高层建筑智能保安监控系统的设计

1、1绪论1.1课题背景及意义随着通信技术，控制技术和计算机网络技术得飞速发展和普及应用，智能化建筑在逐步发展壮大，信息基础设施建设步伐也在加快，如何使小区拥有一个高效的舒适、温馨、便利的环境，又能满足不断变化得使用者得需要，对小区实现统一、有序、智能化、网络化管理，这是小区安全管理急需的问题。智能大厦保安监控系统的功能是利用现代化技术，现代计算机技术、现代通信技术和现代图形显示技术实现的，此系统以小区报警只指挥中心为枢纽，以出入口控制系统、家庭防盗报警系统、闭路电视监视系统、停车场管理系统、电梯控制系统等为主构成，形成一个有线和无线结合，固定目标与移动目标结合得多功能、全方位、智能化、系统化的报

2、警指挥中心网络系统，向小区各个用户提供全方位优质可靠的安全服务。各个系统既能独立工作，又能在电脑控制下连成一个有机体，有效地实现技术防范和人员防范相结合得目标，达到住宅小区的保安智能化，确保小区安全。1.2 国内外发展现状及趋势1984年美国建成世界上第一座智能建筑，此后世界各国纷纷效仿，智能建筑迅速在世界各地展开。据统计，美国的智能建筑已经超过万座，日本新建的大楼中也有约60%是智能建筑。此外，法国、瑞典、英国等欧洲国家和香港、新加坡、马来西亚等地的智能建筑也方兴未艾。而且，这些智能建筑的智能化水平都较高，通常可以达到比较高的集成度6。 国际智能建筑的发展大概经历了四个阶段8，第一阶段是19

3、85年1990年的单一功能专用系统阶段，这一阶段只能选择一种或几种最重要的设备在中央监控室内显示与操作，而大多数设备仍需在现场操作和记录；第二阶段是1990年1995年的多功能系统综合阶段，在这一阶段中，由于微电脑技术的发展，所有的设备状态都可以显示于中央控制室内，大大提高了效率，但大部分的系统运算及处理功能，需要集中到中央控制室内由计算机主机进行处理；第三阶段是1995年2000年系统集成阶段，这一阶段中，原来由中央监控主机完成的功能，可以由一些低价格、高处理能力的现场控制器所取代，因此，中央监控主机的功能也扩大到集中监视、集中管理、分散式控制。第四阶段是目前正在进行的一体化集成管理系统阶段

4、，其体系结构分为中央监控管理级、部门监控（分层）管理级和现场信息采集与控制级三层，通过系统一体化的公共高速通讯网络，同时在整个大厦内采用统一的计算机操作平台，运行和操作在同一个界面环境下，以实现集中监视、控制和管理的功能。经过多年来不断的探索和发展，国外在智能建筑领域已经取得了相当大的成绩，智能化程度较高。其产品在系统实时性、可靠性、安全性等方面都达到了很高的水准，同时，在监控界面的显示、报表/趋势图的生成、实时数据的管理、与现场控制器的实时数据传递以及远程监控、智能化控制（专家控制）等方面都取得了突破性的进展并且发展日趋成熟，已经形成了包括美国霍尼韦尔、瑞士能得等公司在内的一系列智能楼宇监控

5、系统产品，并已经应用于世界上很多国家的智能建筑中，且运行状况良好4。近年来我国智能建筑行业得到了迅速发展，呈现出巨大的市场潜力，社会效益和经济效益不断提高，对于改造和提升传统建筑产业和改善人民生活水平起了积极作用。经过多年对智能建筑的设计、评审、施工管理及验收评测，智能建筑在我国已经过了从无序到有序的发展过程，从知道不多到全面认识的过程，如今已进入发展阶段。我国智能建筑从整体上看分初级阶段和发展阶段6，1990年1995年为初始阶段是从单一功能专用系统开始，并有多功能系统综合出现；1995年2000年进入了系统集成阶段，主要是以楼宇管理系统为中心的集成，并已见成效，发展较快；2000年到目前为

6、止是一体化集成管理系统，现正在进行中，发展较慢。1996年以来，我国的智能建筑进入发展阶段3，在全国范围内得到了推广应用，其对象由宾馆、商务楼向银行、证券、办公、图书馆、博物馆、展览馆以及住宅小区智能化等方向发展。在此期间,一些最新的国际先进技术和理念业已进入我国，而且，在我国工程技术领域中，技术人员对新知识、新技术如饥似渴的追求驱使下，很快就把这些最新技术学习到手，并应用于工程实践之中。几年实践之后，一批精心设计、精心施工而且建成后运转良好的智能建筑已经出现，它们对行业的发展起到了示范作用。经过实践的锻炼，我国的技术队伍趋于成熟，若干国外知名品牌产品进入我国，缩小了我国智能建筑行业与国际水平

7、的差距。构建一个完善的智能大厦，能带给我们很多好处4，在一个智能化的商业大厦里办公，集成系统可以在一个中央监控室内实施对大厦内的保安、消防(对独立设置的火灾报警系统实行二次监控)、各类机电设备、照明、电梯等进行监视与控制；一方面可以提高管理和服务的效率，以及节省人丁成本；另一方面由于采用统一的监控与管理的界面环境，大厦内各职能部门的计算机终端都可以通过中央数据库得到大厦内所有的数据信息，实施全局事件和事务处理，使物业管理更趋现代化，同时可以进一步降低大厦的运行和维护费用，提高大厦的竞争力。随着计算机技术、现代通信技术和自动控制技术的迅速发展，智能化楼宇在世界发达国家应运而生，并得到迅速发展5。

8、今后智能建筑的比重还将大幅增加；我国智能建筑的起步较晚，“七五”国家重点科技公关项目“智能化办公大楼可行性研究”，标志着我国智能建筑领域研究发展拉开了序幕。随后，我国智能建筑的研究、开发与实践开始深入，市场也逐渐形成。监控系统是智能建筑的一个重要组成部分，通过对各个子系统进行监测、控制、信息记录，实现分散节能控制和集中科学管理。智能建筑的发展是科学技术和经济水平的综合体现，它已成为一个国家、地区和城市现代化水平的重要标志之一，在我国步入信息社会和国内外正在加速建设信息高速公路的今天，智能建筑将成为城市中的“信息岛”，它是信息社会最重要的基础7。同时，随着信息时代的来临和信息产业的兴起，企业对智

9、能建筑的需求和普通老百姓对智能建筑的认知都在悄悄地发生变化。智能建筑热潮正席卷着中国大地，建筑的智能化成为未来建筑业发展的必然趋势。随着我国住宅产业化的不断发展、推进，智能建筑市场已成为一个新兴的潜力巨大的体现IT业与建筑业紧密结合的高新技术市场，在我国智能化建筑有着巨大的发展前景，同时为众多相关厂商与企业提供了难得的发展机遇。另外8，由于北京申办2008年奥运会的成功，“数字奥运、数字北京”将成为北京今后几年发展的重中之重。大型体育场馆、运动员村的建设对智能建筑的要求也越来越迫切。信息技术以及网络技术的发展使得集成多种功能的智能建筑系统应运而生，如何将这些先进的智能楼宇建筑技术运用到奥运场馆

10、的建设当中去，将是未来北京建设的主要目标，而智能楼宇保安监控系统的设计则是关键的关键。我们已进入一个数字化时代6，而“网络化“是智能楼宇监控系统的发展趋势，将控制系统、防盗报警系统、闭路监视系统等子系统集成在一个网络平台上，是智能楼宇保安监控工程方案的必然选择。最终有利于与智能楼宇里其他子系统融合成一体，使得智能大厦内的信息与资源可共享，便于从全局的角度管理和决策，提高服务质量。智能保安系统应把出入口控制系统、防盗系统、电视监控系统有机的结合在一起、并挂在计算机网络上，使保安系统所有的信息都汇总到控制中心的计算机上。它通过对系统设备传来的信息进行分析、过滤，做出正确的判断，输出相应的处理措施9

11、。随着计算机网络的广泛应用，智能大厦内的保安系统应不在以一个单一的系统存在，其信息应该可以传送到单位的保安部门或公安部门，许多楼宇应该可以组成一个广泛的保安系统1。传送的信息应该不仅局限数据文件，还应该包括图象信息。传送的距离不仅是某个城市或国家，而是在世界范围内。多媒体技术让计算机能够显示并处理，实时的视频图象和声音，多台计算机之间要达到实时图象和声音共享，取决于高速信息网络的建立和图象压缩技术的发展10。1.3论文目的及研究内容本文旨在对智能建筑大厦保安监控系统进行研究，并设计一套具有：在监控室内，能观测到楼内所有重要通道的情况，同时，通过360度旋转球型监视器，能为管理人员提供全方位的视

12、觉效果。本文具体研究及设计如下：（1） 完成对各模块的硬件设计工作；（2） 完成软件平台的设计工作；（3） 综合调试，优化系统性能。2 智能保安监控系统的组成2.1保安监控系统设计要求控制部分显示与记录传输部分摄像部分图2.1 保安监控系统结构图典型的保安监控系统主要由前端设备和后端设备这两大部分组成，其中后端设备可进一步分为中心控制设备和分控制设备。前、后端设备由多种构成方式，它们之间的联系可通过电缆、光纤或微波等多种方式来实现。电视监控系统由摄像部分、传输部分、控制部分以及显示和记录四大块组成11。如图2.1所示，在每一部分中，又含有更加具体的设备或部件。2.2 保安监控系统的组成 摄像部

13、分摄像部分一般安装在监视现场,它一般包括摄像机、镜头、防护罩、支架和云台等。它的作用是对监视区域进行摄像并将其转换成电信号。（1）摄像机摄像机分为彩色和黑白两种，一般黑白摄像机要比彩色的灵敏度高，比较适合用于光线不足的地方，如果使用的目的只是监视景物的位置和移动，则可采用黑白摄像机；如果要分辨被摄像物体的细节，比如分辨衣服或景物的颜色，则选用彩色的效果会较好。摄像机的规格大致可分为1/3、1/4、1/2和2/3等，安装方式有固定和带云台二种。（2）镜 头 常用的镜头种类包括：手动/自动光圈定焦镜头和自动光圈变焦镜头两种。手动光圈镜头-所需监视的环境照度变化不大，如室内。自动光圈镜头-所需监视的

14、环境照度变化大，如室外。广角镜头-监视的角度较宽，距离较近。标准镜头-监视的角度和距离适中。常用的变焦镜头分为10倍、6倍和2倍变焦镜头，另一种分法是：手动变焦和电动变焦（电动光圈和自动光圈）两种。变焦镜头在规则上可以划分为：1/3、2/3、1/2和1等。选择变焦镜头的原则是：镜头的规格不应小于摄像机的规格，也就是说1/2的镜头可以与1/3的摄像机一起使用，但是1/3的镜头就不能够在1/2的摄像机上使用12。（3）防护罩防护罩也称防尘罩，它的作用是用来保护摄像机及镜头不受诸如有害气体、天气、灰尘及人为有意破坏等环境条件的影响。防护罩的分类有室内型、室外型、空调型、防爆型、防尘型及高度安全型、装

15、饰型、隐蔽型等。根据实际的使用环境和具体的用途选择合适的防护罩是很重要的。室内型防护罩的要求比较简单，其主要功能是保护摄像机，能防尘，能通风有防盗、防破坏功能。有时也考虑隐蔽作用，不易察觉。带有装饰性的隐蔽防护外罩也经常被利用。例如带有半球形玻璃防护罩的CCD摄像机，外形类似一般照明灯具，安装在室内天花板或墙上。室外防护罩比室内防护罩要求高，其主要功能有防尘、防晒、防雨、防冻、防结露和防雪能通风。室外防护罩一般配有温度继电器，在温度高时自动打开风扇冷却，低时自动加热。下雨时可以控制雨刷器刷雨。（4）云台云台是安装、固定摄像机的支撑设备，它分为水平和全方位云台两种。水平云台适用于监视范围不大的情

16、况，在水平云台上安装好摄像机后可调整摄像机俯仰的角度，达到最好的监视角度后可遥控水平旋转。全方位云台适用于对大范围进行扫描监视，它可以大大增加摄像机的监视范围。云台高速姿态是由两台执行电动机来实现，电动机接受来自控制器的信号精确地运行定位。在控制信号的作用下，云台摄像机既可自动扫描监视区域，也可在监控中心值班人员的操纵下跟踪监视对象。一般来说，水平旋转角度为0350，垂直旋转角度为+90。恒速云台的水平旋转速度一般在310/s，垂直速度为4/s左右。变速云台的水平旋转速度一般在032/s，垂直旋转速度在016/s左右。在一些高速摄像系统中，云台的水平旋转速度高达200/s以上，垂直旋转速度在3

17、0/s以上。 图2.2 室内外全球云台 YA 5409K技术规格： Y5409K为全天候环境设计，内置全方位云台。 安装方式可选择壁、吊装（吊杆长度可任选）。 结构设计为双层罩，起到遮阳作用，专用支架WS2741,WS2700-XX。 独特的双层罩间加排风扇结构可增加空气流速，便于排风散热，降低球内温度 同一机型可根据环境及用户需求的不同配置有： YA5409K（V1.0版本）普通球型云台 YD5409K（V2.0版本）含内置解码器的普通球型云台 YP5409K（V3.0版本）含内置解码器且带有预置功能球型云台 YB5409K 含固定摄像机支架 YH5409K为高速智能球型摄像机，内置高速预置

18、云台及解码器（5）解码器解码器完成对摄像机镜头，全方位云台的总线控制13。变焦镜头通常有光圈、聚焦、变焦3个电机，可以正反向旋转，6个动作分别称为:光圈大、光圈小、聚焦远、聚焦近、变倍长和变倍短。变焦镜头的电机大部分是直流电机，直流电机加反相电压后就会倒转，3个电机如果用一个公共接地端，共有4根控制线.电动云台通常有水平旋转和俯仰两个电机，也可以进行正反向旋转，4个动作分别称为上、下、左、右。电动云台的电机大部分是交流电机，这种电机有两个绕组，两个绕组有一个公共端，当一个绕组接交流电压时，另一绕组经移相电容接人交流电压，当交流电压分别从两个绕组接人时，电机正向、反向旋转。两个电机的公共端接在一

19、起，共有5根控制线。当摄像机与控制台距离比较近时，可用直接控制方式来操作摄像机，这时可用多芯电缆将10个动作的控制电压从控制室传到摄像机处。变焦镜头的3个直流电压需要4芯控制线，电动云台两个交流电机需要5芯控制线，一共要9芯控制线。如果再加上电源控制、雨刷控制就须用13芯电缆。用多芯电缆传送电动云台和变焦镜头的控制电压原理简单，工作可靠，但其缺点是浪费线材，且有很多能量消耗在传输电缆上，因此只适于近距离使用，一般不超过100m。当摄像机与控制台之间的距离超过100m时，则采用总线编码方式来操作摄像机，一个摄像机的电动云台和镜头配备一个解码器，解码器主要是将控制器送来的串行数据控制代码转换成控制

20、电压，从而能正确自如地操作摄像机的电动云台和镜头。目前控制距离较远的，电动云台和变焦镜头较多的场合，常用上述方式，控制电缆可由13芯改为2芯，电机的驱动电源就地供给，避免了电机驱动电源长途传送时的能量损失。解码器除了对摄像机的电动云台和变焦镜头进行控制以外，有的还能对摄像机电源的通/断进行控制。控制部分在智能大厦中，闭路电视系统中的信息量与信息处理的工作量都很大，因此其控制台的操作一般都采用了计算机系统，以用户软件编程的全键盘方式来完成驱动云台巡视、视频切换、报警处理、设备状态自检等工作15。现在推出的数字视频监控报警系统采用计算机多媒体技术，以CCD摄像机作为报警探头，摄像机将获取的视频信号

21、传输到主机，主机里的高速图像处理器进行数字化处理，将视频信号形成的图像与背景图像进行分析比较，若发现有差异就报警，因为这是一种全屏幕报警，因而不易漏报。同时主机自动采集报警图像并存入计算机，事后用户可根据时间、地点随时查阅报警现场的图像，以了解报警原因。系统将电视监控系统与报警合二为一，实现了监视、报警与图像记录的同步进行，而且这种系统中没有录像机，没有视频分配器，一切报警记录都在计算机的硬盘内，所有操作都根据屏幕上的软件提示动作，对使用者来说是一种全新概念的安全防护系统。控制系统的切换方式主要有如下2种：（1）单步切换方式：使用控制键盘把任一路输入视频信号切换到主监视器上。（2）顺序切换方式

22、：使用控制键盘编制的顺序切换方式程序，把系统中若干路输入视频信号编为一个程序，程序运行时，其画面可按预先设定。传输部分传输系统包括视频信号和控制信号的传输。视频信号的传输可用同轴电缆、光纤或双绞线，用双绞线传输时需可视频转换适配器。控制信号的传输方式包括：直接控制：控制中心直接把控制量，如云台和变焦距镜头的电源电流等，直接送入被控设备。特点是简单、直观、容易实现。在现场设备比较少，主机为手动控制时适用。但在被控的云台、镜头数量很多时，控制线缆数量多，线路复杂，所以在大系统中不采用。多线编码的间接控制：控制中心把控制的命令编成二进制或其它方式的并行码，由多线传送到现场的控制设备，再由它转换成控制

23、量来对现场摄像设备进行控制。这种方式比上一种方式用线少，在近距离控制时也常采用。通讯编码的间接控制：随着微处理器和各种集成电路芯片的普及，目前规模较大的电视监控系统大都采用通信编码，常用的是串行编码。它的优点是：用单根线路可以传送多路控制信号，从而大大节约了线路费用，通讯距离在不加中间处理情况下达可达1km公里以上，加处理可传10Km以上。这样就克服了前面两种方式的缺陷。本系统采用此种控制。除了以上方法外，还有一种控制信号和视频信号复用一条电缆的同轴视控传输方式。这种方式不需另铺设控制电缆。它的实现方法有两种：一种是频率分割，即把控制信号调制在与视频信号不同的频繁范围内，然后同视频信号一起传送

24、，到现场后再把它们分解开；另一种方法是利用视频信号场消隐期间传送控制信号（同轴视控）。这种方法在短距离传送时明显比其它方法要好，但设备的价格相对也比较昂贵。显示与记录 显示与记录设备安装在控制室内,主要有监视器、硬盘录像机和一些视频处理设备。 现在有一种电视监控系统把云台、变焦镜头和摄像机封装在一起组成一体化摄像机。它们配有高级的伺服系统，云台具有很高的旋转速度，还可以预置监视点和巡视路径。平时按设定的路线进行自动巡视，一旦发生报警，就能很快地对准报警点，进行定点的监视和录像。一台摄像机可以起到几个摄像机的作用16。（1）图像监视器监视器是保安监控系统的终端显示设备。整个系统的状态最终都要体现

25、在监视的屏幕上，监视器的优劣直接影响着整个系统的最终效果，所以监视器在电视监控中与摄像机、控制设备等占有同样重要的地位。监视器的选择:1)保安监控系统至少要有两台监视器，一台做切换固定监视用，另一台做时序切换或多画面监视用。监视器宜采用14inZlin屏幕的监视器，特别是多画面显示的，应尽可能大一些。2)黑白监视器的水平清晰度应大于600线，彩色监视器的水平清晰度应大于400线。3)在选择监视器时，一定要根据实际情况或条件，选择技术指标合适的监视器。4)同样尺寸的监视器性能远好于电视机，但价格也高于电视机很多，有时根据用户的要求也可采用电视机作监视器，有特殊要求时，还可采用大屏幕电视机或投影电

26、视作为监视器。5)选择监视器必须与系统安装的摄像机制式性能相一致。6)还要考虑监视器本身的安装环境、条件等。7)数字记录电视监控系统都选择电脑显示器作为监视器。（2）录像机录像机是保安监视系统中的记录和重放装置，它要求可以记录的时间非常长，目前大部分监视系统专用的录像机都可以录24h960h的录像。此外，录像机还必须要有遥控功能，从而能够方便地对录像机进行远距离操作，或在闭路电视系统中用控制信号自动操作录像机。闭路电视监视系统中专用录像机是间歇式视频录像机，它有多种时间间隔录像模式，在一盘1/2英寸VHS/E180的盒带上，最长可以录制长达960H的录像。录像机内设有字符信号发生器，可在图像信

27、号上打出月/日/年/星期/时/分/秒/录像模式，还能在图像上显示出摄像机与报警器的编号与报警方式。使用自动录像周期设定功能，可以对一星期内每一天的录像模式进行编程。当收到报警信号后，录像机便自动进入连续录像状态，在无报警情况下，恢复正常间歇录像模式。此外，录像机还有一个锁定保护键，使非正常指令与操作无效，防止非专业人员与破坏性操作侵犯闭路电视监视系统。（3）视频切换器在保安监控系统中，摄像机数量与监视器数量的比例在2:1到5:1之间，为了用少量的监视器看多个摄像机，就需要用视频切换器按一定的时序把摄像机的视频信号分配给特定的监视器，这就是通常所说的视频矩阵。切换的方式可以按设定的时间间隔对一组

28、摄像机信号逐个循环切换到某一台监视器的输入端上，也可以在接到某点报警信号后，长时间监视该区域的情况，即只显示一台摄像机信号。切换的控制一般要求和云台、镜头的控制同步，即切换到哪一路图像、就控制哪一路的设备。（4）多画面分割器在大型的闭路电视监视系统中摄像机的数量多达数百个，但监视器的数量受机房面积的限制要远远小于摄像机的数量，而且其数量大多也不利于值班人员全面巡视。为了实现全景监视，即让所有的摄像机信号都能显示在监视器屏幕上，就需要用多画面分割器。这种设备能够把多路视频信号合成为一路输出，进入一台监视器，这样就可在屏幕上同时显示多个画面。分割方式常有4画面、9画面及16画面。使用多画面分割器可

29、在一台监视器上同时观看多路摄像机信号，而且它还可以用一台录像机同时录制多路视频信号。有些较好的多画面分割器还具有单路回放功能，即能选择同时录下的多路信号视频信号的任意一路在监视器上满屏放像。（5）视频分配放大器在保安监控系统中，视频信号配接的标准阻抗是750。，视频信号输出的标准电平是IVp一p(峰值)正极性，其中图像信号是0.7vp一p，同步信号是0.3vP一p，这在视频设备的设计及系统设备的配置时要注意，否则会引起信号失真或反射、重影等。在视频信号分配时，尤其要遵守信号幅度相适应和阻抗匹配原则。有时电梯中的监控摄像为克服电梯变频系统频率接近视频信号而产生的干扰，可将视频信号调制成射频传送后

30、再解调成视频信号。电视监控系统中心控制室(机房)的视频信号都来自各摄像机，并由750同轴电缆送人机房。当一路视频信号只送到一个监视器时，可直接把750同轴电缆送来的视频信号接到监视器的视频输入端，监视器输入阻抗开关拨到750即可。视频分配放大器可将接收到的每一路视频输入信号复制成同一振幅的多个输出信号。如 CM9760一MDA型视频分配放大器，有十六路视频输入，每个输入有四路视频输出。在这里只把监视器作为视频设备来举例，对于其他视频设备(如录像机等)的配接，也同样要用上述方法来处理。串口通信 串口通信分为串口同步通信和串口异步通信。同步通信指通信双方以相同的速率进行，而且要准确的协调好，这种通

31、信在时钟同步方面要求非常苛刻，对硬件及软件设计均有相当高的要求，因此对一般设计者并不实用，异步通信指不要求双方进行速率同步，通信双方只需要遵循相互设定的异步通信协议（可以简单的对单片机或微机的操作寄存器进行设置加以实现），就可以实现双方通信，因而受到一般设计者的普遍欢迎，下面以系统中底层通信的应用为向导，具体介绍单片机和微机的串口通信13。（1） 微机RS-232串口与RS-485串口通信 微机RS-232串口有DB25和DB9两种接口类型，主要功能与引脚接口图如图 2.3。系统采用DB9类型的串口，RS-485总线接口是一种常用的串口，具有网络连接方便、抗干扰能力强、传输距离远等优点。RS-

32、485收发器采用平衡发送和差分接受，因此具有抑制共模干扰的能力，加上收发器具有高的灵敏度，能检测到低达200mv的电压，可靠通信的传输距离可达数千米。使用RS-485总线组网，只需要一对双绞线就可以实现多系统联网构成分布式系统、设备简单、价格低廉、通信距离长19。 2 接收数据 3DB9DB253 发送数据 24 数据终端就绪 45信号地 76数据设备就绪66数据设备就绪68清楚发送5图2.3 微机串口引脚功能图此外，RS-232与RS-485总线信号的逻辑电平定义是不一样的，因此计算机系统要接收或发送RS-485总线上的数据帧信息，就要进行信号电平的转换，转换的详细电路在硬件设计中详细说明。

33、（2）单片机RS-485多机通信 RS-485采用平衡发送和差分接收方式来实现通信，在发送端TXD将串行口的TTL电平信号转换成差分信号A、B两路输出，经传输后接收端将差分信号还原成TTL电平信号。两条传输线通常使用双绞线，又是差分传输，因此有极强的抗共模干扰的能力，接收灵敏度也相当高。同时，最大传输速率和最大传输距离也大大提高。如果以100Kbps速率传输数据时距离可达1.2km如果降低波特率，传输距离还可以进一步提高。另外RS-485实现了多点互联，最多可挂256台分机，非常便于多器件的连接。不仅可以实现半双工通信，还可以实现全双工通信。在由单片机构成的多机串行通信系统中，一般采用主从式结

34、构：从机不主动发送命令或数据，一切都由主机控制。并且在一个多机通信系统中，只有一台单片机作为主机，各从机之间不能相互通讯，即使有信息交换与必须通过主机转发。采用RS-485构成的多机通讯原理图，如图2.4所示。主 TXD机 RXD从 TXD机1 RXD1从 TXD机2 RXD从 TXD机3 RXD图2.4 多机通信原理图2.3总体设计方案系统主要参数如下：（1） 监控建筑楼层10层，每层6套房间；（2） 智能大厦保安监控系统共设计64台摄像机，中心监管控制系统1套；（3） 楼层监视云台360度自由旋转，上下俯仰，房间监视云台180度旋转，45度俯仰；（4） 中心监控响应时间小于0.1s轮询时间

35、不得超过3s.前端图像采集部分智能大厦闭路电视监控系统共设计64台摄像机，其中的60套设计安装在智能大厦的各个房间内，该设计能对大厦各个房间实行实时监控，确保每一个房间的安全，不出现任何以外，同时在智能大厦的重要通道，如楼层入口，电梯等重要通道安装4台摄像机。使这些重要部位能得到实时监控确保大厦的安全。图像和控制信号传输部分智能大厦闭路电视监控系统视频信号采用屏蔽视频电缆，根据摄像机安装位置建议选择采用RG59/128编（或SYV-75-5/128编）等同轴电缆，以保证监控信息的准确传输。控制线设计采用RVVP2*28/0.15圆形双绞屏蔽电缆。图像控制存储部分监控中心机房位于大厦一楼消防中心

36、，在监控室设计控制矩阵主机，设计采用8台21英寸监视器作为电视墙，1台21英寸的监视器作为主监视器。录像系统设计采用4台16路数码硬盘录像机，同时配置4台17英寸纯平显示器进行实时监视。设计整个硬盘录像系统可以连续保存录像资料15天，硬盘录像系统支持录像与回放半双工和全双工工作。图2.5 闭路监控系统结构原理图2.4方案论证及参数计算 在2.3中提到了系统的具体参数设计要求，在本小节中将对系统方案进行可行性研究与参数的计算。 系统设计中，根据上述指标，楼层摄像头数目是通过以下计算式得到的。楼层摄像头台数=楼层层数每层房间数 （2-1）根据上述公式可得楼层摄像头台数=106=60（台） （2-2

37、）此外，还配备了4台摄像头监视一些重要通道，如楼层入口，电梯等重要通道。这样，总共需要的摄像头台数就是:所需摄像头台数=楼层层数每层房间数+4 （2-3）即 所需摄像头台数=106+4=64 （2-4）至于楼层监视云台360度自由旋转，上下俯仰，房间监视云台180度旋转，45度俯仰，由于系统监测的目标物为宏观对象，因此对角度参数要求不高，当云台或摄像头到达位置满足需要时，可立即按下停止按钮。由于系统的响应时间很快，不会对监测造成太大的影响，完全可以满足宏观物理观测的要求。标准RS-485接收器的输入阻抗为12K(一个单位负载)，标准驱动器最多可以驱动32个单位负载。又：RS485可带收发器节点

38、数=32/每个接收器的单位负载数 （2-5）按照上式，若采用一般的RS485接收器，标准驱动器可驱动节点数为：RS485可带收发器节点数=32/1=32（个） （2-6）而系统配置需要带64个接点，显然，采用一般的RS-485收发器不能满足系统的需要，通过查阅MAX系列芯片的Datasheet我们注意到，MAX13487E/MAX13488E收发器的接收器具有1/4单位负载的输入阻抗（48K），而且这些器件可以任意组合，或者与其它的RS-485收发器组合使用，只要总负载不超过32个单位负载即可挂接在同一总线上。同理：RS485可带收发器节点数=324=128（个） （2-7）显然，采用MAX1

39、3487E/MAX13488E收发器系统带节点的能力大大增强，完全可以满足系统参数指标的要求。时钟周期也称为震荡周期，定义为时钟脉冲的倒数，是计算机中的最基本的、最小的时间单位。在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作，时钟脉冲是计算机的基本工作脉冲，控制着计算机的工作节奏，时钟频率越高，工作速度越快。T时钟=1/f晶振 (2-8) 在本设计中，各单片机均采用12MHz晶振，因此时钟周期为：T时钟=1/1210-6=1/12 us (2-9)89C51单片机把一个时钟周期定义为一个节拍（用P表示）。二个节拍定义为一个状态周期（用S表示）。计算机中，常把一条指令执行过程划分为若干个阶段，每

40、一个阶段完成一项工作，每一项工作称为一个基本操作，完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期，89C51系列单片机的一个机器周期由6个S周期（状态周期）组成。一个S周期=2个节拍（P）。所以89C51单片机的一个机器周期的计算式为：T机器=12T时钟 (2-10)据上式，有：T机器=121/12=1us (2-11) 从上述计算中可以知道，震荡周期为1/12us,时钟周期为1/6us，执行一条指令所需要的时间，一般由一个机器周期组成，指令不同，所需的机器周期也不同，一般来说，指令周期为14us,执行一个程序所需要的T程序执行是：T执行程序=NT指令 (2-12)若以每个自程序100条指令，按指令

41、周期为4us计算。则程序执行一次所需要的时间为：T执行程序=100T指令 =1004us=400us (2-13) 串口初始化，采用方式2.即数据的发送和接收都以11位为一个单位，包含一个必为0的起始位，8个数据位，一个TB8位和一个必为1的停止位，起始位及停止位是串行端口在发送时自动加上去的，进行接收动作时，收到的第10位（即TB8的内容）会自动存入特殊功能寄存器SCON的RB8内；波特率是由指令改变特殊功能寄存器PCON中的SMOD位决定的。若SMOD=0，则波特率=fcsc64 (2-14)若SMOD=1，波特率=fcsc32 (2-15)此外，设定SMOD=1，又在串行端口工作于模式2

42、时，波特率仅由SMOD决定，不需要用任何定时/计数器担任波特率发生器，因此，当fcsc为12MHz时，波特率为：波特率=fcsc32=1210632=3.75105b/s (2-16)由上式可得，系统波特率为3750000 b/s。由于系统采用多机通信方式，当主控模块要对下位机进行控制时，只需送出下位机的地址码，就可以与被呼叫到的从机相互通信，系统设计中，主控模块只要在呼叫下位机地址后送出相应的控制字，就可以实现对下位机的控制，实际上，每发送一条命令，只要送出两条控制字就可以完成呼叫与控制，此后，分机再返回响应信号。也就是说，主机与下位机的通信速率是很快的，可以大致估算，通信一次所花时间不会超

43、过100us。上文提到分机的控制程序的运行时间不会超过400us，那么加上串行通信所花的时间100us很容易就得到中心监控响应时间为500us，而系统的响应时间参数要求为小于0.1s，完全符合参数要求。系统的轮询时间可以这样得到，即64台分机分别动作一次的时间，再加上矩阵切换控制器将每个摄像头得到的视频信号均在4台监视器上显示一次所需要的时间，矩阵切换控制器每次可以输出4路信号，系统共有64路视频信号。即各路视频信号均显示一次需要切换16次，若按每次动作花费时间为500us计算，轮巡时间计算如下：轮巡时间=切换次数平均每次动作所花时间 (2-17)由上式可得：轮巡时间=80500us=4000

44、0us=0.043s (2-18)由以上分析可知，系统响应时间均可以满足预期的参数要求。因此该系统方案是可行的，可以达到预期的控制效果。3 保安监控系统的硬件设计3.1 硬件总体设计方案本设计的总体方案结构框图如图3.1所示。硬件设计以矩阵切换控制器为核心，各个摄像头配备专门的分控单片机。主机通过串口向各分机发送命令，以实现对各模块的控制。图3.1 系统总体方案结构框图3.2 保安监控系统的硬件设计 单片机系统原理 单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作的时间基准，时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡和外部振荡。AT89C51单片机内部有一个用于构成 振荡器的高增益反向放大器，引脚XT

45、AL1和XTAL2分别是此放大电器的输入端和输出端，由于采用内部方式时，电路简单，所得的时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这种方式，在其外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷振荡器就构成了内部振荡方式，片内高增益反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体一起可构成一个自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。图3.2中 外接晶体以及电容C2和C3并构成并联谐振电路，他们起稳定振荡频率、快速起振的作用，其值均为30pF，晶振频率选12MHz。因此，本系统中，振荡周期为112us，时钟周期为16us，机器周期为1us，指令周期为14us。图3.2 单片机最小系统电路为了初始化单片机内部的某些 特殊功能寄存器，必须采用复

46、位的方式，复位后可使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始正常工作。单片机的复位使靠外电路来实现的，在正常运行情况下，只要ST引脚上出现两个时钟周期以上的高电平，即可引起系统复位，但如果RST引脚上持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位后系统将输入、输出（I/O）端口寄存器为FFH，堆栈指针SP置为07H，SBUF内置为不定值，其余的寄存器全部清0，内部RAM的状态不受复位的影响，在系统上电时RAM的内容是不定的 。复位操作有两种情况，即上电复位和手动（开关）复位。本系统采用上电复位方式。图3.2中R1和C1组成上电复位电路，其值R1取为10K，C1取为10uF。 矩阵切

47、换控制器部分矩阵切换控制的控制核心采用AT89C51单片机。整个视频矩阵切换器主要有89C51单片机和四片MT8816组成。MT8816是MITEL公司生产的816模拟开关矩阵，采用CMOS工艺制作。AT89C51单片机时由美国ATMEL公司推出的高效单片机，它的质量与INTEL公司的MCS-51系列单片机完全兼容，本身带有4K字节闪速可编程可擦除只读存储器，AT89C51芯片作为微控制器用于对切换矩阵各单元进行切换控制以及用于构成人机界面和 构建RS485串行通信接口。单片机89C51与MT8816的连线如图3.3所示。图中用作为四片MT8816的行地址和列地址控制线，P0.7作为两个芯片的

48、片选信号。分别作为选通脉冲ST、数据输入DI、复位信号RESET。两片的ROW0-ROW15都作为输入，两片的COL0-COL7依次并联作为输出，即64路输入，4路输出。图3.3 单片机与MT8816的硬件连线图云台摄像头控制部分AT89C51的P0口作为摄像头控制线的控制口，P0口数据通过74HC373锁存后送入摄像头控制口线。摄像头控制线均为高电平有效，当P0端口的某个针脚输出高电平时，与之相连的摄像头控制口线也为高电平，因此云台或摄像头就会根据端口电平高低而动作了。比如，当P0.0为高电平时，云台将向上运动，管理员只要在主控端输入端口号，就可以控制云台和摄像头的动作了。其硬件接线图如图3

49、.4所示。图3.4 摄像头控制线的驱动控制图 摄像头编址部分设计中通过物理编号的方式对64台摄像机进行编号，其硬件连线如图3.5所示。从图中我们可以看出，只要设置开关的通断就可以给各自的摄像机进行编号了。在图3.5中，S1，S2，S3，S4，S5，S6均为断开，由于下拉电阻R1，R2，R3，R4，R5，R6的 存在，P1口的P1.0，P1.1，P1.2，P1.3，P1.4，P1.5D 输入均为低电平，显然该机的地址为000000，即为0#号摄像机，采用同样的方法，我们只要根据需要将对应的开关闭合就可以改变编号了。本设计中，摄像机可编号的范围时000000至111111（即0#-63#）。图3.

50、5 摄像机本地编址电路 云台控制器RS485通信接口电路图3.6 MAX485与单片机的硬件连接图图3.6表示的是单片机与RS485总线的接口电路。串行通信标准RS-422的变形，RS-422时全双工的，RS-485是半双工的，实现了由多至32个驱动器和32个接收器构成的真正多点总线，在通信长度、速率、抗干扰能力等方面，均优于RS-232E标准。本设计中，RS-485串行接口芯片采用MAX485，MAX485是适用于RS-485通信的低功率接收器，包含一个驱动器和一个收发器，并能和其他的RS-485收发器任意组合，一起挂在总线上。视频输入输出缓冲部分图3.7是视频输入缓冲器电路。输出级采用NP

51、N晶体管，并接成SEPP输出电路。该电路结构适用于高频工作，具有输入阻抗高的优点，故可用作告诉运放的电流增强器和75负载输出缓冲器电路。 VT1集电极获得与输入相位相反的输出，使VT3和VT4构成的电流镜像电路电流改变，VT2和VT4构成推挽工作电路。负摆动时，采用2级放大后产生时滞，R1与微分加速电容C1并联，使其方波上无振荡时为宜。采用的晶体管根据必要的高频特性而选定。输出晶体管VT1基极R1是防止异常振荡而输出稳定的电阻，这是射级跟随器电路中常用的一种措施。当使用75负载，在获得倍峰-峰值电压输出时，要选用输出允许损耗较大的晶体管（0.51W）。图3.7 视频输入缓冲电路输入级跟随器VT

52、1与输出晶体管VT3互补链接，抵消VBE变动引起的输出直流电平的波动，用电位器RP1调整输入输出间的电压失调。图3.8 视频输出放大电路图3.8中的运放A采用HA2539构成视频放大器电路。HA2539追求高速性能，具有S/R为600us，GB积为600MHz，以及优良的交流性能，但不足之处是失调电压最大为15mV，输入偏置与电流为20uA，失调电压最大为6 mV，输入阻抗典型值为10K，不适用运算等电路。为使工作频率达到100MHz，必须降低电路阻抗，反馈电阻R10为1K左右。据此推算R9，令R9=R10/R8,即R9为0.09K，取0.1K，以减少因输入偏置电流产生的失调。为使输出阻抗为7

53、5，在输出端串联电阻R11，如果与下级的连线短接，则可不接R11.电源线路的旁路电容要靠近HA2539安装，要与电容C2并联0.01uF的陶瓷电容。 矩阵切换控制器RS232电平与TTL电平转换电路不同的独立系统利用线路互相交换数据即为通信，通常通信的形式可分为两种，一种为并行通信，另一种为串行通信，本系统采用串行通信方式实现单片机与PC机的数据交换，具体电路如图3.9，PC系列机配置的是S-232C标准接口，而AT89C51单片机输入、输出电平为TTL电平。因RS-2323C的逻辑电平与TTL电平不兼容，因此想要RS232接口是PC 机的通用接口，也是目前最常用的串行接口标准，广泛用于计算机

54、之间、计算机与外设的数据通信。但RS232接口的最大缺点是通信距离短，传输数据慢，接口处的信号易产生串扰。因此，数据通信常用RS485接口。RS485接口信号采用差分传输方式，提高了数据的传输距离，避免了传输线路的干扰信号。图3.9 TTL电平转换电路在很多应用场合，常需要RS485接口信号送入计算机，由于RS485接口是半双工方式，而RS232接口是全双工方式，因此，RS232接口与RS485接口的转换需要一个信号来控制收发的切换。通常使用RS232接口的DTS信号来控制切换，但这样一来，需要在原来的软件上修改RS232接口函数代码，增加DTS控制信号的处理。 PC机RS232与RS485接

55、口转换电路 通过分析RS485接口芯片和RS232的信号，我们发现可以方便地实现RS485接口与RS232接口的数据自动收发，不需要专门的控制收发切换。这样一来，用户可以方便地将RS232信号转换成RS485信号，不需要修改软件，透明地实现了它们的转换。电路设计如图3.10所示。图3.10 RS485与RS232接口电路电路使用了AT89C2051检测RS232接口输出信号的起始位，AT89C2051P3.2设定为外部中断，为边沿触发方式。当RS232输出数据的起始位到来时，AT89C2051的外部中断被触发，AT89C2051控制RS485芯片的DE脚，将RS485接口设置为发送状态，直到输出数据的停止位为止。AT89C2051再控制RS485的DE，将RS485接口设置为接收状态，实际上AT89C2051设计为一个精密的单4稳出触发器也可以用别的单片机替代，电路中的U2MAX232