用聲波傳播的時(shí)間差與傳播速度來進(jìn)行測(cè)距計(jì)算。超聲波作為聲波,根據(jù)聲音在15攝氏度的空氣中的傳播速度為340m/s,算上來回,便可得出超聲波發(fā)射器至障礙物的距離L=360t/2。若沒有收到反射波或時(shí)間t過大,變判定為超出超聲波的量程。實(shí)現(xiàn)步驟:(1)通過超聲波發(fā)射模塊產(chǎn)生8個(gè)40KHz的超聲波信號(hào),通過TX引腳發(fā)射出去。在平臺(tái)CT107D中,超聲波模塊的TX引腳接到單片機(jī)的P1.0端口,RX引腳接到單片機(jī)的P1.1端口。(2)啟動(dòng)定時(shí)器,計(jì)算計(jì)數(shù)脈沖。定時(shí)器采用方式0,13位計(jì)數(shù)器,最大8192個(gè)計(jì)數(shù)單位。(3)等待超聲波信號(hào)返回,如果沒有超聲波回來的時(shí)候,接收端就是RX=0,就在等待;如果接收到反射回來的信號(hào),RX引腳變?yōu)榈碗娖?。?)停止定時(shí)器,讀取脈沖個(gè)數(shù),即獲得時(shí)間T。(5)根據(jù)公式,L=V*T/2m,進(jìn)行距離的計(jì)算。利用超聲波進(jìn)行距離測(cè)量,要求精度一般都不高,取20攝氏度時(shí)候的聲速344M/S進(jìn)行計(jì)算,再進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償就可以。所以,其計(jì)算公式為:距離L=344M/S*T/2=172M/S*T。設(shè)計(jì)程序,進(jìn)行超聲波測(cè)距,最大測(cè)量范圍約140cm。
2.2訪客行為識(shí)別系統(tǒng)
當(dāng)訪客來訪時(shí),表現(xiàn)出的行為體現(xiàn)在對(duì)門的敲擊和按壓門鈴。利用這些特征設(shè)計(jì)訪客行為識(shí)別系統(tǒng),門鈴的引腳與單片機(jī)的I/O口通過電路相接,門鈴按下時(shí)通過按鍵電路產(chǎn)生低電平信號(hào),單片機(jī)采用掃描法讀取到低電平,控制蜂鳴器響的同時(shí)給用戶發(fā)送來訪信息,告知用戶有人來訪;采用SW-420振動(dòng)開關(guān)搭建的振動(dòng)傳感器模塊,當(dāng)有人敲門時(shí)帶動(dòng)傳感器內(nèi)彈簧震動(dòng)輸出低電平,把敲擊門的振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電平的變化。此外,系統(tǒng)還使用了HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊來確保振動(dòng)是由人體活動(dòng)所引起的,人體感應(yīng)模塊感應(yīng)角度最大可達(dá)100°錐角,識(shí)別范圍最大7米,能夠識(shí)別用戶門前所有大型生命體的存在,如果在檢測(cè)范圍內(nèi)有人出現(xiàn),人體感應(yīng)模塊將會(huì)輸出低電平信號(hào)。當(dāng)且僅當(dāng)振動(dòng)傳感器與人體感應(yīng)模塊同時(shí)發(fā)生電平變化時(shí)才向單片機(jī)發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)。傳感器模擬信號(hào)輸出與LM393集成運(yùn)放相連,將模擬輸入量放大作為ADC0809芯片的輸入。
2.3電源電路
單片機(jī)和傳感器的工作電壓均為5V電壓,最常見的電源管理芯片是LM7805。供電系統(tǒng)將220V交流電變壓到9V,經(jīng)過二極管全波整流、電解電容濾波,再經(jīng)一只正輸出穩(wěn)壓器LM7805,為了緩沖負(fù)載突變,改善瞬態(tài)響應(yīng),輸出端又采用了一個(gè)電容,最后得到+5V的直流工作電源,用于給單片機(jī)系統(tǒng)及其它外圍電路的VCC端供電。同時(shí),該系統(tǒng)還用到了集成運(yùn)放,其供電的電壓為+5V。
2.4按鍵模塊
因1*4的獨(dú)立鍵盤的4個(gè)按鍵無法滿足密碼輸入修改與模式切換的需求,本系統(tǒng)的按鍵選用CT107D開發(fā)板自帶的4*4矩陣鍵盤。矩陣鍵盤有三種掃描方法:行列掃描法,反轉(zhuǎn)法,狀態(tài)機(jī)法。在學(xué)習(xí)矩陣鍵盤的前兩種掃描方法后,發(fā)現(xiàn)其本質(zhì)都是進(jìn)行循環(huán)查詢,會(huì)大量占用MCU的時(shí)間,效率比較低。而狀態(tài)機(jī)法,它是結(jié)合定時(shí)器中斷的,與其說是“狀態(tài)機(jī)法”倒不如說是“狀態(tài)機(jī)+線反轉(zhuǎn)法”,相比于前兩種采用延時(shí)函數(shù)的方法,大大提高了MCU的效率。因此本系統(tǒng)才用了狀態(tài)機(jī)法進(jìn)行矩陣鍵盤的掃描。
2.5電控鎖
電控鎖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由電磁機(jī)構(gòu)組成。用戶只要按下分機(jī)上的電鎖鍵就能使電磁線圈通電,從而使電磁機(jī)構(gòu)帶動(dòng)連桿動(dòng)作來控制大門的打開。當(dāng)用戶輸入正確的密碼時(shí),單片機(jī)AT89C51便輸出高電平信號(hào),晶體管飽和導(dǎo)通,繼電器吸合,驅(qū)動(dòng)電動(dòng)小馬達(dá)運(yùn)作,電子鎖打開;而當(dāng)輸入錯(cuò)誤的密碼時(shí),單片機(jī)輸出低電平,晶體管截止,繼電器不能吸合,馬達(dá)不運(yùn)作。
2.6CPU核心電路
SPCE061A高性能16位單片機(jī)的工作電壓范圍為2.6~5.5V,系統(tǒng)工作頻率為0.375~49.152MHz。在片內(nèi)集成有32位可編程的多功能I/O端口、兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、7通道10位電壓模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、自動(dòng)增益控制功能的麥克風(fēng)輸入方式、雙通道10位DAC方式的音頻輸出功能及看門狗定時(shí)器。中斷控制器可處理3種FIQ中斷和11種IRQ中斷,以及一個(gè)由指令BREAK控制的軟中斷。提供豐富的C函數(shù)庫和語音處理函數(shù)庫,因此非常適合數(shù)字聲音和語音識(shí)別產(chǎn)品的開發(fā)。使得設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單化,大大降低了硬件成本。
2.7特征提取
本系統(tǒng)采用了不同說話人的分散程度與各說話人自身的分散程度之間的對(duì)比值作為特征參數(shù)的評(píng)價(jià)方法。其基本思想是:對(duì)同一說話人的一段語音提取一組特征參數(shù),相當(dāng)于把該段語音映射到多維空間上的一個(gè)點(diǎn)。同一說話人的不同語音會(huì)在特征空間產(chǎn)生不同的點(diǎn),其分布可用多變量概率密度函數(shù)來描述。對(duì)同一個(gè)說話人的不相同單次的發(fā)音,這些點(diǎn)比較集中;而不同說話人的發(fā)音分布相距較遠(yuǎn),則所選擇的這組特征參數(shù)就能夠有效的描述說話人的個(gè)性特征。根據(jù)這一原則,對(duì)單個(gè)參數(shù)而言,可以取兩種分布參數(shù)的方差比(稱為F比)作為有效的度量準(zhǔn)則。F比反映了不同說話人的分散程度與各說話人自身的分散程度之間的對(duì)比關(guān)系。某一特征參數(shù)的F比越大,說明對(duì)于本特征,平均而言前者要大于后者。因此,說話人識(shí)別系統(tǒng)中采用F比較大的,這樣系統(tǒng)會(huì)得到較好的性能。
3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
3.1系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)
主程序主要包括系統(tǒng)初始化程序、和對(duì)其他子程序的調(diào)用。系統(tǒng)的初始化包括定時(shí)器、檢測(cè)信號(hào)的I/O引腳、時(shí)鐘、串口的初始化。初始化完成后,進(jìn)入while死循環(huán)執(zhí)行系統(tǒng)所需的子函數(shù),同時(shí)等待外部中斷與串行口中斷。根據(jù)程序設(shè)計(jì),傳感器能感知訪客到來并通過總線向單片機(jī)發(fā)出請(qǐng)求,傳感器的輸出由高電平變?yōu)榈碗娖剑陆笛貜膯纹瑱C(jī)的外部中斷引腳輸入給單片機(jī),該信號(hào)被系統(tǒng)檢測(cè)到后驅(qū)動(dòng)SIM900A模塊向用戶發(fā)送短信。若傳感器信號(hào)無變化,則在循環(huán)內(nèi)等待。若用戶對(duì)系統(tǒng)請(qǐng)求作出回應(yīng),單片機(jī)則驅(qū)動(dòng)電機(jī)做出相應(yīng)的控制。傳感器的I/O采用的是程序傳送方式,串行口采用的中斷傳輸方式。
3.2電機(jī)控制的軟件設(shè)計(jì)
當(dāng)系統(tǒng)接收到用戶的開門指令,就要控制電機(jī)完成開門的動(dòng)作。開門動(dòng)作主要分為兩大部分,一部分是將門把手下拉,另一部分是將下拉的門把手復(fù)位,使用PWM波控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),并用2個(gè)光電傳感器配合完成門的開啟。兩個(gè)光電傳感器分別位于門把手移動(dòng)位置的上限與下限。單片機(jī)通過引腳向電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N發(fā)出PWM波,控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)門把手下移,當(dāng)把手下移至光電傳感器1的位置,光電傳感器1輸出低電平給單片機(jī),此時(shí)系統(tǒng)延時(shí)等待5S(多次測(cè)試得出),給訪客充足的開門的時(shí)間,隨后輸出反相的PWM波,控制電機(jī)反轉(zhuǎn),將門把手復(fù)位,當(dāng)把手上移至光電傳感器2所處的位置,光電傳感器2輸出低電平給單片機(jī),隨后,單片機(jī)停止對(duì)電機(jī)的控制,電機(jī)停轉(zhuǎn),整個(gè)開門動(dòng)作完成。
3.3視頻采集
本文選用的V4L2接口支持兩種方式采集視頻圖像信息:mmap(內(nèi)存映射方式)和read(直接讀取方式)。內(nèi)存映射方式主要用于采集連續(xù)的視頻數(shù)據(jù),直接讀取方式則用于采集靜態(tài)的圖片數(shù)據(jù),因此該系統(tǒng)的應(yīng)用程序使用前者的采集方式進(jìn)行視頻采集,采集視頻數(shù)據(jù)的具體步驟如下(1)通過V4L2接口進(jìn)行視頻采集參數(shù)的初始化,其中包括設(shè)置采集窗口大小、采集點(diǎn)陣大小和采集幀率等;(2)申請(qǐng)幀緩沖區(qū)存放視頻數(shù)據(jù),以解決采集連續(xù)幀數(shù)據(jù)的問題;(3)將上一步申請(qǐng)到的幀緩沖區(qū)輸入隊(duì)列排隊(duì);(4)視頻采集開始;(5)驅(qū)動(dòng)程序采集數(shù)據(jù)輸出到視頻采集輸出隊(duì)列中,應(yīng)用程序取出輸出列隊(duì)中的緩沖區(qū)進(jìn)行處理,然后再把緩存區(qū)放入視頻采集輸入隊(duì)列中;(6)視頻采集結(jié)束,釋放幀緩沖區(qū)。
4系統(tǒng)整體框架
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以S3C6410微處理器為核心的開發(fā)板和操作系統(tǒng)作為互聯(lián)網(wǎng)智能門控系統(tǒng)服務(wù)器端的硬件、軟件平臺(tái),以基于安卓系統(tǒng)的移動(dòng)智能設(shè)備作為遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控的移動(dòng)客戶端??刂埔曨l監(jiān)控的主要過程是通過攝像頭采集視頻數(shù)據(jù),并傳輸給S3C6410的硬件編碼模塊進(jìn)行編碼和封包,最后通過無線網(wǎng)絡(luò)模塊傳輸給移動(dòng)客戶端解壓播放。遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)的主要流程:服務(wù)器端捕捉到到訪者按壓門鈴的信號(hào),并向移動(dòng)端發(fā)送信息,提醒戶主有客人到訪,戶主可通過遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)查看到訪者并選擇是否遠(yuǎn)程解鎖。
5系統(tǒng)測(cè)試
此系統(tǒng)使用Proteus軟件繪制電路原理,用KeiluVision4軟件通過C語言進(jìn)行相關(guān)程序的編程,再使用stc-isp燒錄軟件進(jìn)行燒錄測(cè)試,從而確定系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。開始系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn):摁下電源鍵,開機(jī)默認(rèn)時(shí)間為23:59:50,為模式二夜間模式,當(dāng)前系統(tǒng)為密碼門狀態(tài)。按下輸入密碼界面功能鍵,他會(huì)提示讓你輸入密碼(初始密碼為123456)。輸入正確密碼后,再按下確定鍵,繼電器打開(門開啟),5秒后超聲波檢測(cè)是否還有人(測(cè)距),檢測(cè)沒人則關(guān)閉繼電器(門關(guān)閉)。若密碼連續(xù)輸入錯(cuò)誤三次則會(huì)開啟蜂鳴器報(bào)警系統(tǒng)。按下時(shí)鐘設(shè)置功能鍵,我們將時(shí)間改置為7:00,系統(tǒng)進(jìn)入模式一白天模式,門禁系統(tǒng)開始自動(dòng)門模式,一但感應(yīng)到有人員靠近,繼電器將自動(dòng)打開(門開啟)。系統(tǒng)測(cè)試時(shí)通過在超聲波測(cè)距模塊前放置遮擋物來模擬人員靠近。
62MFC編碼
S3C6410的硬件編碼的第一步需要設(shè)置好關(guān)于MFC的初始化參數(shù)傳遞到內(nèi)核的驅(qū)動(dòng)程序中,使得驅(qū)動(dòng)程序能夠根據(jù)我們提供的這些參數(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的初始化工作。初始化及編碼的具體步驟如下:(1)打開設(shè)備節(jié)點(diǎn);(2)進(jìn)行內(nèi)存到應(yīng)用的內(nèi)存映射;(3)提供相對(duì)應(yīng)的參數(shù)去初始化關(guān)于MFC設(shè)備的機(jī)構(gòu)體;(4)給MFC跟深層次的結(jié)構(gòu)體傳輸_MFCLIB_H264_ENC參數(shù);(5)通過ioctl函數(shù)把這些參數(shù)傳入到內(nèi)核當(dāng)中;(6)得到輸入圖像的地址buffer;(7)進(jìn)行編碼(首次編碼需要傳入配置參數(shù));(8)得到輸出的圖片數(shù)據(jù)和相關(guān)圖片信息。2.2.3RTP數(shù)據(jù)封裝。RTP全名為實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議,主要對(duì)多媒體數(shù)據(jù)提供實(shí)時(shí)的傳輸服務(wù),而RTP數(shù)據(jù)封裝就是為了滿足RTP協(xié)議的功能需求。根據(jù)本系統(tǒng)使用的H.264編碼及傳輸要求,這里采用了RTP數(shù)據(jù)封裝的單包封裝,故只需要將原始的NALU單元的起始碼前綴替換成RTP起始碼和RTP頭部即可。
結(jié)語
新型門控系統(tǒng),采用智能化、模塊化的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。本系統(tǒng)利用單片機(jī)作為主控制器,使整個(gè)控制系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔。同時(shí)通過手機(jī)短信控制系統(tǒng)的運(yùn)行,當(dāng)遇到異常情況時(shí)就向用戶發(fā)送報(bào)警短信,提高系統(tǒng)的安全性,由于短信控制的操作簡(jiǎn)單,適合各年齡段人群使用,所以實(shí)用性、靈活性更強(qiáng)。此外本研究加入的視頻傳輸功能,使用戶可以實(shí)時(shí)看到家里的情況,安全性、有效性得到了進(jìn)一步的提升。本設(shè)計(jì)匯聚當(dāng)下炙手可熱的安全、智能等話題,不僅符合大眾對(duì)智能生活的追求,其人性化的設(shè)計(jì),網(wǎng)絡(luò)化的服務(wù)更為人們提供了不一樣的生活品質(zhì),同時(shí)也為智能家居的發(fā)展做出了一定的貢獻(xiàn),具有一定的市場(chǎng)價(jià)值與實(shí)用價(jià)值。本次研究設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)門禁系統(tǒng),主要設(shè)計(jì)流程如下。設(shè)計(jì)了門禁系統(tǒng)的顯示模塊,可通過時(shí)鐘設(shè)置與溫度檢測(cè),經(jīng)數(shù)碼管顯示;設(shè)計(jì)了門禁系統(tǒng)的自動(dòng)門系統(tǒng)。可通過超聲波測(cè)距,具有感應(yīng)人員靠近,具有自動(dòng)開關(guān)門,防夾手的功能;設(shè)計(jì)了門禁系統(tǒng)的密碼門系統(tǒng)??赏ㄟ^矩陣鍵盤輸入正確的密碼來開啟門禁,其具有修改密碼,斷電記憶,錯(cuò)誤報(bào)警功能等。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試檢測(cè)后,確認(rèn)此次設(shè)計(jì)的門禁系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。
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【基金項(xiàng)目】廣西職業(yè)教育專業(yè)發(fā)展研究基地——電氣技術(shù)應(yīng)用專業(yè)群發(fā)展研究基地(桂教職成2018 ?37號(hào))