基于以太网的智能楼宇梯口机的设计与实现

童世华

(重庆电子工程职业学院计算机应用系，重庆401331)

智能楼宇技术作为物联网技术的重要组成部分，是物联网的重要研究课题之一。物联网技术中的以太网技术，具有全开放、成本低、带宽宽、稳定性和可靠性高、应用广泛、共享资源丰富等优点［1］。将以太网技术应用到楼宇自动化系统的研究领域，使智能楼宇系统进入全数字通信时代，它将最大限度减少楼宇中间设备，使楼宇对讲系统组网更加简单快捷，在数据的传输距离上也有很大的提高［2-3］。将以太网技术应用到楼宇自动化系统的研究领域，其主要技术优势体现在实现了从管理层到现场设备控制层通信协议的兼容和统一;向低成本、低电压、微功耗、微封装和绿色化发展;向家居自动化、家用智能电器的网络化发展;带宽宽和共享资源丰富。

1 智能楼宇梯口机系统方案设计

在智能楼宇系统中，智能楼宇可视对讲系统是其重要的组成部分［4］。基于以太网的智能楼宇系统组网非常简单，用市场上通用的交换机就可以组网，每一台设备只需要1根网线即可，不需要专门的音视频信号线，1根网线就完成了所有信号的传输，包括音视频信号，大幅度降低了线缆成本、布线成本以及安装成本。如图1所示，每一栋楼只需要1台梯口机，以及若干室内机，室内机通过楼层交换机连接起来，形成一个小的局域网络，楼层交换机把若干栋楼连接起来，形成一个大的局域网络，再由路由器把楼层交换机连接起来，接到中心管理处，中心管理处可以对整个小区进行管理，同时也可以把一些有用的信息下发给用户，也可以通过路由器把小区的智能楼宇设备连接到Internet上，从而用户可以对自己的家庭进行远程控制［5］。

智能楼宇梯口机除了实现可视对讲及开锁功能以外，还有许多其他功能，比如支持语音提示功能，用户可以更改振铃声音、更改语音提供;支持中文/英文语言菜单，用户可以自行设置菜单语言选项;支持本地在线搜索网内室内终端功能，方便施工/调试;支持背光调节和节电模式功能［6］。

2 智能楼宇梯口机的硬件设计

梯口机的硬件主要由两部分组成，分别是GM8120核心处理模块和Mega64控制模块，如图2所示。梯口机的设计采用双核处理结构，每个核都有其负责的功能。GM8120处理模块带有实时多任务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;Mega64控制模块主要是负责控制和显示部分，具体分为门禁控制部分、开锁部分以及LCD显示部分。同时，GM8120与Mega64的通信采用串口通信。

图1 梯口机与智能楼宇系统连接图

图2 梯口机总体结构框图

梯口机的GM8120核心模块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处理器做进一步处理。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核心板是梯口机的大脑。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。

控制模块的设计也是梯口机比较重要的部分，控制模块上包含了一片AVR单片机，许多控制功能都是在主控板上实现的。具体来说，控制模块实现的功能有整个系统的供电、LCD显示功能、摄像头的视频输入、音频输入输出、硬件消回声等，而其中核心器件是AVR单片机，具体型号采用的是Mega64，开锁、LCD显示以及刷卡模块的数据读入等，都是依靠Mega64来实现的。

3 智能楼宇梯口机驱动软件设计

3.1 LCD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，列、行以及页的定位，显示数字、汉字和显示图片等。下面就LCD清屏进行分析。LCD清屏主要是清除每个PAGE上的值，PAGE实际表示一个拥有8个高点的行，因为LCD的分辨力为128×64，计算得到有8个PAGE，所以要设置一个循环，把每个PAGE上的值清除。具体实现如下：

3.2 串口驱动的设计

在系统中，ATmega64与GM8120是通过串口来进行通信，所以串口驱动包括两部分，一部分是AVR单片机的串口驱动;一部分是 GM8120的串口收发驱动。以GM8120串口驱动为例，介绍其数据收发以及程序代码。

GM8120有4个串口，其串口结构主要包含有波特率发生器、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，而后对串口参数进行设置，再打开串口，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：

3.3 键盘扫描驱动设计

该系统是4×3矩阵键盘，其用到了ATmega64L的PF1～PF6 I/O接口，采用的是逐行(列)扫描法，首先是判断有无键按下，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，证明有键按下，若列线没有低电平，说明没有键按下;如果有键按下，然后判断键盘的哪一位键按下了，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所示。

表1 PF口对应的值以及键盘代表的键值

4 验证平台的搭建

把智能楼宇梯口机放到智能楼宇系统中进行验证，所需设备为智能楼宇梯口机、交换机、电磁锁、出门按钮、IC卡、2台室内机、中心管理机以及一些测试工具。验证平台的搭建过程［7］，首先把电磁锁、出门按钮接在梯口机的相关接口上，把梯口机与交换机用网线进行连接，然后把2台室内机和中心管理机分别与EPA交换机用网线进行连接，检查电路连接，看是否有短路现象，连接如图3所示。

图3 梯口机系统验证连接图

测试智能楼宇的以太网通信、可视对讲、远程控制以及梯口机自身的相关功能。其验证过程如下：

1)打开交换机和中心管理机(这里采用上PC机代替)，使系统处于供电状态。

2)配置智能楼宇梯口机、室内机和中心管理机的IP地址和子网掩码，使这几台以太网设备处于同一网段，然后配置梯口机与室内机的服务器地址，服务器地址为中心管理机的IP地址。

3)打开中心管理软件，查看设备上线情况。

4)使用梯口机呼叫第一台室内机，进行可视对讲，验证网络通信、音视频质量以及系统延时。

5)在可视对讲过程中按开锁键，确认电磁锁打开，以及梯口机的语音提示。

6)在室内机上监视梯口机，验证室内机对梯口机的监视功能。

7)使梯口机呼叫中心管理机，进行可视对讲，验证音视频质量。

8)在中心管理机上监视梯口机，验证监视功能。

9)在中心管理机上按开锁键，验证中心管理机对梯口机的远程开锁功能以及实时性。

10)在梯口机上使用有效IC卡刷卡，中心管理软件上是否有刷卡记录。

11)在梯口机上使用无效IC卡刷卡，中心管理软件上是否有报警消息产生。

验证结果：系统能正常工作，可视对讲正常，音视频质量较好，室内机远程开锁正常，梯口机能与中心管理机进行正常可视对讲，梯口机能监视梯口机，中心管理软件能检查到梯口机的上线信息，功能测试正常，可视对讲视频质量较高，很好地满足了系统要求。图4为可视对讲视频质量图。总体验证结果显示，梯口机满足智能楼宇系统要求，达到项目所需性能。

图4 可视对讲视频质量图

5 总结

该设计全面考虑项目对梯口机的需求，突出了梯口机在高速、低功耗、全数字和以太网传输数据等方面的优势，采用模块化设计方法，以智源科技的GM8120处理器为核心来实现。GM8120处理器包含有ARM9的处理器和视频MPEG-4全硬件编解码器，芯片资源丰富，在很大程度上节约了开发成本，提高了性能，减低了成本，使其具有很好的使用价值。

［1］王再英，韩养社，高虎贤.楼宇自动化系统原理与应用［M］.北京：电子工业出版社，2009.

［2］黎连业，单银根，向东明.综合布线系统弱电工程设计与施工技术［M］.北京：电子工业出版社，2010.

［3］陈东.OrCAD电路设计［M］.北京：国防工业出版社，2009.

［4］GB/T 5031l—2000，建筑与建筑群综合布线系统工程设计规划［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.