2014, Vol. 37
2. 哈尔滨工业大学(威海), 山东 威海 264209
2. Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai Shandong 264209, China
随着科技的不断发展和人们安全防范意识的逐步提高，门禁系统在现代化办公和人们的生活中的应用越来越普遍。智能建筑的日益流行对于楼宇管理自动化和安全监控也提出了更高的安全性和可靠性要求，传统的非可视楼宇对讲系统是通过有线连接的方式，根据语音来辨别来访客户后实现远距离控制的。目前大部分已安装楼宇对讲系统的小区该系统只局限在实现远距离控制和报警功能，不能满足现在对于门禁系统的主动性、实时性、灵活性及其可扩展性的需求[1]。
国外在这方面的研究相对比深入，2008年10月，韩国三星公司推出基于RS-485总线方式的SHT-705系列可视对讲系统[2]，2009年11月，GE安防集团推出了基于以太网架构的Miracle全数字楼宇对讲系统[3]，2011年6月霍尼韦尔发布IS-6500数字可视系统采用互联网通信技术，这些国外产品的价格都比较高。2013年哈尔滨工程大学大学的汤明提出了基于TCP/IP协议设计楼宇可视门铃系统的技术实现方案。不再使用常用的PC核心板做客户端，而是采用S3C2440嵌入式CPU作为核心处理器设计门铃系统[4]。2008年南京理工大学的许仁德提出了基于新兴的ZigBee技术的无线可视门禁系统的完整解决方案，并且提出了基于新兴的ZigBee技术的无线可视门禁系统的完整解决方案[5]。2008年黄言态等人通过在.iMX上运行嵌入式Linux操作系统，结合先进的网络技术，监控系统可实现嵌入式视频采集的功能，同时还可以对图像进行压缩处理[6]。2009年高显生等人设计了一种嵌入式无线可视门铃系统，系统采用采用硬件编、解码方式实现IDE接口设备或网络端口输入和输出的MPEG-4码流[7]。总结国内外的相关研究现状和特点，目前所采用的模拟视频技术存在的不足：如抗外界干扰的能力差，视频传输信号差等现象；远距离传输时需要加视频放大器进行信号放大；多个用户之间进行通话时常常出现占线情况，并且功能比较单一难以扩展等[8]。
为了解决采用模拟视频技术存在的问题，提出了一种基于无线网络可视门禁系统的设计方法，通过无线wifi网络的方式进行视频信号的传输，克服了现今的有线传输所遇到的问题。具有抗外界干扰能力强、无需布线、视频传输信号好、使用范围不受限制、功能可扩展性强等优点，并且其成本低廉、操作简单，是楼宇智能化的集中体现。系统在设计时还考虑到了图像传输的延时解决方式，以及解决了多台室内用户机与一台门口机同时进行数据传输的可靠性问题[9]。
1 系统的组成与总体方案的设计 1.1 系统的总体方案无线网络可视门禁系统的结构、组成以及信号传输方式如图 1所示，系统由门口机、副门口机、围墙机、室内用户机及管理机组成。在门口机可以按任一台室内用户机的机号来呼叫用户。当用户摘机后，用户在通过室内用户机显示屏可以看到来访者的图像，同时可以和来访者进行对话，并且按开门键即可打开门让来访者进入。
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图 1 无线网络可视门禁系统的组成 |
传统的门禁系统中，在简单硬件基础上进行简单的设备控制或数据采集，并不需要特别操作系统的支持，以前多数门禁控制设备上运行的只是功能单一的程序。本次设计中，室内用户机可独立地对出入口进行监控，而且还能通过网络与管理系统互联共同完成对门禁管制区域的监控和管理，因此要求控制器必须有网络的软硬件支持，结合所选用的硬件，考虑成本问题，选用Android操作系统作为室内用户机的操作系统[10]。
1.2 图像发送和接收模块参数整个楼宇门禁系统中视频的发送和接收均采用基于WI-FI的局域网模式，并且可以设置IP地址。门口机带红外摄像头，并且具备图像无线发送模块，室内机带液晶显示屏，并且具备图像接收模块。系统图像无线发送模块的参数是：1) 提供电源及控制接口，采用2线制串口通讯，波特率2 400。2) 外部通过串口设置IP地址等。3) 通过串口输入报警地址、报警类型、报警接收IP地址，模块自动将信息传输到相应IP地址的模块。4) 通过串口输入需发送图像接收模块的IP地址并控制模块，与该地址接收模块通讯。
带彩色液晶显示屏的WI-FI图像接收模块的参数是：1) 提供电源及控制接口，采用2线制串口通讯，波特率2 400。2) 外部通过串口设置IP地址等。3) 通过串口输入报警地址、报警类型、报警接收IP地址，模块自动将信息传输到相应IP地址的模块。接收其他模块传送过来的报警地址、报警类型，并通过串口发送给嵌入系统的主控芯片。4) 通过串口输入需读取图像的图像发送模块的IP地址并控制模块接收图像和显示在液晶屏上。5) 图像延迟 < 0.5 S，图像清晰，无明显干扰、失真。系统具备的功能有：通话功能、视频监控功能、记录功能、控锁功能、系统还具备安防报警功能。
2 室内用户机的硬件设计 2.1 硬件总体电路设计图 2为室内用户机的硬件框架图，室内用户机是由ARM11处理器S3C6410、音频控制模块、视频控制模块、无线网络传输模块、存储电路、电源电路等和相应的外围元件组成。
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图 2 室内用户机的硬件框架图 |
当室内用户机接到门口机或围墙机的呼叫信号时，处理器向音频电路输送一定频率的信号，让音频电路产生振铃信号，发出振铃。当用户摘机或监控时，处理器打开音频和视频电路，同时通过无线网络与门口机通信，让门口机也打开相应的音频和视频电路，门口机摄像头开始图视频的采集，实现可视对讲功能。当按了开门键时，处理器通过无线网络发送相应的开门信号到门口机，执行开门程序。挂机时，处理器发送挂机信号给主机，室内用户机和门口机都关闭程序[11]。
2.2 电源管理系统设计系统选取处理器的型号是S3C6410X-66，在ARM11的核心电路上，需要电源管理电路，系统正常工作需要3.3、1.8、1.2 V以及2.8 V电压。图 3和图 4分别为输出3.3 V和2.8 V电压转换电路[6]。
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图 3 输出3.3 V电压转换电路 |
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图 4 输出2.8 V电压转换电路 |
门口机结构主要包括：门口机控制器、无线传输模块、键盘、带红外的摄像头、喇叭、麦克、报警装置等几部分。无线网络传输模块用于传输视频信号、音频信号和各种数字信号给室内用户机和管理机，并接收室内机发送过来的音频信号和各种数字信号。视频信号由门口机发送到室内用户机，在室内可以观察到门口的情况，在门口无法查看室内情况；键盘用于输入房间号；摄像头用于捕捉门口视频信号；喇叭和麦克用于户主和访客进行语音交流；报警装置用于当户主遇到特殊情况时报警[12]。
3 室内用户机的软件设计在室内用户机ARM11的电路板上，运行的操作系统是Android操作系统，Android是基于Linux内核的操作系统，是Google公司在2007年11月5日公布的手机操作系统，早期由Google开发，后由开放手持设备联盟(Open Handset Alliance)开发。它采用了软件堆层(software stack)的架构，主要分为3部分。Android操作系统最大的显著特点就是开源，现广泛应用于各种手持终端设备上。首先在java中要导入硬件驱动的SDK函数包，比如LED、PWM、ADC和通用接口等，以便可以在应用层控制这些模块。在src源程序中使用java语言编写的功能模块函数主要有IP地址设置模块、摄像头功能控制模块、响铃模块、报警模块以及socket通信模块[5]。Android软件设计流程如图 5所示[8]。
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图 5 室内用户机软件流程 |
由于门口机的摄像头是IP camera，可以设置本身的IP地址以便访问，IP camera的IP地址有无线路由器提供。在室内用户机设定访问IP camera的IP地址部分代码如下[13]。
if (ss[0].substring(0，2) == "ip") {
ss[0] = ss[0].substring(2)；
Settings.System.putInt(cr，
Settings.System.WIFI_USE_STATIC_IP，1)；
Settings.System.putString(cr，
Settings.System.WIFI_STATIC_IP，ss[0])；
Settings.System.putString(cr，
Settings.System.WIFI_STATIC_GATEWAY，ss[1])；
Settings.System.putString(cr，
Settings.System.WIFI_STATIC_NETMASK，ss[2])；
Settings.System.putString(cr，
Settings.System.WIFI_STATIC_DNS1，ss[3])；
Settings.System.putString(cr，
Settings.System.WIFI_STATIC_DNS2，ss[4])；}
室内用户机接收门口机由无线网络传输的视频信号时通过socket通信模块来实现的。Socket分为客户端和服务器两部分，门口机作为socket通信的客户端，室内用户机作为socket通信的服务器。
室内用户机设置好IP地址和监听端口，监听网络中是否有客户端发出连接请求。当有客户端发出连接请求时，室内用户机监听之后对此进行确认，当双份确认之后即建立连接通道，通过socket网络传输视频摄像头采集的视频信号。
当通信完成时，室内用户机或门口机发出关闭连接请求时，就会关闭连接通道完成数据传输。室内用户机需要具备查找扫描wifi网络，所以需要Android下的wifi管理模块，首先要扫面网络，看是否存在可用的wifi网络，得到可用网络列表，然后再加入网络。
当室内用户机接收到图像信号之后，进行视频的软解码，在Android操作系统上解析出其中的视频信息并通过显示屏实现显示出来[14]。
4 系统的测试与结论在完成系统的软件和硬件设计之后，加工PCB板烧入程序进行测试，首先由门口机输入呼叫的房号进行呼叫，在室内用户机响铃之后摘机回应，此时室内用户机的显示屏上可以看到门口访问者的视频图像，并且进行语音对话。当用户按下开门键之后门口就会执行开门操作，当用户挂机之后，楼下的门在30 s内又会被锁定，完成整个可视对讲门禁系统的功能，图 6为带红外摄像头的门口机，图 7为带视频显示的室内用户机。测试结果表明，门口机和室内用户机均能很好的完成功能，在显示屏上看到的图像延迟时间不超过0.5 s，图像质量清晰，无明显干扰、失真。测试结果表明，基于无线网络的可视门禁系统软件和硬件的设计合理，稳定性好，能够满足用户的实际使用需求。
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图 6 带红外摄像头的门口机 |
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图 7 带视频显示的室内用户机 |
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