大型综合性实验设计——小区智能监护服务系统

2009-05-11武俊鹏刘书勇

计算机教育 2009年8期

关键词：中央电池监控

武俊鹏　刘书勇

摘要：本文通过设计一个综合性较强的实验项目，很好地培养学生的创新能力和综合运用知识和技术的能力。该项目致力于设计新一代小区监护服务系统，它将无线网络技术，视频监控技术，家居智能安全技术结合起来。

关键词：综合性实验；视频监控；家居安全；无线遥控巡逻车；车辆防盗；Windows XP Embedded

中图分类号：G642

文献标识码：B

1背景

随着我国住宅建设的发展，智能化小区建设也得到了飞速发展，传统的模拟及数字监控系统已不能适应新型智能化小区的要求。以现代网络技术、电子技术、计算机技术、软件技术以及信息技术为代表的高新技术的应用, 使得小区的智能化监控成了现代化小区的标志。

近年来，嵌入式技术的不断发展，使基于嵌入式系统平台的开发设计占据了越来越重要的地位。为培养具有适应社会发展需要的硬件“嵌入式技术”人才，哈尔滨工程大学计算机实验教学中心成立计算机技术创新实验室。教师们围绕着嵌入式方向，设计了若干项目，供学生选择实践，其中有几个小区智能化服务方面的项目，完成情况较好，学生得到了锻炼，实用性也很好。为参加2006年教育部和信息产业部主办的“全国大学生电子设计竞赛—嵌入式系统专题邀请赛（英特尔杯）”，把现有的几个项目综合在一起，再进行进一步开发，形成一个综合性项目参赛，即“综合性实验设计——小区智能监护服务系统”，获得了三等奖。

本系统采用“研扬GENE-8310工控板”作为中央监控平台核心，利用无线网络技术，视频监控技术，家居智能安全技术，结合Windows XP Embedded操作系统,实现了小区的无线视频监控、遥控巡逻，远程实时看护，车辆定位防盗报警以及家居安全监控功能。

2系统设计

2.1系统设计指标

(1) 实时监控三路视频，可根据需要扩充为多路视频监控；

(2) 视频监控最大延迟不超过10s；

(3) 车辆防盗报警装置误报率95%±3%；

(4) 视频监控数据单路大小120MB/h±20MB/h；

(5) 中央监控系统能在采用电池供电时持续工作2小时以上；

(6) 无线遥控巡逻车能在电池的驱动下持续工作两小时以上，并能在中央监控平台的控制下进行前进、后退，左转、右转、停止动作；

(7) 住户居家信息终端能与中央监控平台相互通信并正确显示数据；

(8) 中央监控平台能与远程监控装置相互通信并正确显示数据；

(9) 中央监控平台能与无线遥控巡逻车相互通信并完成相关功能。

2.2系统功能

(1) 小区信息发布。该功能由住户居家信息终端和中央监控平台共同完成，小区物业管理部门在中央监控平台以短信群发或针对单一用户的方式向各住户居家信息终端发送小区信息广播，住户居家信息终端成功接收后存储等待用户查看。

(2) 住宅火警、煤气泄露报警。该功能由住户居家信息终端和中央监控平台共同完成，当用户住宅内的温度、煤气浓度等出现异常，住户居家信息终端以短消息的形式将数据发送至中央监控平台，由中央监控平台对数据进行解码并在屏幕上显示以向小区管理人员发出警告。

(3) 无人巡逻。此功能由自移动巡逻车和中央监控平台共同完成，小区管理人员在管理中心通过中央监控平台向自移动巡逻车发送指令，由自移动巡逻车按照指令要求进行巡逻，同时可以根据小区实际地形编制程序进行自主巡逻。在巡逻过程中，由车载数传电台将所采集的视频信号发送至中央监控平台并在屏幕上实时显示出来。此功能可以减轻小区保安的巡逻负担，在一定程度上节约了人力资源成本。

(4) 视频监控。此功能由视频采集摄像机和中央监控平台以及流媒体服务器共同完成，视频采集摄像机采集的视频数据通过流媒体服务器进行处理后在中央监控平台上显示出来，监控图像可根据需要在多路视频源中实时选择、切换。同时，视频监控也可针对小区中有特殊监控需要的部分住户，在为其加装了视频采集终端并连入流媒体服务器网络后，用户既可在获得授权的前提下访问指定IP对其指定地点进行视频监控，也可为流媒体服务器开发Web站点。

(5) 特殊人群定位。此功能由远程监控装置和中央监控平台共同完成，主要针对小区中的特殊群体(如小孩和有一定记忆障碍的老人等)的监护需求而设计，携带远程实时监护装置的用户，其所处位置的GPS坐标数据将会通过GSM网络传回中央监控平台，中央监控平台主控程序对数据进行坐标变换后，在中央监控平台的电子地图上以光标的形式将坐标对应的地点在地图上的位置显示出来，以方便用户的查找与追踪。此功能也可作为小区物业管理部门的一项特殊业务，由专门工作人员为提出监护需求的小区住户提供监护服务。

(6) 车辆防盗报警。此功能由中央监控平台和车辆防盗报警装置共同完成，主要针对车辆防盗进行设计。在车辆上安装车辆定位防盗报警装置后，当有人未经许可非法启动车辆并行驶超过一定距离后，车辆定位防盗报警装置会通过GSM网络以短消息的形式将警告发送到用户的手机上，同时在中央监控平台的电子地图上定位该车辆位置并进行跟踪。同时，此装置可根据实际使用需要扩展功能，如扩展为采用GPRS网络进行实时追踪，可做为银行系统的运钞车实时追踪的解决方案。

2.3系统方案

根据系统设计指标和功能，本系统提出了如下设计方案：

中央监控平台由GENE-8310和Windows XP Embedded操作系统构成，同时，针对所需功能开发对应的软件在中央监控平台上运行，软件通过预先定义的协议通过通信网络与各个终端进行通信。系统分为以下五个部分：

(1)中央监控平台；(2)远程监控装置；(3)车辆定位防盗报警装置；(4)住户居家信息终端；(5)无线遥控巡逻车

其中中央监控平台和远程监控装置、车辆防盗报警装置以及住户居家信息终端进行通信时，由于其数据量小，且不需要保持数据传输链路，采用TC35i通过GSM网络以短消息的形式进行数据传输。而中央监控平台在与自移动巡逻车进行通信时，有较大的数据流量而且需要保持数据传输链路，采用数传电台的方式实现。数传电台在使用中具有传输带宽高，传输距离可调的特点。方案总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构框图

2.3.1视频监控方案

视频监控系统没有采用常用的工业用监控卡进行视频采集，而是采用Viewcast公司OsPrey 200流媒体卡实现，主要是由于工业用监控卡一般开发时间长，需要有专门的软件进行配套，不易将其集成到应用软件中，而且，其开发成本相对较高，同系统预期目标中提出的提供一种低成本的小区智能化系统建设方案不一致。我们在对比了多种流媒体卡后，选择了Viewcast公司的OsPrey流媒体卡，该卡的特点是图像采集时对CPU的占用率非常低，使流媒体服务器有更多的系统资源可以用来进行流媒体的编码和发布，而且其支持一机多卡不但为视频监控扩展监控终端提供了可能，也使得视频监控的扩展成本低廉、易于实现。

基于Windows Media Services进行流媒体的采集、编码和发布。流媒体编码器对所采集数据加时间戳后存储，可使用户查询指定时间指定位置的监控数据。监控数据主要通过无线网络传输，也有部分视频数据通过数传电台传输。

监控网络分为两部分，小区监控局域网和外围监控广域网。小区监控局域网主要针对小区监控设备架构专用网，保证不占用视频数据的传输带宽。外围监控广域网主要针对小区中需对自己家庭进行监控的特殊用户提供授权监控功能，该类型用户可在小区为其加装视频采集终端和分配用户监控权限后监控授权监控地点。

由于视频信号采集占用了较多的系统资源，GENE-8310不提供监控板扩展所需的多个PCI总线插槽，因此未将其集成到中央监控平台，而是单独由一台流媒体服务器来完成，服务器的主要功能是将通过各无线/有线监控摄像机采集到的视频信号进行编码、压缩后，通过802.11g无线网络传送给中央监控平台，同时对所收集到的视频信号进行存储。

2.3.2通信实现方案

为了保证中央监控平台能识别各终端发送的数据，系统通过约定的格式定义了中央监控系统同各终端之间的通信方式，根据需要的功能定义了如下6种通信协议：

(1) 天气预报广播(中央监控系统→住户居家信息终端)

01 00 2008 06 20 00 01 27 00 XXXXXX

01 - 功能1(不需要更改)

00 - 分隔符(不需要更改)

2008 - 年

06 - 月

20 - 日

00 - 天气：00晴 01阴 02雨 03雪对应家庭终端上的天气符号

01 - 温度的符号 00正 01负

27 - 温度的绝对值

00 - 分隔符

XXXXXX - 提示信息

(2) 信息广播(中央监控系统->住户居家信息终端)

02 00 XXXX XXXX XXXX ... XXXX 0000 YYYY YYYY ...

02 - 功能2(不需要更改)

00 - 分隔符(不需要更改)

XXXX XXXX XXXX ... XXXX - 标题，4位一个汉字

0000 - 分隔符

YYYY YYYY ...→- 正文

(3) 报警(住户居家信息终端->中央监控系统)

03 00 01

03 - 功能3(不需要更改)

00 - 分隔符(不需要更改)

01 - 报警信息01火警02煤气03紧急呼叫

(4) 请求GPS位置信息(中央监控系统->远程实时监护装置、车辆定位防盗报警装置)

04 - 功能4(不需要更改)

(5) 返回坐标(远程实时监护装置、车辆防盗报警装置→中央监控系统)

05 00 XXXXXXXXXXXXXXXXYYYYYYYYYYYY YYYYYY

05 - 功能5(不需要更改)

00 - 分隔符(不需要更改)

XX(16位) - 经度

YY(18位) - 纬度

(6) 车辆被盗报警(远程实时监护装置、车辆防盗报警装置→中央监控系统)

06 00 XXXXXXXXXXXXXXXXYYYYYYYYYYYY YYYYYY

06 - 功能6(不需要更改)

00 - 分隔符(不需要更改)

XX(16位) - 经度

YY(18位) - 纬度

2.3.3远程监控装置方案

此装置主要由TC35i模块以及GPS模块组成，两者通过高速仪表用继电器与MCU STC 89LE516AD进行通信。系统程序中对接收到的GPS坐标数据进行解码并编码成协议约定的数据格式发送到中央监控平台。中央监控平台根据约定的协议对数据进行解码，并将坐标在电子地图对应的位置显示出来。

2.3.4车辆定位防盗报警装置方案

此装置与远程监控装置相同，主要由TC35i模块以及GPS模块组成，两者通过高速仪表用继电器与MCU STC 89LE516AD进行通信。系统根据功能需要，在满足报警条件时被触发，TC35i通过GSM网络中将STC 89LE516AD按照协议解析过的数据发送到中央监控平台。同时，中央监控平台根据约定的协议进行解码，并将数据中的GPS坐标信息在中央监控平台的电子地图对应的位置上显示出来。

2.3.5住户居家信息终端方案

采用TC35i GSM模块和中央监控平台进行数据通信，DS1820B作为温度采集传感器，STC 89LE516AD做为微控制器，显示部分使用采用了RA8820控制器的240x128 LCD，同时在此终端的设计中预留了串行接口，可以根据电表、水表的特点来编制程序实现无线抄表功能，也可为信息家电功能的实现提供数据处理和传输的平台。

2.3.6无线遥控巡逻车方案

自移动巡逻车采用履带行走，选用2个6V/50W直流减速电机，可以适应一般地形的移动需要。通过一块系统板接收由数传电台得到的指令，控制电机和云台的转动。

电机在减速箱的配合下可以提供足够的扭矩，使车身通过左右驱动轮的不同扭矩，完成前进、后退、原地左转和原地右转等动作。云台部分的结构通过限位开关的控制，允许摄像机在水平方向上转动350度，可以从各不同方向接受视频信息。

3系统实现

3.1硬件实现

3.1.1中央监控平台硬件实现

(1) 电源及在线充电器的实现

GENE-8310与液晶屏和其它配件组成系统后功耗较大，电源的设计对我们提出了巨大的挑战，考虑到系统的稳定性、功耗以及便携性等多方面要求，系统中采用了锂离子电池组作为后备电源。

锂离子电池是目前应用最为广泛的电池，它根据不同的电子产品的要求可以做成扁平长方形、圆柱形、长方形及扣式，锂离子电池的额定电压为3.6V(有的产品为3.7V)。充满电时的终止充电电压与电池阳极材料有关：石墨阳极材料为4.2V；焦炭阳极材料为4.1V。不同阳极材料的内阻也不同，焦炭阳极的内阻略大，各种阳极材料其放电曲线也略有差别。锂离子电池的终止放电电压为2.5V～2.75V。低于终止放电电压继续放电称为过放，过放对电池会有损害。为了防止锂离子电池过度放电，在系统中，为每组电池配备了保护板，当放电电流过大或过度放电时，保护板会截止电池的放电。

锂离子电池不适合用作大电流放电，过大电流放电时会降低放电时间(内部会产生较高的温度而损耗能量)。因此电池生产工厂给出最大放电电流，在使用中应小于最大放电电流。锂离子电池对温度有一定要求，工厂给出了充电温度范围、放电温度范围及保存温度范围。

锂离子电池对充电的要求非常高，它要求精密的充电电路以保证充电的安全。终止充电电压精度允差为额定值的±1%(例如，充4.2V的锂离子电池，其允差为±0.042V)，过压充电会造成锂离子电池永久性损坏。锂离子电池充电电流应根据电池生产厂的建议，并要求有限流电路以免发生过流(过热)。一般常用的充电率为0.25C～1C(C是电池的容量，如C=800mAh，1C充电率即充电电流为800mA)。在大电流充电时往往要检测电池温度，以防止过热损坏电池或产生爆炸。所以需要根据电池特有的参数进行调节，这也是制作充电电路中的难点之一。

锂离子电池充电分为四个阶段：当电压小于2.4V时进行预充电，由于系统中每组电池均有保护板，当放电使电池的电压降至3V以下时，自动截止放电，所以这个阶段在充电器的设计中未体现。当电池电压在2.4V-4.2V之间时进行恒流充电，接近终止电压时改为恒压充电。最后，当充电电流小于一特定值时，改为脉冲充电。

在充电器中，使用了开关电源来提供需要的电压、电流，配合一块控制电路板对电池进行监视并实时调整充电进程。

(2) 中央监控平台硬件构成

研扬GENE-8310工控板一块；640*480TFT液晶屏一块；液晶屏驱动电路板一块；256M DDR 266内存一条；2G KINSTON 52XCF卡一块；西门子TC35i GSM模块一块；数传电台一个；供电电池一组。

3.1.2远程监控装置硬件实现

由于STC89C58只有一个串口，而GPS和TC35i均需要通过串口与MCU通信，为解决这个问题，系统中使用了交换机用高速继电器进行串口的切换，如图2所示。

图2 远程监控装置原理框图

复位电路采用简单的RC复位，其电路如图3所示。

图3 复位电路

晶振使用22.1184MHz，配合两个33pF电容接地，如图4所示。

图4 晶振电路

M2576是一个高效率、开关型5V稳压的芯片，其输入电压范围达7-40V。电路如图5所示。

图5 5V电源电路原理图

RS-232通信中逻辑电平与TTL电路的定义有所不同，使用MAX232进行相应的电平转换。其中，网络标号TX接单片机的TXD脚，网络标号TXRX_232接单片机的RXD脚。RS232_T和RS232_R分别接DB9串口头的第2、3针。电路图如图6。

图6 RS-232通信电路原理图

3.1.3住户居家信息终端硬件实现

经过各种传感器的比较及结合我们系统的具体情况，我们选择了DALLAS公司的单线数字温度传感器DS18B20作为本系统的测温元件。

3.1.4无线遥控巡逻车硬件实现

无线遥控巡逻车采用履带式仿坦克外形，车载监控摄像机在电机的带动下可做水平350o物理旋转。在摄像机广角镜头的作用下保证监控视无死角。巡逻车和控制中心采用数传电台进行通信，得到运行指令后，主控板控制电机按要求进行动作。

云台设计为一个自由度，既绕中心以-175～+175度转动。驱动云台使用L298芯片，并配合PWM调速为其选定最佳的转动速度。在巡逻车上设计加工了2块电路板：控制板和驱动板。为了不使电机干扰控制电路，电机和驱动板之间使用了光偶隔离，还对电源进行了处理，使之基本互不干扰。电机驱动电路原理如图8。

图8 电机驱动电路原理图

3.2软件实现

3.2.1Windows XP Embedded(XPE)操作系统的定制

针对GENE-8310及本系统所需要的功能创建和部署 XPE运行时映像的开发过程包括七个主要步骤，分别说明如下：

(1) 在GENE-8310系统板上运行目标设计器,得到包含GENE-8310的系统硬件资源的xml格式的文件；

(2) 根据本系统设计的需要，选择XPE系统存储媒介，本系统选择了2.5寸5400rpm笔记本硬盘作为系统的存储媒介。格式化硬盘，生成command文件；

(3) 将步骤1生成的xml格式的设备列表移到开发系统，然后运行配置生成器脚本，创建基本配置。根据需要将系统所需功能组件添加到该配置中；

(4) 对所生成的组件进行相关性检查，确保各组件之间不存在冲突和组件不缺少运行所需的文件；

(5) 生成XPE镜像文件；

(6) 将生成的XPE镜像文件拷贝到步骤2中格式化好的硬盘中；

(7) 在GENE-8310中启动XPE系统，执行First Boot Agent后运行系统；

(8) 系统在实际应用过程中如果不满足使用的需要，可从第3步开始再次定制XPE操作系统。

在定制的过程中，针对嵌入式系统的应用集成了高级电源管理功能，可以保证系统有更长的运行时间。中央监控平台软件配置为Shell启动，进入系统后直接运行。系统使用Minlogon登陆模式，进入时间大约60s。Minlogon是XPE系统的组件，用它代替Winlogon可以有效地节省内存占用，减少步长，提高XPE的启动速度。Minlogon没有用户的概念，只能以System用户登陆Windows。由于系统程序本身在Shell状态下运行，而中央监控系统软件使用需要进行身份认证，身份认证的过程其实就是起到登陆XPE系统的认证作用，保证了系统的安全性和可靠性。

3.2.2中央监控平台软件开发与实现

监控中心的软件系统运行于.NET平台下，采用C#.NET编写。C#是一种精确、简单、类型安全、面向对象的语言，很适合快速开发与部署。

监控中心后台采用了MS Access数据库系统，使用标准的ODBC接口与程序进行通讯。考虑到小区实际的用户数量与需要记录的信息量，系统中没有使用SQL Server等大型专用数据库系统，而是使用了桌面型的数据库系统，这样不仅降低了系统成本还使程序更加灵活。由于标准的关系型数据库大都支持SQL99语言，在有需要的情况下，可将本系统的后台数据库方便的升级到其它高级数据库系统。

软件主要包括身份认证、信息发布、电子地图、监视巡逻、设置四大部分。四部分又根据功能划分为天气预报、小区信息、特殊人群监控、车辆防盗、视频监控、遥控巡逻、小区住户设置、GPS监控点、摄像机设置共九个功能模块。其软件结构如图9所示。