楼宇可视对讲门禁系统的设计.doc

楼宇可视对讲门禁系统的设计本科生毕业论文(设计)题 目：楼宇可视对讲门禁系统的设计学生姓名： 学 号： 20101603 专业班级： 建筑电气与智能化 指导教师： 完成时间： 2014年5月20日 摘 要随着科学技术的不断发展，楼宇智能化的概念已经越来越深入人心，楼宇智能化市场随之迅速成长，智能建筑也已进入高技术化、实用化发展阶段，未来楼宇智能化市场前景广阔。对讲门禁系统作为智能楼宇中安防系统的重要组成部分，已经从普通对讲发展到可视对讲，可视对讲功能日益趋向于多样化和综合化。可视对讲系统的发展依然受到带宽和处理机运算速率的影响，高性能系统的设计需要高速处理芯片和优秀的压缩算法，价格成为制约数字可视对讲系统市场应用的重要因素。采用单片机技术能实现音频、视频信号的传输及基本控制，并且在抗干扰性、低价位、易调试等方面具有显著的优势。本设计采用单片机at89s51作为楼宇可视对讲门禁系统的控制核心，采用单片机智能控制技术和can总线现场通信技术，实现一个性价比较高的楼宇可视对讲门禁系统，并给出了其完整的硬件电路和软件设计，详细论述了系统各部分对应的软件流程策划方案，较好实现了楼宇可视对讲系统的基本功能。关键词：可视对讲门禁系统；智能化建筑；单片机；can总线abstractwith the continuous development of science and technology, the concept of intelligent building already more and more deeply rooted in, intelligent building market with rapid growth, intelligent building also has entered the stage of high technology, practical development, intelligent building market prospect will be wide in the future. intercom entrance guard system as an important part of intelligent building security system, has developed from ordinary intercom to visual intercom, its functions increasingly tend to be diverse and comprehensive.the development of the visual intercom system is still under the influence of bandwidth and processor speed, the design of the high-performance systems need high-speed processing chip and excellent compression algorithm, prices become an important factor of digital video intercom market application. by using single chip microcomputer technology to realize audio, video signal transmission and basic control, and it has significant advantage in strong anti-interference, low price, easy debugging and so on .this design uses the single chip microcomputer at89s51 as master chip of building visual intercom entrance guard system, using single-chip microcomputer intelligent control technology and can bus communication technology, to achieve a high cost performance of building visual intercom entrance guard system. this design gives the complete hardware circuit and software design, described all parts software process planning schemes of system in detail, realize the basic function of building visual intercom system .keywords: visual intercom system; intelligent building; mcu; can bus目 录摘 要iiabstractiii目 录iv第1章 绪 论11.1 课题设计的背景及意义11.2 相关发展动态与现状21.3 方案选择论证4第2章 系统整体设计102.1 系统基本组成102.2 工作原理102.3 系统主要功能112.4 设计的目标和特点12第3章 系统的硬件设计133.1 门口机的硬件设计133.2 住户分机硬件设计163.3 管理机硬件设计173.4 其它部分硬件设计18第4章 系统的通信网络设计224.1 can总线通信224.2 can总线控制器234.3 can通信网络设计254.4 can通信协议设计28第5章 系统的软件部分设计315.1 软件设计整体规划315.2 门口机模块软件设计315.3 住户分机模块软件设计335.4 管理机模块软件设计345.5 can网络通信程序设计365.6 程序的调试40结 论42参考文献43致 谢45附 录4612 第1章 绪 论1.1 课题设计的背景及意义楼宇智能化是利用计算机技术、电子技术和现代通信技术等对建筑物内的设备进行自动控制，对信息资源进行管理，为用户提供信息服务，它是建筑技术适应现代社会信息化要求的结晶。智能楼宇的发展史，是一个从监控到管理的发展史，1984年在美国康涅狄格州哈特福德市，人们对一座旧的金融大楼进行了翻修改造，铺设了大量的通信电缆，增加了程控交换机和计算机等办公自动化设备，并将楼内的机电设备均用计算机控制和管理，实现了计算机与通信设施连接，向楼内的住户提供文字处理、语音传输、信息检索、发送电子邮件和信息资料等服务，实现了办公自动化、设备自动控制和通信自动化，成为智能楼宇第一次在世界上出现的标志1。智能楼宇主要是考虑建筑物的结构、机电系统、通信系统、办公系统和物业管理系统之间的内在关系，进行优化组合，来提供一个投资合理，具有高效、节能、舒适、便利的环境，使住户的生活更加便捷、舒适。从20世纪80年代起，由于微电脑技术的发展和信号传输技术的进步，楼宇内的各种设备不需要一对一地进行配线和状态监测，一对信号线就可以传送多种信号，所有设备的状态都可以显示于中央监控室内，易进行操作和管理，不但节省了人力，而且提高了效率。但是在控制方面，大部分的系统运算处理仍需要集中到中央控制室内由主机进行处理。当时中央监控系统的功能，多限于设备初级状态的变化显示，直接进行控制管理，以及对现场传来的数据进行运算处理等2。以前需要由中央监控主机完成的各种功能，在21世纪的今天，己经由一些低价格、高处理能力的现场控制器所取代。中央监控系统的名称就逐渐变为中央管理系统，其内涵的范围也由以前的集中监视、集中控制，扩大到集中监视、集中管理以及分散式控制3。智能楼宇是多学科、高新技术的巧妙集成，也是综合经济实力的表现，大量高新技术竞相在此应用。智能楼宇是将楼宇自动化系统bas(building automation system)、办公自动化系统oas(office automation system)和通信自动化系统cas(communication automation system)通过综合布线系统gcs(generic cabling system)有机地结合在一起，并利用系统软件构建智能楼宇软件平台4；实时信息、管理信息、决策信息、视频信息、语音信息以及各种其它信息通过网络进行传输，实现信息共享，以达到安全、舒适和便捷的工作环境；以提高工作效率为目的，达到节约能源和管理费用；克服重复投资、控制系统的分离、服务缺乏保证、管理功能不全等缺点，来达到实现可持续发展的目标5。因此，智能楼宇代表了21世纪高层建筑的走向，具有强大的生命力。智能建筑自1984年出现以来，在欧、美、日及世界各地得到迅速发展，发达国家的智能建筑已从早期的追求功能完备齐全，向高技术化、实用化和节能化方向发展。1992年中国进入了智能大厦的高速发展阶段，目前全国已有上千幢智能大厦，智能建筑在中国已成为建筑市场的大趋势，也是建筑业中新的经济增长点。楼宇智能化市场随之迅速成长，楼宇智能化的概念已经越来越深入人心，智能建筑也已进入高技术化、实用化发展阶段。经过多年来的探索、推进，我国楼宇智能化理论、建设法规、设计施工、物业管理等方面，也随之得到较大发展。楼宇智能化优势突出，为人们生活带来更多舒适体验，未来楼宇智能化市场前景广阔。1.2 相关发展动态与现状1.2.1 楼宇可视对讲系统对讲系统从上个世纪80年代兴起于日本和欧美，在欧美国家、香港、台湾等地区己经采用了近20年，积累丰富的经验。1992年起，国外楼宇可视对讲制造商进入中国大陆市场，但其产品功能简单。楼宇对讲系统产品最早进入国内市场的是单户型与单元型楼宇对讲产品，并且功能比较单一，只能简单实现访客系统的基本功能。国内的楼宇可视对讲行业起步晚，但发展速度快，大致分三个阶段。第一阶段:1994-1999年，上海、广州等沿海经开区启动房地产市场，开始出现楼宇可视对讲产品的需求，早期产品基于模拟电路技术采用分立元件搭建，专线传输，功能简单；第二阶段：单片机的广泛应用，音频、视频处理技术成熟，出现了黑白、彩色crt可视对讲系统和彩色tft lcd可视对讲系统；第三阶段：2005年以来，产品趋于多样化，生产厂商超过600家，rs485和can总线方式联网方案被广泛采用，基于tcp/ip的数字可视对讲系统出现。大型厂商的楼宇智能产品集成度越来越高，实现了多门口机与多管理机系统，集成了安防报警、小区服务及信息发布等功能6,7。自从2000年以来，国内外有实力的生产厂家集中开发联网型楼宇智能产品，楼宇智能系统的集成度越来越高，对讲系统的数字化、网络化、信息化以及智能化是楼宇监控今后发展的主要方向。随着可视对讲产品日趋标准化、工程安装服务社会化，成本的进一步降低、市场继续扩大和新技术的不断引入，可视对讲产品的功能也日趋多元化，产品成本也会逐步降低。总之，楼宇可视对讲产品的发展已经到了一个全新的阶段，但是还有很多方面不很成熟，未来楼宇可视对讲产品将向新的高度发展8。的应用，由多台计算机和一些智能仪表以及智能部件实现的分布式控制是其最主要的特征，而数字传输信号也在逐步取代模拟传输信号。随着微处理器的快速发展和广泛的应用，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能，产生了以微处理器为核心，使用集成电路代替常规电子线路，实施信息采集、显示、处理、传输以及优化控制等功能的智能设备。设备之间彼此通信、控制，在精度、可操作性以及可靠性、可维护性等都有更高的要求。由此，导致了现场总线（fieldbus）的产生10。现场总线主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。但由于各个国家各个公司的利益之争，虽然早在1984年国际电工技术委员会/国际标准协会（iec/isa）就着手开始制定现场总线的标准，至今统一的标准仍未完成。很多公司也推出其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作性还难以统一。世界上存在着大约四十余种现场总线，如德国西门子公司的profibus，挪威的fint，echelon公司的lonworks，phenixcontact公司的interbus，roberbosch公司的can，rosemounr公司的hart，丹麦processdata公司的p-net，以及modbus，sds，arcnet，国际标准组织-基金会现场总线ff（field bus foundation），worldfip，美国的devicenet等。这些现场总线大都用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，但大概不到十种的总线占有80%左右的市场11。该方案优点：使用软件编解码器进行视频的编解码，在应用上具有较好的灵活性，能对图像进行比较复杂的处理。通过更换 dsp 中的软件编码器和解码器可以同时实现多种视频格式的编解码，也使得对编解码器的升级和优化成为可能。该方案缺点：软件编码器的效率与采用的算法及其实现有着直接的关系，性能的优化难度较大，所以整个系统的性能不如采用视频编解码专用集成电路芯片的系统。dsp芯片大多只集成了少量的外围设备控制接口，需要对外围设备的接口电路做大量的设计，这增加了系统开发的难度和生产成本。基于fpga的处理系统从1984年xilinx公司推出了第一片现场可编程门阵列（field programmable gate array）至今，fpga已经历了20多年的快速发展历程，fpga的逻辑规模已经从最初的1000个可用门发展到现在的1000万个可用门。fpga 采用了逻辑单元阵列这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块、输入输出模块和内部连线三个部分，具有静态可重复编程和动态系统重构的特性13。可编程片上系统（system on a programmable chip，sopc）是sopc技术在可编程器件领域的应用。sopc基于fpga芯片，将嵌入式处理器内核、小容量片内高速ram、多种ip核以及大量的片上可编程逻辑资源集成在一块硅片上，完成整个系统的主要逻辑功能。sopc系统以软核形式嵌入系统，可以根据实际需求对cpu进行剪裁，对多种系统设置组合中进行选择，以达到系统的各项性能指标。基于 fpga 的视频处理系统把得到的模拟图像信号经a/d转换芯片后转换为itu格式的数字信号输入到fpga内部，在nios 的控制和调度下由fpga完成图像的编解码以及显示和传输等功能。系统所需要的功能模块可由用户用硬件描述语言自行开发，也可用ip核公司提供的专用ip核。该方案优点：强大的并行处理能力和可定制流水线结构让fpga非常适合视频算法的实现，能对图像进行比较复杂的实时处理。用户可以根据设计的要求，利用相应的eda 工具，对 nios 处理器及其外围设备进行构建。该方案缺点：sopc 技术还处于发展阶段，能够获得的信息和资料非常有限。用硬件描叙语言来实现图像处理算法的难度较大，而用c语言在 nios ii 中实现图像处理算法的效率太低。altera公司的sopc系统的集成开发工具sopc builder编译效率较低，硬件编译时间过长。基于单片机的处理系统单片机scmc(single chip micro computer)，又称微控制器mcu（micro controller unit）。自单片机诞生以来，已广泛应用在生产、生活的各个方面，单片机以其高速度、低功耗、低价格等优点得到非常广泛的应用，其使用量每年以数百亿片计。单片机已有超过70多个系列的近500个机种，国际上较有名、影响较大的公司及其产品有： intel公司的mcs-48、mcs-51系列， motorola公司的6805、68hcll系列产品，zilog公司的z8、super8系列产品，仙童(fairchild)公司和mostek公司的f8、3870系列产品及atmel公司的89c51、89s51等14。单片机集flash程序存储器既可在线编程（isp）也可用传统方法进行编程及通用微处理器于单片芯片中，可提供许多高性价比的应用场合，灵活应用于各种控制领域。该方案优点：单片机产品硬件结构合理，指令系统规范，在各种工业应用中积累丰富经验，业务程序的可移植性好，减少了系统开发的周期；外部接口便于数据的采集和控制，可采用c语言进行软件编程，外围电路设计相对简单，成本较低，系统整体相对经济合理。该方案缺点：视频的采集编解码对芯片的要求较高，单片机性能有限，易造成功耗较大；基于单片机的处理系统的可拓展性较小。综上所述，三种设计方式相比较各有优点且都能够实现控制功能，但单片机的技术门槛较低且开发成本也较低，所以在处理器的选择方案中选定51单片机作为控制部分的核心器件。1.3.2 通信控制方式的选择楼宇可视对讲系统需要传输的信号主要有三类，分别是音频信号、视频信号和数据信号。在系统布线的过程中，需要重点考虑的是音频传输质量、视频传输质量以及数据传送质量的优劣。在介质材料上，目前主要以多芯线为主流方式，视频信号用同轴电缆传送，音频、数据以及电源线通常用rvv线，也可以使用网络线。而常用的通信控制方式有以下几种。rs485早期的楼宇对讲的通信方式一般采用rs485总线，通过串行总线或并行总线连接,需设置独立的视频音频通道才能进行图像传输, 当传输距离超出一定范围,其视频图像容易出现衰减,图像传输质量不清晰，稳定性较差；目前许多可视对讲系统还是基于rs485总线构建的,虽然其技术己经比较成熟,但由于其只能构成主从式结构系统,通信方式也只能以主站轮询的方式进行,系统的实时性、可靠性较差,主节点任务繁忙，而且还会因个别节点出现问题,使得总线处于/死锁状态，一旦主节点出现故障就可能引起整个系统瘫痪；数据通信方式为命令响应式，数据传输效率较低，同时当通信下端出现异常时，数据不能立即上传，灵活性较差，不能适应实时性要求较高的场合。显然rs485总线已难以满足现代化楼宇可视对讲系统的要求。lonworks总线lonworks是具有强劲实力的现场总线技术，由美国ecelon公司推出并由它们与摩托罗拉、东芝共同倡导，于1990年正式公布而形成的。它采用了iso/osi模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通讯速率从300bps至15mbps不等，直接通信距离可达到2700m（78kbps，双绞线），支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，并开发相应的安防爆产品，被誉为通用控制网络。lonworks技术所采用的lontalk协议被封装在称之为neuron的芯片中并得以实现。集成芯片中有3个8位cpu；一个用于完成开放互连模型中第 12层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理 ；第二个用于完成第36层的功能，称为网络处理器，进行网络变量处理的寻址、处理、背景诊断、函数路径选择、软件计量时、网络管理，并负责网络通信控制、收发数据包等；第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现cpu之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。lonworks技术与产品被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、工业过程控制等行业。另外，在开发智能通信接口、智能传感器方面，lonworks神经元芯片也具有独特的优势。lonworks已经建立了一套从协议开发、芯片设计、芯片制造、控制模块开发制造、oem控制产品、最终控制产品、分销、系统集成等一系列完整的体系结构，吸引了数万家企业参与到这项工作中来，这对于一种技术的推广、应用有很大的促进作用。缺点：lonworks总线的成本较高，虽然它兼容tcp/ip协议，但是并不能取代上层局域网直接挂接到internet网上，另外，其仲裁方式很容易因数据无限重发而导致网络瘫痪。can总线can（control area network）最早由德国bosch公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被iso国际标准组织制订为国际标准，得到了motorola、intel、philips、siemens、nec等公司的支持，已广泛应用在离散控制领域。can协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，其模型结构只取osi底层的物理层、数据链路层和顶上层的应用层。其信号传输介质为双绞线，通信速率最高可达1mbps/40m，直接传输距离最远可达10km/kbps，可挂接设备最多可达110个。can的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。can支持多主方式工作，网络上任何节点均在任意时刻主动向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突15。已有多家公司开发生产了符合can协议的通信芯片，如intel公司的82527，motorola公司的mc68hc05x4，philips公司的82c250等。还有插在pc机上的can总线接口卡，具有接口简单、编程方便、价格便宜等优点，常用的有philips公司can控制器sja1000。优点：can总线是自动化领域技术发展的热点，它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据提供了强有力的技术支持，can总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络,具有可靠性高、成本低、配置灵活、数据传输距离远、数据传输速率快等优点。这种可视对讲系统包括主机和若干分机,主机位于总控制室,分机位于各个用户室内，整个通讯网络采can总线进行控制,音频及视频信号仍可通过专线进行传输，而can总线是全数字式现场测控设备互连总线,通讯速率最高可达1mbps,节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上其它节点的操作不受影响,弥补了485总线的不足。从当前国内外现场总线在楼宇智能化系统中的应用情况来看，lonworks总线和can总线使用较为广泛。can总线在数据传输方面有着显著的优势，它能够完全适应和胜任智能楼宇可视对讲系统的工作环境与要求，其协议的充分性