時(shí)間：2022-06-15 06:34:54
導(dǎo)語(yǔ)：在低功耗設(shè)計(jì)論文的撰寫(xiě)旅程中，學(xué)習(xí)并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領(lǐng)您探索更多的創(chuàng)作可能。
關(guān)鍵詞：低功耗；無(wú)線供能；電荷泵整流器；低壓差線性穩(wěn)壓器；帶隙基準(zhǔn)電壓源；電源抑制
中圖分類(lèi)號(hào)：TM44；TN722；TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）12-00-04
0 引 言
近幾年，受益于集成電路工藝技術(shù)與片上系統(tǒng)（System on Chip，SOC）的不斷發(fā)展，射頻識(shí)別、微傳感網(wǎng)絡(luò)以及環(huán)境感知等智能技術(shù)得到了飛速發(fā)展。其中，對(duì)于無(wú)線供能植入式芯片的能量管理、功耗等問(wèn)題受到了持續(xù)關(guān)注與研究。當(dāng)能量采集完成后，如何管理該能量是下一代被動(dòng)與半被動(dòng)植入式醫(yī)療設(shè)備的要點(diǎn)之一。
在低功耗植入式芯片中，如低噪聲放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等對(duì)工作電壓及其紋波都有一定的要求，因此須通過(guò)無(wú)線能量管理單元（Wireless Power Management Unit，WPMU）將其電源性能優(yōu)化。在被動(dòng)式芯片中，電荷泵整流器（Charge Pump Rectifier，CPR）、帶隙基準(zhǔn)源（Bandgap Reference，BGR）、低壓差線性穩(wěn)壓器（Low Dropout Regulator，LDO）是WPMU的重要組成單元[1]。芯片工作時(shí)，人體各種低頻信號(hào)（EEG、ECG）會(huì)通過(guò)相應(yīng)的耦合方式傳輸?shù)诫娫赐飞?，從而產(chǎn)生低頻噪聲，因此必須采用相關(guān)技術(shù)獲得高電源抑制比電源。論文首先通過(guò)電荷守恒定理對(duì)傳統(tǒng)Dickson電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析及能量轉(zhuǎn)換效率的改進(jìn)；然后采用電源抑制增強(qiáng)（Power Supply Rejection Boosting，PSRB）與前饋消除（Feed-forword Cancellation，F(xiàn)WC）等技術(shù)分別提高BGR、LDO在運(yùn)放工作帶寬內(nèi)的電源抑制力（Power Supply Rejection，PSR），并在輸出節(jié)點(diǎn)并聯(lián)電容以濾除超高頻紋波；最后為保證LDO在負(fù)載變化時(shí)的穩(wěn)定性，利用零極點(diǎn)追蹤補(bǔ)償來(lái)滿(mǎn)足相位裕度的要求。
論文對(duì)高性能無(wú)線能量管理單元預(yù)設(shè)指標(biāo)為：
（1）CPR在輸入500 mV交流小信號(hào)時(shí)能輸出2 V電壓并驅(qū)動(dòng)200 A的電流。
（2）BGR輸出電源抑制比在LDO的工作范圍內(nèi)盡可能大于60 dB，以減小對(duì)LDO的影響。
（3）LDO輸出電源抑制比在生物信號(hào)頻率處（01 kHz）及CPR輸入信號(hào)處大于60 dB，從而提供負(fù)載電路高性能的工作電壓。
（4）在滿(mǎn)足以上性能的情況下，盡可能減小電路工作時(shí)的靜態(tài)電流。
1 無(wú)線能量管理單元的基本原理
圖1所示為論文采用的無(wú)線供能能量管理單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由圖1可知，WPMU主要包含CPR、BGR、LDO及保護(hù)電路（PRO）等模塊。芯片通過(guò)片外天線采集到由基站發(fā)射的高頻無(wú)線能量信號(hào)，CPR將信號(hào)整流后進(jìn)行升壓，產(chǎn)生紋波較大的電壓，并將該能量?jī)?chǔ)存到Cs中。由BGR與LDO所組成的環(huán)路通過(guò)負(fù)反饋輸出紋波較小的VDD來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載電路。其中BGR為L(zhǎng)DO提供一個(gè)精準(zhǔn)穩(wěn)定的參考電壓，因此BGR的性能影響著LDO輸出電壓的性能。芯片中的保護(hù)電路包括過(guò)溫保護(hù)電路、過(guò)壓保護(hù)電路、限流電路，其主要目的在于意外情況下對(duì)電路關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的保護(hù)。
設(shè)計(jì)能量管理單元時(shí)，在無(wú)線供能的環(huán)境下要注意相關(guān)性能的優(yōu)化，而這又伴隨著其它性能的犧牲，下面將詳細(xì)分析論文采用的CPR、BGR、LDO設(shè)計(jì)原理及電路結(jié)構(gòu)。
3 版圖及后仿真結(jié)果
采用SMIC 0.18 m CMOS工藝，在Cadence下對(duì)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，無(wú)線能量管理單元的版圖如圖7所示，其中包含了CPR、BGR、LDO及PRO等模塊，芯片的尺寸大小為277 m×656 m。
電路在工作時(shí)要避免反饋環(huán)路發(fā)生震蕩，必須保證LDO環(huán)路的相位裕度，論文在tt、ff、ss三個(gè)工藝角下對(duì)其進(jìn)行不同負(fù)載電流（0200 A）的仿真，仿真結(jié)果如表1所列。該結(jié)果表明在負(fù)載電流0200 A內(nèi)，由于零極點(diǎn)追蹤補(bǔ)償?shù)淖饔?，相位裕度均大?0度，根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)，LDO環(huán)路能在負(fù)載變化的范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。
圖8所示為BGR、LDO的PSR仿真波形，從圖中可以看出，BGR采用PSRB技術(shù)后，PSR在低頻降低了近25 dB。當(dāng)LDO采用FWC技術(shù)時(shí)，電源抑制在低頻段得到了顯著提升，電路空載時(shí)，在100 Hz內(nèi)提升了近20 dB，滿(mǎn)載時(shí)提升了近40 dB。
圖912給出了WPMU中CPR與LDO的相關(guān)瞬態(tài)仿真結(jié)果，當(dāng)輸入頻率為500 MHz、幅度為0.5 V的正弦波時(shí)，電路建立時(shí)間約為13 s，CPR的紋波約為5 mV，而LDO的輸出電壓紋波減小至2.3 V，即高頻處PSR約為-66 dB。因此論文采用的LDO在生物信號(hào)頻率處（DC-10 kHz）與輸入信號(hào)頻率處（100 MHz以上）具有較好的PSR。表2對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)與本文設(shè)計(jì)進(jìn)行性能比較，可以看出，該電源管理單元能輸出性能更好的工作電壓。
4 結(jié) 語(yǔ)
論文針對(duì)CPR、LDO、BGR進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于低功耗無(wú)線供能植入式醫(yī)療芯片的能量管理單元。采用SMIC 0.18 m CMOS工藝提供的本征MOS管使CPR的效率得到提升。利用PSRB將BGR的PSR在低頻處從-75 dB降低到-95 dB，這是優(yōu)化LDO電源抑制能力的基本前提。通過(guò)FWC、零極點(diǎn)追蹤補(bǔ)償改善LDO的PSR與穩(wěn)定度，在驅(qū)動(dòng)0.2 mA的負(fù)載電流時(shí)，PSR為-85 dB@DC，而相位裕度在負(fù)載范圍內(nèi)均大于60度，該性能可適用于對(duì)電源性能要求較高的模塊。
參考文獻(xiàn)
[1]郭文雄.應(yīng)用于植入式經(jīng)皮能量傳輸?shù)募呻娐费芯颗c設(shè)計(jì)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2013.
[2]Pierre Favrat， Philippe Deval， Michel J.Declercq. A High-Efficiency CMOS Voltage Doubler[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits， 1998， 33（3） ： 410-416.
[3]To shiyuki Umeda， Hiroshi Yoshida， Shuichi Sekine， et al. A 950-MHz Rectifier Circuit for Sensor Network Tags With 10-m Distance[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits， 2006， 41（1）： 35-41.
[4]Keith Sanborn， Dongsheng Ma， Vadim Ivanor. A Sub-1-V Low-Noise Bandgap Voltage Referen-ce[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits， 2007， 42（11） ： 2466-2481.
[5]Mohamed El-Nozahi， Ahmed Amer， Joselyn Torres， et al. High PSR LOW Drop-Out Regulator With Feed-Forward Ripple Cancellation Techniq-ue[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits， 2010， 45（3） ： 565-577.
[6]王憶.高性能低壓差線性穩(wěn)壓器研究與設(shè)計(jì)[D].杭州：浙江大學(xué)，2010.
本論文以智能IC卡水表系統(tǒng)為研究對(duì)象，重點(diǎn)探討了基于MSP430F413型超低功耗單片機(jī)在低功耗智能儀表上的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)。論文首先提出利用IC卡技術(shù)智能水表系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案；設(shè)計(jì)了系統(tǒng)控制的硬件電路結(jié)構(gòu)和研究了軟件控制流程的實(shí)現(xiàn)，采用軟硬件結(jié)合的方法，對(duì)系統(tǒng)的低功耗、抗干擾性設(shè)計(jì)及安全性問(wèn)題作了一定的分析與研究。
MSP430F413簡(jiǎn)介
TI公司MSP430 F413系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號(hào)控制器，其中包括一系列器件，它們針對(duì)不同的應(yīng)用而由各種不同模塊組成。它們具有16位RISC結(jié)構(gòu)，CPU的16個(gè)寄存器和常數(shù)發(fā)生器使MSP430微控制器能達(dá)到最高的代碼效率。靈活的時(shí)鐘源可以使器件達(dá)到最低的功率消耗。數(shù)字控制的振蕩器(DCO)可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在小于6μs的時(shí)間內(nèi)被激活到正常的工作方式。MSP430F413系列單片機(jī)的16位定時(shí)器是應(yīng)用于工業(yè)控制如紋波計(jì)數(shù)器、數(shù)字化電機(jī)控制、電表、水表和手持式儀表等的理想配置，其內(nèi)置的硬件乘法器大大增強(qiáng)了其功能并提供了與軟硬件相兼容的范圍，提高了數(shù)據(jù)處理能力。
智能水表的工作原理
本文設(shè)計(jì)的智能水表的工作原理：用戶(hù)先購(gòu)買(mǎi)IC卡(用戶(hù)卡)，并攜帶IC卡至收費(fèi)工作站交費(fèi)購(gòu)水，工作人員將購(gòu)水量等信息寫(xiě)入卡中。用戶(hù)將卡插入IC卡水表表座內(nèi)時(shí)，IC卡水表內(nèi)單片機(jī)識(shí)別IC卡密碼，校驗(yàn)并確認(rèn)無(wú)誤后，將卡中購(gòu)水量與表內(nèi)剩余水量相加后(初次使用時(shí)，剩余水量為零)，寫(xiě)入IC卡水表內(nèi)的存儲(chǔ)器，進(jìn)而控制電閥開(kāi)通閥門(mén)供水。
用戶(hù)在用水過(guò)程中，帶磁感器的葉輪在水流的沖擊下轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)磁傳遞，帶動(dòng)上表罩上的梅花齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)并使多極齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械累計(jì)計(jì)量，每當(dāng)計(jì)量到0.01m3時(shí)由位于0.01m3處的計(jì)量傳感器向單片機(jī)發(fā)出同步的計(jì)量脈沖信號(hào)，此時(shí)，MSP430F413將輸入的有效脈沖計(jì)入并計(jì)算用水量，IC卡水表內(nèi)剩余水量就會(huì)相應(yīng)的減少一個(gè)計(jì)量單位，累計(jì)用水量就會(huì)增加一個(gè)計(jì)量單位，LCD顯示屏上顯示剩余水量等相關(guān)用水?dāng)?shù)據(jù)。當(dāng)剩余水量低于一個(gè)定量時(shí)(有一個(gè)事先設(shè)定好的最低剩余水量值)，IC卡水表的報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)(蜂鳴器響起)，提醒用戶(hù)及時(shí)到供水部門(mén)再次購(gòu)水，這時(shí)，LCD顯示屏上顯示“請(qǐng)購(gòu)水”字樣。當(dāng)剩余水量為一1時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電閥自動(dòng)關(guān)閉，切斷水源，停止供水并報(bào)警。在用戶(hù)重新購(gòu)水讀卡存入后，再開(kāi)通電閥供水。在正常情況下，閥門(mén)處于開(kāi)通狀態(tài)，當(dāng)遇到剩余水量為-1或者電池電壓小于3V等其他特殊情況時(shí)閥門(mén)會(huì)由開(kāi)通變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)。
系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的智能水表系統(tǒng)主要由微處理器、流量傳感器、電動(dòng)閥門(mén)、IC卡讀／寫(xiě)器、LCD液晶顯示及電源等組成，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示。
①電源低電壓檢測(cè)電路
本系統(tǒng)采用三節(jié)干電池4.5V作為供電電源，使用一段時(shí)間后，干電池會(huì)放電，為了保證整個(gè)系統(tǒng)，特別是閥門(mén)的正常工作，需要對(duì)電源進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)電能不能滿(mǎn)足系統(tǒng)要求時(shí)，及時(shí)報(bào)警提醒用戶(hù)更換電池，以免造成不必要的麻煩。
為提高智能水表運(yùn)行的可靠性和安全性，設(shè)計(jì)中采用電源電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電路。如圖3所示。電壓檢測(cè)芯片采用日本理光R3111H30lC低電壓檢測(cè)芯片，R3111H301C輸出電壓為3.0V，最大工作電流為3.0μA，一般情況下的工作電流僅為1.0μA，高精度集成，完全滿(mǎn)足系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)的要求。當(dāng)電源電壓正常時(shí)，芯片的輸出腳輸出為高電平；當(dāng)電源電壓小于3.0V時(shí)，輸出腳輸出低電平，即P1.1輸出低電平，P1.1下降沿中斷有效，單片機(jī)檢測(cè)到該信號(hào)時(shí)即轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序處理，這時(shí)LCD液晶顯示“換電池”字樣，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警提示用戶(hù)更換電池，MSP430F413內(nèi)部基本定時(shí)器使能中斷，定時(shí)1s檢測(cè)電壓是否回升，如果回升蜂鳴器再次發(fā)出一聲警報(bào)提示，LCD液晶上的“換電池”顯示字樣清除。如沒(méi)有回升，則關(guān)閉閥門(mén)，直到用戶(hù)更換電池，才再次開(kāi)啟閥門(mén)供水。由于MSP430F413工作用電壓是3.0V，所以需要一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換芯片將4.5V電壓轉(zhuǎn)換成3.0V供MSP430F413和其他模塊使用，本電路中用的是RH5RL30AA一電壓調(diào)整芯片，它具有高精度的輸出電壓，工作電流極低只有1.1μA。
②脈沖采集電路
本系統(tǒng)中水表的基表采用符合ISO4064B標(biāo)準(zhǔn)的旋翼式冷水水表。該表計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)與測(cè)量機(jī)構(gòu)經(jīng)磁耦合傳動(dòng)，采用干簧管傳感器計(jì)量發(fā)訊，每流經(jīng)0.01m3水時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖。為了有效防止各種可能的干擾抖動(dòng)而產(chǎn)生的多計(jì)數(shù)現(xiàn)象，本設(shè)計(jì)中采用雙干簧管雙脈沖通過(guò)由電容和電阻組成的防抖電路輸入單片機(jī)計(jì)數(shù)，當(dāng)兩個(gè)脈沖輸入段依次有脈沖輸入的時(shí)候才產(chǎn)生一個(gè)有效脈沖計(jì)數(shù)，兩個(gè)脈沖有互鎖功能，P1.3和P1.4作為脈沖輸入端。每輸入一個(gè)脈沖，在存儲(chǔ)器中減去相應(yīng)水量。表內(nèi)設(shè)有磁保護(hù)裝置，具有較強(qiáng)的抗外磁干擾能力。
③閥門(mén)控制電路
閥門(mén)控制是水表控制系統(tǒng)中一個(gè)很敏感的部分，關(guān)啟閥門(mén)的可靠性差，將會(huì)給供水部門(mén)帶來(lái)很大的問(wèn)題。本系統(tǒng)采用的是電動(dòng)球閥，工作電壓3V，工作時(shí)電流僅50mA。設(shè)計(jì)中利用直流電機(jī)帶動(dòng)半球閥正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的方式來(lái)控制閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。利用MSP430F413單片機(jī)的P6.6和P6.7來(lái)控制閥門(mén)的正反轉(zhuǎn)動(dòng)，利用MSP430F413內(nèi)部比較器(P1.6CA0，P1.7CA1)檢測(cè)堵轉(zhuǎn)電流來(lái)控制電機(jī)運(yùn)行。當(dāng)電機(jī)正常工作時(shí)，CA0>CAl，一旦堵轉(zhuǎn)，電流迅速增大，CAOUT=0，來(lái)通知MSP430F413電機(jī)轉(zhuǎn)到位。定時(shí)器定時(shí)1s檢測(cè)電機(jī)是否到位，有效地解決閥門(mén)關(guān)閉不可靠問(wèn)題。當(dāng)正向端輸入高電平，反向端輸入低電平時(shí)，閥門(mén)開(kāi)啟；反之，閥門(mén)閉合。當(dāng)單片機(jī)P6.7口輸入低電平、P6.6口輸入高電平時(shí)，正向端(ON)輸出高電平，反向端(OFF)輸出低電平，開(kāi)啟閥門(mén)，開(kāi)啟到位時(shí)，由單片機(jī)P1.5口輸入檢測(cè)信號(hào)，動(dòng)作停止；反之，正向端輸出低電平，反向端輸出高電平，關(guān)閉閥門(mén)，同樣由單片機(jī)P1.5口輸入關(guān)閉到位檢測(cè)信號(hào)。
2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
圖4是主程序流程圖。單片機(jī)上電復(fù)位后主程序采用順序執(zhí)行的方法，逐個(gè)掃描各個(gè)自定義標(biāo)志位，檢查是否有動(dòng)作發(fā)生，若有發(fā)生則轉(zhuǎn)入相應(yīng)子程序處理，處理完后回到主程序，繼續(xù)掃描其后的標(biāo)志位，最后進(jìn)入低功耗狀態(tài)，等待下一次中斷喚醒，喚醒后同樣循環(huán)一遍，又進(jìn)入低功耗狀態(tài)。由于各信號(hào)以中斷的方式進(jìn)入的，所以要特別注意中斷的優(yōu)先級(jí)及中斷的嵌套問(wèn)題。采用模塊化方法設(shè)計(jì)各個(gè)子程序。根據(jù)不同功能，定義了不同的功能模塊。明確入口出口，相互之間的調(diào)用關(guān)系，以供調(diào)用。主要軟件模塊有：IC卡讀寫(xiě)模塊，液晶顯示模塊，計(jì)量模塊，F(xiàn)LASH讀寫(xiě)模塊，低電壓保護(hù)模塊等。上電后首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化包括對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)器單元清零、特殊功能寄存器置初值、液晶顯示的設(shè)置等。接著進(jìn)入主循環(huán)，判斷故障、電源電壓是否正常等，若一切正常則開(kāi)閥供水。無(wú)論在什么情況下只要有低電壓信號(hào)出現(xiàn)，系統(tǒng)就提示欠壓，蜂鳴器報(bào)警，液晶顯示，提示用戶(hù)更換電池：當(dāng)剩余水量低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)液晶顯示提醒用戶(hù)“請(qǐng)購(gòu)水”，如果用戶(hù)沒(méi)有及時(shí)購(gòu)水重新插卡充值，當(dāng)剩余水量為負(fù)時(shí)，系統(tǒng)控制閥門(mén)關(guān)閉，停止供水。
3 系統(tǒng)低功耗的設(shè)計(jì)
在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的功耗往往和電源電壓的大小成一定比例關(guān)系，電源電壓高，系統(tǒng)的功耗相應(yīng)的也會(huì)增大，因此在功耗要求很?chē)?yán)格的智能水表控制系統(tǒng)中，在保證功能的前提下，盡量選擇低的電源電壓。本系統(tǒng)中選用三節(jié)堿性干電池4.5V供電。本文所設(shè)計(jì)的智能水表的能耗主要由三部分構(gòu)成：第一部分是控制器中單片機(jī)(CPU)液晶正常運(yùn)行時(shí)的持續(xù)性能耗，這是主要的功耗；第二部分是IC卡水表執(zhí)行機(jī)構(gòu)(電閥)動(dòng)作時(shí)的瞬時(shí)能耗；第三部分是IC卡水表一些輔助功能如聲音報(bào)警等的能耗。上述智能水表能耗的第一、二部分占了總能耗的95％以上。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮：選擇低功耗電動(dòng)閥；選擇低功耗器件(CMOS型)；選擇低的工作電壓和低的工作頻率；軟件設(shè)計(jì)時(shí)選擇低功耗的系統(tǒng)運(yùn)行模式。
4 系統(tǒng)抗干擾的設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中抗干擾設(shè)計(jì)從兩方面來(lái)考慮，一是在硬件設(shè)計(jì)上采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)抑制和消除干擾，例如采用電磁干擾濾波器，如圖5所示。另一方面是從系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上采取一定措施來(lái)提高系統(tǒng)的抗干擾能力，即使系統(tǒng)受到干擾，也能自動(dòng)地快速恢復(fù)正常上作。如：盡量減少中斷源，采用中斷與查詢(xún)相結(jié)合的方法，保持盡，可能短的中斷開(kāi)放時(shí)間，隨開(kāi)隨關(guān)；在程序關(guān)鍵的地方人為地插入空操作指令，保護(hù)CPU在受到干擾，程序“彈飛”時(shí)指令不被拆散等軟件措施。
【關(guān)鍵詞】 WiFi技術(shù) MSP430F5438 W5200 視頻傳輸
一、視頻傳輸系統(tǒng)發(fā)送端的硬件設(shè)計(jì)
1.1 發(fā)送端組成框圖
發(fā)送端由處理器模塊、視頻采集模塊、WiFi模塊、復(fù)位電路、電源電路、時(shí)鐘電路、JTAG接口電路組成。如圖1所示。
（1）處理器模塊：本文選用MSP430F5438作為處理器模塊，它是整個(gè)分站的心臟，負(fù)責(zé)完成各芯片的驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)的收發(fā)處理。（2）視頻采集模塊：通過(guò)攝像頭進(jìn)行井下視頻的采集。（3）WIFI發(fā)送模塊：選用WIFI模塊，將采集到的視頻信號(hào)向上傳輸。（4）FLASH存儲(chǔ)器：主要用作程序代碼、數(shù)據(jù)表格以及用戶(hù)信息的存儲(chǔ)。（5）JTAG接口電路：它是電路板調(diào)試時(shí)的調(diào)試接口，是用來(lái)完成燒寫(xiě)操作的。（6）復(fù)位電路：對(duì)電路進(jìn)行復(fù)位操作。（7）電源電路：給MSP430和WIFI模塊供電。（8）時(shí)鐘電路：對(duì)各個(gè)指令的執(zhí)行進(jìn)行時(shí)間控制。
1.2 發(fā)送端各單元模塊設(shè)計(jì)
1.2.1 處理器模塊
處理器是發(fā)送端的核心部分，主要負(fù)責(zé)各個(gè)模塊的通信，視頻采集處理，并將采集的信息上傳給模塊，同時(shí)通過(guò)控制WiFi模塊LTM22實(shí)現(xiàn)無(wú)線收發(fā)數(shù)據(jù)。
本模塊的主控制器選用了功能強(qiáng)大、功耗低的MSP430F5438，MSP430F5438單片機(jī)的封裝具有100個(gè)引腳，并且能工作在低功耗狀態(tài)下。該微處理器芯片因?yàn)橛休^好的市場(chǎng)潛力和靈活強(qiáng)大的應(yīng)用特性，迅速在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用和較快的發(fā)展。芯片硬件擴(kuò)展能力強(qiáng)，內(nèi)存空間大，下載和調(diào)試程序非常方便，同時(shí)單片機(jī)Flash存儲(chǔ)器空間達(dá)到256K，內(nèi)部RAM達(dá)到16KB，可以在系統(tǒng)寫(xiě)入底層驅(qū)動(dòng)程序和TCP/IP協(xié)議棧的同時(shí)擁有足夠大的內(nèi)存空間來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。
該芯片的主要特點(diǎn)如下：（1）可以在超低功耗狀態(tài)下正常工作。芯片工作電壓為1.8V-3.6V，工作電流為0.1uA-400uA，6us就可以低功耗模式下喚醒。（2）硬件處理能力很強(qiáng)。寄存器尋址方式多樣，指令系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，擁有16位精簡(jiǎn)指令結(jié)構(gòu)。片內(nèi)存儲(chǔ)器和寄存器可進(jìn)行數(shù)字和邏輯運(yùn)算，多個(gè)中斷源可以實(shí)現(xiàn)嵌套。（3）外設(shè)資源豐富。256KB的Flash存儲(chǔ)器，12位A/D轉(zhuǎn)換，16位定時(shí)器，2個(gè)通用串行接口，硬件乘法器，看門(mén)狗計(jì)數(shù)器和內(nèi)部溫度傳感器等。（4）系統(tǒng)工作穩(wěn)定。晶體振蕩器起振穩(wěn)定后，可以根據(jù)設(shè)定的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率來(lái)工作，如果程序跑飛，看門(mén)狗電路會(huì)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)以便保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。
1.2.2 WiFi模塊
視頻發(fā)送端的WiFi模塊的芯片選用了LTM22。LTM22芯片是針對(duì)IEEE802.11/WiFi無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，LTM22芯片采用增強(qiáng)型8051MCU、128KB閃存、8KB的RAM等高性能模塊，并內(nèi)置了IEEE802.11協(xié)議棧。加上超低功耗，使得它可以用很低的費(fèi)用構(gòu)成WiFi節(jié)點(diǎn)，這種解決方案能夠提高性能并滿(mǎn)足以為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM波段應(yīng)用對(duì)低成本，低功耗的要求。同時(shí)，LTM22的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用，LTM22電路圖如圖2所示。
1.2.3 電源電路
供電模塊選擇芯片AS1117。AS1117 是一款低壓差的線性穩(wěn)壓器，當(dāng)輸出 1A 電流時(shí)，輸入輸出的電壓差典型值僅為1.2V。AS1117 除了能提供多種固定電壓版本外，還提供可調(diào)端輸出版本，該版本能提供的輸出電壓范圍為 1.25V～13.8V。AS1117 提供完善的過(guò)流保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)功能，確保芯片和電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)在產(chǎn)品生產(chǎn)中應(yīng)用先進(jìn)的修正技術(shù)，確保輸出電壓和參考源精度在±1%的精度范圍內(nèi)，電源模塊電路圖如圖3所示。
1.2.4 JTAG接口電路
JTAG接口是電路板調(diào)試時(shí)的調(diào)試接口，是用來(lái)完成燒寫(xiě)操作的。為程序的調(diào)試提供了極大的方便，可以讓用戶(hù)使用單步運(yùn)行、設(shè)斷點(diǎn)等調(diào)試手段。JTAG信號(hào)接口定義如下：（1）TCK返回的測(cè)試時(shí)鐘輸出。（2）TDO JTAG接口的測(cè)試數(shù)據(jù)輸出。（3）TDI JTAG接口的測(cè)試數(shù)據(jù)輸入。（4）TCK JTAG接口的測(cè)試時(shí)鐘。（5）TMS JTAG接口的測(cè)試模式選擇。（6）RST JTAG接口的測(cè)試復(fù)位。
JTAG接口主要用于連接仿真器，仿真器通過(guò)JTAG接口可以對(duì)存儲(chǔ)器中代碼進(jìn)行在線編程和功能調(diào)試。標(biāo)準(zhǔn)的4線JTAG調(diào)試接口的作用分別是數(shù)據(jù)輸入（TDI）和數(shù)據(jù)輸出（TDO）、時(shí)鐘輸入（TCK）、模式選擇（TMS）。 MSP430F5438與前期開(kāi)發(fā)的一些單片機(jī)系列有所不同，JTAG接口完全獨(dú)立，因?yàn)椴辉倥cI/O 口復(fù)用，方便調(diào)試，JTAG接口電路圖如圖4所示。
二、視頻傳輸系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
軟件系統(tǒng)采用μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，主程序用C語(yǔ)言編寫(xiě)。主要包括攝像頭采集、WIFI、收發(fā)數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控中心顯示等，系統(tǒng)軟件框架如圖5所示。
關(guān)鍵詞：微型加速度計(jì) 手勢(shì)小車(chē) AT指令
中圖分類(lèi)號(hào)：TP334.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）11-0164-01
加速度計(jì)是一種應(yīng)用十分廣泛的慣性傳感器，大多采用微機(jī)電技術(shù)（MEMS）進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，具有體積小、重量輕、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)加速度值求二次積分可以得到位移，同時(shí)也可以利用MEMS加速度計(jì)計(jì)算傾角，從而判斷在二維平面中的位置。
手勢(shì)控制作為一種正在蓬勃發(fā)展的現(xiàn)代控制方式，具有操作簡(jiǎn)單直觀、靈活性高、科技感強(qiáng)等特點(diǎn)，它建立起了人機(jī)交互，使控制過(guò)程更加安全、生動(dòng)有趣，改善了傳統(tǒng)控制方式的缺陷。
1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
基于MEMS的藍(lán)牙手勢(shì)小車(chē)由兩部分組成：發(fā)送部分和接收部分。發(fā)送部分由MEMS加速度計(jì)ADXL345、STC89C52、5V直流電源、藍(lán)牙主從一體機(jī)模塊HC-05組成；接收部分由2WD小車(chē)、直流電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N、兩節(jié)3.7V可充電鋰電池、STC89C52、藍(lán)牙從機(jī)HC-06組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2.1 主控器與ADXL345加速度傳感器
本設(shè)計(jì)采用STC89C52作為主控芯片，STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器。ADXL345是一款3軸、低功耗、具有C和SPI接口的數(shù)字輸出MEMS加速度計(jì)，分辨率高達(dá)13位，測(cè)量范圍達(dá)± 16g。
2.2 藍(lán)牙傳輸系統(tǒng)
藍(lán)牙傳輸系統(tǒng)由主機(jī)HC-05與從機(jī)HC-06組成，其中HC-05是藍(lán)牙主從一體機(jī)，由于它的默認(rèn)模式是從機(jī)模式，因此需要通過(guò)AT指令將其設(shè)置成主機(jī)模式。藍(lán)牙被設(shè)置為主機(jī)模式后可主動(dòng)搜索附近的藍(lán)牙設(shè)備并建立連接，藍(lán)牙主機(jī)與從機(jī)之間未連接成功時(shí)，主機(jī)上的LED不停地閃爍，連接成功后長(zhǎng)亮。然后主機(jī)將來(lái)自手勢(shì)控制端的指令發(fā)送給從機(jī)，從機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)處理。
2.3 小車(chē)部分
小車(chē)部分通過(guò)藍(lán)牙從機(jī)接收來(lái)自控制端的指令，根據(jù)指令來(lái)改變自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，小車(chē)跟隨手勢(shì)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到了與手勢(shì)同步的效果。小車(chē)速度的調(diào)整由PWM波控制，在本設(shè)計(jì)中是通過(guò)控制L298N的EN引腳電平高低實(shí)現(xiàn)的，EN引腳高低電平持續(xù)的時(shí)間不同，就輸出不同占空比的PWM波，不同的占空比的PWM波對(duì)應(yīng)著不同的輸出功率，不同的功率下小車(chē)速度也就不同。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
控制端主程序包括初始化串口、ADXL345初始化、讀出姿態(tài)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、判斷當(dāng)前姿態(tài)并轉(zhuǎn)化為控制指令。單片機(jī)根據(jù)ADXL345檢測(cè)到的當(dāng)前手勢(shì)傾角發(fā)送控制指令，總共有9種控制指令，每種控制指令對(duì)應(yīng)著一種手勢(shì)姿態(tài)。利用活動(dòng)和非活動(dòng)檢測(cè)功能，為每種姿態(tài)設(shè)定一個(gè)閾值來(lái)表征該姿態(tài)是否達(dá)到，然后發(fā)送與其對(duì)應(yīng)的控制指令。
接收端主程序包括初始化串口和接收數(shù)據(jù)，根據(jù)控制端的手勢(shì)來(lái)調(diào)整小車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。控制端的3個(gè)向前指令分別控制小車(chē)勻速向前、以加速度a1向前、以加速度a2向前運(yùn)動(dòng)，a1 >a2，這樣達(dá)到手越向前傾小車(chē)速度越快的效果，向后的3個(gè)指令也是同理。向左指令控制小車(chē)左轉(zhuǎn)，向右指令控制小車(chē)右轉(zhuǎn)，為了使小車(chē)轉(zhuǎn)彎更加緩慢平滑，采用PWM控制速度?？刂瓢宓钠椒攀謩?shì)對(duì)應(yīng)小車(chē)的停止?fàn)顟B(tài)。
4 結(jié)語(yǔ)
介紹了一種MEMS微加速度計(jì)的藍(lán)牙手勢(shì)小車(chē)的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)ADXL345加速度傳感器檢測(cè)手勢(shì)，然后將手勢(shì)控制指令通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送給小車(chē)，改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。經(jīng)過(guò)實(shí)際制作測(cè)試能達(dá)到手勢(shì)控制的效果，并且準(zhǔn)確性好、控制靈敏、直觀、操作簡(jiǎn)單，有利于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。
參考文獻(xiàn)
[1]張家田，許凱，嚴(yán)正國(guó).基于空中運(yùn)動(dòng)/手勢(shì)控制接口的空中鼠標(biāo)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（6）：143-146.
[2]Analog Devices. ADXL345：3-Axis，±2 g/±4 g/±8 g/±16 g digi tal MEMS accelerometer datasheet [R].US：Analog Devices，2012.
[3]陳建新，卜翔，王榮等.基于MEMS加速度的三維無(wú)線鼠標(biāo)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無(wú)線互聯(lián)科技，2011（8）：22-25.
[4]周獲.基于MEMS技術(shù)的無(wú)線空中鼠標(biāo)的研究[C].華僑大學(xué)，碩士論文，2013.
關(guān)鍵詞：PPG 藍(lán)牙 脈搏波監(jiān)測(cè) 智能手表
中圖分類(lèi)號(hào)：R443 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）05-0000-00
1引言
步入2013年，穿戴式設(shè)備，智能手表市場(chǎng)方興未艾，各種產(chǎn)品充斥著市場(chǎng)。但是，大多數(shù)產(chǎn)品都存在價(jià)格昂貴，實(shí)用性低的缺點(diǎn)。針對(duì)這種現(xiàn)象，我們提出一種基于藍(lán)牙技術(shù)的低成本智能手表。
由于社會(huì)的發(fā)展，生活水平的提高，人們對(duì)自身的健康越來(lái)越重視，為了迎合消費(fèi)者的保健意識(shí)，提高消費(fèi)者的健康水平，我們?cè)谥悄苁直砩?，利用PPG技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控用戶(hù)的脈搏。人們可以在手表上實(shí)時(shí)觀看自己的脈搏，當(dāng)脈搏異常時(shí)候，手表會(huì)發(fā)出報(bào)警，提醒用戶(hù)，對(duì)用戶(hù)的健康提供有力保障。
同時(shí)，我們?cè)赑C上開(kāi)發(fā)配套軟件，用戶(hù)可以通過(guò)手表將脈搏數(shù)據(jù)傳遞到PC上，軟件通過(guò)數(shù)據(jù)分析，評(píng)估用戶(hù)的健康情況。用戶(hù)可以通過(guò)軟件的數(shù)據(jù)分析，及時(shí)調(diào)整自己的保健計(jì)劃。
2 系統(tǒng)的主要硬件部分
2.1 系統(tǒng)框架圖1
2.2 藍(lán)牙模塊
藍(lán)牙模塊采用臺(tái)灣創(chuàng)杰科技（ISSC）的IS1681SM，該模塊是藍(lán)牙3.0。在功耗方面，比藍(lán)牙4.0差，但是在穩(wěn)定性方面，比現(xiàn)在市場(chǎng)上大部分藍(lán)牙4.0要好（藍(lán)牙4.0與手機(jī)相連經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)斷線情況，此外，暫時(shí)大部分手機(jī)沒(méi)有藍(lán)牙4.0）。另外，此芯片待機(jī)電流可低至2mA，滿(mǎn)足便攜式產(chǎn)品低功耗的要求。與藍(lán)牙4.0相比，此芯片在價(jià)格上有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。
2.3 PPG模塊
光電容積脈搏波描記法（ Photo--PlethysmoGraphy，PPG），是利用光束照射到活體組織表面，光束進(jìn)入體內(nèi)后通過(guò)反射或者透射的方式返回到光電傳感器，通過(guò)信號(hào)處理得到了人體脈搏參數(shù)，具有無(wú)創(chuàng)性、便捷性、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
傳統(tǒng)的光電脈搏波描記方法分為透射式和反射式，測(cè)量時(shí)都是需要緊貼皮膚表面的，這給使用者帶來(lái)不便。特別在冬天衣服厚重的情況下，測(cè)量者需要除去衣服，露出皮膚，測(cè)量脈搏波就顯得更加困難
采用改進(jìn)型PPG技術(shù)，利用紅外反射光檢測(cè)方式，通過(guò)差分放大器、濾波器、程控放大器后實(shí)現(xiàn)PPG信號(hào)采集，得到用戶(hù)的實(shí)時(shí)脈搏信號(hào)。PPG模塊流程如圖2。
2.4 主控MCU
本次系統(tǒng)采用的主控芯片是Silicon公司的Sim3U164芯片，該芯片是32位的Cortex-M3內(nèi)核。芯片自帶時(shí)鐘管理，最高時(shí)鐘為80M，滿(mǎn)足高速運(yùn)行；在休眠模式時(shí)可以將時(shí)鐘調(diào)整到2.5M，滿(mǎn)足便攜式產(chǎn)品低功耗的要求。
此外，該芯片自帶ADC、PWM、DAC、兩路串口、兩路SPI、RTC、中斷管理、低功耗模式，完全滿(mǎn)足藍(lán)牙手表的設(shè)計(jì)要求。
利用該公司提供的AppBuilder軟件，方便代碼生成，提高了開(kāi)發(fā)效率。Appbuilder 是專(zhuān)為Openbiz Cubi平臺(tái)而設(shè)計(jì)的元數(shù)據(jù)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。具有交互性圖形界面。它包含了兩個(gè)功能強(qiáng)大且簡(jiǎn)單易用的生成向?qū)?以及 直觀的元數(shù)據(jù)編輯器。加入ucosII系統(tǒng)，使系統(tǒng)更加完善。
3系統(tǒng)工作流程圖
圖3為系統(tǒng)工作流程圖。
手表只設(shè)置了兩個(gè)按鍵，通過(guò)左鍵短按、右鍵短按、左鍵雙擊、右鍵雙擊、左鍵長(zhǎng)按、右鍵長(zhǎng)按、左右按鍵同時(shí)按下在各個(gè)模式間進(jìn)行切換。正常模式下，OLED顯示時(shí)間，電池電量，藍(lán)牙是否連接，音樂(lè)是否播放還有音量值。在無(wú)任何操作（按鍵操作或者藍(lán)牙返回指令）時(shí)間達(dá)到15s時(shí)，進(jìn)入休眠模式。休眠模式下，只有串口接收到藍(lán)牙數(shù)據(jù)和按鍵才可以喚醒MCU，喚醒后返回正常模式。此外，手表還有關(guān)機(jī)模式，設(shè)置模式，秒表模式，更新模式等。
4 系統(tǒng)測(cè)試
圖4是我們?cè)跍y(cè)試板上測(cè)試整體系統(tǒng)架構(gòu)的照片。
為了便于觀察PPG模塊工作情況，測(cè)試時(shí)我們將程控放大器的輸出端接入數(shù)字示波器輔助觀察。對(duì)直接緊貼皮膚檢測(cè)后的濾波結(jié)果進(jìn)行分析。如右圖，是測(cè)試對(duì)象在緊貼皮膚，沒(méi)有間隔衣服的情況下，測(cè)試手腕位置的脈搏波?？梢钥闯雒}搏波被清晰的描記出來(lái)。
4.1功耗分析
所有穿戴式產(chǎn)品都要面對(duì)一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題――功耗，如何降低產(chǎn)品的功耗，是穿戴式產(chǎn)品能否取得成功的關(guān)鍵。
為了節(jié)省功耗，做了以下設(shè)計(jì)：（1）設(shè)置了睡眠模式，在睡眠模式下關(guān)閉處理串口外的其他外設(shè)，將OLED設(shè)置為休眠模式；（2）電機(jī)震動(dòng)采用震動(dòng)2s停止2s的方式間隔震動(dòng)；（3）在手機(jī)沒(méi)有播放音樂(lè)或者不需要語(yǔ)音報(bào)號(hào)時(shí)，關(guān)閉喇叭，在播放音樂(lè)或者語(yǔ)音報(bào)號(hào)時(shí)，才開(kāi)啟喇叭。
4.2關(guān)機(jī)模式下斷開(kāi)藍(lán)牙供電
經(jīng)過(guò)一年的努力，我們完成了最終的智能手表成品，手表基于藍(lán)牙3.0與智能手機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)電話接聽(tīng)、撥打、電話本同步、MP3等功能，并實(shí)現(xiàn)人體脈搏波信號(hào)的可穿戴設(shè)備監(jiān)測(cè)，通過(guò)改進(jìn)PPG探頭，實(shí)現(xiàn)信號(hào)非接觸檢測(cè)，提高用戶(hù)使用舒適度。
5結(jié)語(yǔ)
本課題自2014年5月正式開(kāi)始，我們利用課余空閑時(shí)間，在課題計(jì)劃的指導(dǎo)下，學(xué)習(xí)新知識(shí)，并將知識(shí)付諸于實(shí)踐當(dāng)中。
在不斷的調(diào)試過(guò)程中，我們遇到許多不同種類(lèi)的問(wèn)題，屏幕無(wú)法顯示，程序沒(méi)有按照我們的預(yù)想進(jìn)行；硬件知識(shí)不足夠，無(wú)法制作出合適的濾波電路；器件意外燒毀，一次次的失敗雖然打擊我們，也給了我們戰(zhàn)勝它的決心。
在和指導(dǎo)老師的不斷溝通中，我們對(duì)我們遇到的問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)，和組員重新思考了整體程序結(jié)構(gòu)，在這個(gè)過(guò)程中，既鍛煉了我們的溝通能力，又讓我們的專(zhuān)業(yè)技能得到了明顯的提升，我們每個(gè)人也學(xué)會(huì)了如何從整體出發(fā)設(shè)計(jì)一個(gè)定制的應(yīng)用系統(tǒng)。
從去年開(kāi)始課題，除寒假中斷了一段時(shí)間外，我們一起合作，共同克服困難，不斷進(jìn)步不斷飛躍。進(jìn)行至今，我們已經(jīng)完成了生理監(jiān)護(hù)藍(lán)牙智能手表的整體設(shè)計(jì)，論文撰寫(xiě)，實(shí)物制作，調(diào)試通過(guò)。
參考文獻(xiàn)
[1]Jean J.Labrosse著.《uC/OS-II-源碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)》.劭貝貝譯.北京：中國(guó)電力出版社，2001.？
[2]任哲.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II原理及應(yīng)用.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.
論文摘要:根據(jù)當(dāng)今移動(dòng)終端設(shè)備多功能、低功耗、易于移植的要求,分別從硬件和軟件系統(tǒng) 2 方面提出了一種基于三星μS3C2440 芯片的嵌入式多媒體娛樂(lè)控制器的解決方案,同時(shí)介紹了利用 CLinux 構(gòu)造嵌入式系統(tǒng)的方法,并提出了基于MiniGUI開(kāi)發(fā)多媒體娛樂(lè)軟件的基本方案。通過(guò)測(cè)試,系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足用戶(hù)在文字、音視頻處理以及常用有線、無(wú)線數(shù)據(jù)交換等多方面的要求。
由于移動(dòng)通信技術(shù)的高速發(fā)展,移動(dòng)電話早已超出原有的進(jìn)行語(yǔ)音通信的領(lǐng)域,正逐步成為手持娛樂(lè)終端的中心。手機(jī)用戶(hù)希望自己的手機(jī)在完成通信基本功能的同時(shí)還能作為 PDA、MP3 播放器、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、視頻播放機(jī)等。因此,設(shè)計(jì)出多功能、低功耗的多媒體終端至關(guān)重要。ARM+Linux系統(tǒng)具有低功耗、易移植、便于定制的特點(diǎn),所以我們采用其作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想平臺(tái)。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本方案由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)2 部分構(gòu)成,其中硬件系統(tǒng)采用三星的具有 ARM920T 核的 16/32 位多功能、低功耗的嵌入式處理器 S3C2440。S3C2440 是韓國(guó)三星公司推出的一款高檔的,可用于手持設(shè)備、智能家電等便攜產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的嵌入式微處理器,其主頻處理速度達(dá)到400 MHz,完全可以滿(mǎn)足音頻和視頻的處理要求。其主控制芯片及豐富的外圍接口電路可用于創(chuàng)建連接各類(lèi)設(shè)備的集成化驅(qū)動(dòng)程
序和協(xié)議堆棧,如讀寫(xiě) USB 的接口、MMC/ CF 多媒體卡接口、AC97 音頻接口、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口、IrDA 紅外接口等,給用戶(hù)提供了多種與其他系統(tǒng)進(jìn)行信息交互的功能,可以自由地實(shí)現(xiàn)文字、聲音和圖像資料的交換。軟件系統(tǒng)包括μCLinux操作系統(tǒng)、圖形用戶(hù)接口 GUI,方便用戶(hù)根據(jù)自身的需要,開(kāi)發(fā)相應(yīng)的多媒體應(yīng)用程序。uCLinux 操作系統(tǒng)高效穩(wěn)定,提供了完成嵌入功能的基本地內(nèi)核,能夠處理嵌入式任務(wù)和用戶(hù)界面,更由于其開(kāi)發(fā)源碼、定制方便以及易于移植,并不需要 MMU 的支持,可廣泛地用于各種嵌入式系統(tǒng)中。
1 硬件系統(tǒng)
硬件系統(tǒng)S3C2440構(gòu)成核心電路系統(tǒng),該芯片采用RISC結(jié)構(gòu),除具有一般嵌入式芯片所具有的總線,SDRAM控制器以外,還具有豐富的擴(kuò)展功能接口,內(nèi)部集成了TFT/ STN LCD和觸摸屏控制器、 USB Slave ,USB Host , Ir2DA紅外接口、 SD & MMC存儲(chǔ)卡接口、 AC97數(shù)字音頻接口等大量的功能模塊。同時(shí),通過(guò)外擴(kuò)的PCI總線,使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展和升級(jí)能力,提供了極其豐富的人機(jī)交互接口。該芯片采用1. 2 V的工作電壓,功耗很低,能夠滿(mǎn)足消費(fèi)類(lèi)電子電源對(duì)功耗的要求。同時(shí),電源管理模塊能夠提供系統(tǒng)多種電壓供電,包括芯片內(nèi)核電壓采用1. 8 V供電,芯片的I/ O部分采用3. 3 V供電,而片外的一些常規(guī)集成電路又采用5 V供電。智能電源管理模塊很好地解決了對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部分供電要求的不同,降低了功耗,減少了不同電源之間的干擾噪聲,提高了系統(tǒng)的集成度。由于S3C2440芯片內(nèi)部沒(méi)有實(shí)現(xiàn)PCI總線,為了使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的擴(kuò)展和升級(jí)能力,通過(guò)外圍的PCI總線控制器芯片實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總線的擴(kuò)展。該芯片支持PCI2. 1協(xié)議規(guī)范,在33 MHz的總線時(shí)鐘頻率下,其峰值傳輸速度可達(dá)133 MB/ s ,完全可以滿(mǎn)足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。通過(guò)PCI總線實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙接口和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口,滿(mǎn)足用戶(hù)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的要求。同時(shí),系統(tǒng)可以連接2.5英寸或者1. 8英寸的小型硬盤(pán),實(shí)現(xiàn)用戶(hù)信息的移動(dòng)存儲(chǔ),用戶(hù)可以根據(jù)需要擴(kuò)大存儲(chǔ)容量。由于在系統(tǒng)中采用了PCI總線控制器,擴(kuò)展出了PCI總線,使得系統(tǒng)在某種意義上相當(dāng)于一臺(tái)小型PC機(jī),用戶(hù)可以很方便地進(jìn)行硬件系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級(jí)。為了滿(mǎn)足有些場(chǎng)合的人機(jī)交互,不同于一般的PC機(jī)系統(tǒng),要求快捷、 方便的操作要求,我們采用6. 4英寸高亮度彩色TFT LCD觸摸屏,用戶(hù)與上層多媒體處理軟件的交互直接通過(guò)觸摸屏方式實(shí)現(xiàn),提供了良好的人機(jī)接口。
圖1為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。
SHAPE \* MERGEFORMAT
嵌入式多媒體控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖
2、軟件部分
軟件系統(tǒng)由μCLinux 操作系統(tǒng)、 嵌入式圖形用戶(hù)界面支持系統(tǒng) MiniGUI構(gòu)成。 μCLinux操作系統(tǒng)包括引導(dǎo)裝載程序、 嵌入式Linux 內(nèi)核、 必要的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、 文件系統(tǒng)J FFS2 等,具有高度模塊化、 易于定制、 可移植性好等優(yōu)點(diǎn)。引導(dǎo)裝載程序Boot Loader 是系統(tǒng)加電后運(yùn)行的第一段軟件代碼。通過(guò)這段小程序,可以初始化硬件設(shè)備、 建立內(nèi)存空間的映射圖,從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài),以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。每種不同的 CPU 體系結(jié)構(gòu)都有不同的 Boot Loader ,Boot Loader 是嚴(yán)重依賴(lài)于硬件而實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)采用基于ARM920T核的Boot Loader ,且根據(jù)系統(tǒng)硬件設(shè)備的實(shí)際配置修改了Boot Loader 的源程序,使他能夠運(yùn)行到我們的系統(tǒng)上。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)提供了最大128 M可選的 SDRAM和最大128 M可選的 FLASH存儲(chǔ)器,系統(tǒng)運(yùn)行小型的,經(jīng)過(guò)裁剪的Linux 微內(nèi)核。微內(nèi)核由內(nèi)存管理、 進(jìn)程管理和事務(wù)處理構(gòu)成,包括了所有核心的操作系統(tǒng)功能在內(nèi)。μCLinux 操作系統(tǒng)本身的微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單,系統(tǒng)要求的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和文件系統(tǒng)以模塊形式置于微內(nèi)核的上層,驅(qū)動(dòng)程序和其他部件可在運(yùn)行時(shí)作為可加載模塊編譯或是添加到內(nèi)核,這為構(gòu)造定制的可嵌入系統(tǒng)提供了高度模塊化的構(gòu)件方法。用戶(hù)可以結(jié)合定制的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的附加功能,大大減小了內(nèi)核的體積,便于維護(hù)和移植。其中,采用J FFS2 日志閃存文件系統(tǒng)管理非易失性存儲(chǔ)中的結(jié)構(gòu)化文件數(shù)據(jù),J FFS2 是專(zhuān)門(mén)為像閃存芯片那樣的嵌入式設(shè)備創(chuàng)建的,所以他的整個(gè)設(shè)計(jì)提供了更好的閃存管理,為掉電或系統(tǒng)崩潰等突發(fā)事件提供了很好的數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制。
MiniGUI 是一種面向嵌入式系統(tǒng)或?qū)崟r(shí)系統(tǒng)的圖形用戶(hù)界面支持系統(tǒng),是遵循 L GPL 條款的純自由軟件,提供了完備的多窗口機(jī)制,多字符集和多字體支持,BMP , GIF ,J PEG,PCX,TGA 等常見(jiàn)圖像文件的支持等。他是建立在比較成熟的圖形引擎之上的,比如 SVGALib 和 LibGGI ,系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)在于窗口系統(tǒng)、 圖形接口之上,MiniGUI提供了大量的圖形應(yīng)用編程接口,包含全部功能的庫(kù)文件大小僅為 300 k左右,特別適合用在嵌入式系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)控制臺(tái)圖形用戶(hù)界面的應(yīng)用程序。同時(shí),由于圖形抽象層( GAL)和輸入抽象層( IAL)概念的引入,將底層圖形硬件和上層的圖形操作和輸入處理分離開(kāi)來(lái),大大提高了 MiniGUI 的可移植性。利用 GAL 和 IAL ,MiniGUI可以在許多圖形引擎上運(yùn)行,可以很方便地移植到基于ARM920T核的S3C2440系統(tǒng)上。
3 、多媒體娛樂(lè)應(yīng)用軟件的方案設(shè)計(jì)
基于 MiniGUI的嵌入式娛樂(lè)系統(tǒng)軟件,應(yīng)該最大限度滿(mǎn)足視聽(tīng)娛樂(lè)的要求。能提供視頻播放、 音頻播放等多媒體處理軟件,個(gè)人信息管理軟件及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。其中,音頻應(yīng)能支持 MP3 ,WMA , WAV 等格式,視頻支持 AVI(XviD &DivX4. 0 &5. 0)格式。個(gè)人信息管理程序提供備忘錄、 記事本、 名片夾等多種功能。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供全功能的 Web 瀏覽器。用戶(hù)通過(guò)觸摸屏與應(yīng)用軟件進(jìn)行交互,提供了友好的人機(jī)界面。
圖2 基于 MiniGUI的多媒體處理軟件架構(gòu)
SHAPE \* MERGEFORMAT
基于 MiniGUI的多媒體處理軟件架構(gòu)該系統(tǒng)中的所有應(yīng)用程序都以J FFS2 進(jìn)程的形式執(zhí)行,MiniGUI提供應(yīng)用程序管理功能。所有的應(yīng)用程序都運(yùn)行在同一個(gè)地址空間,這樣大大提高了程序之間的通訊效率。當(dāng)應(yīng)用程序之間需要通訊時(shí),可以通過(guò) MiniGUI 提供的 request/ response 接口實(shí)現(xiàn)。我們使用消息驅(qū)動(dòng)作為應(yīng)用程序的創(chuàng)建構(gòu)架,觸摸屏的按擊由 MiniGUI支持系統(tǒng),窗口管理器收集,將其以事先約定的格式翻譯為特定消息,每一個(gè)多媒體處理應(yīng)用程序都包含有自己的消息隊(duì)列,支持系統(tǒng)將消息發(fā)送到應(yīng)用程序的消息隊(duì)列中,應(yīng)用程序建立一個(gè)消息循環(huán),在這個(gè)循環(huán)中讀取消息,應(yīng)用程序同時(shí)提供一個(gè)處理消息的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù),在消息循環(huán)中,系統(tǒng)調(diào)用此函數(shù),在此函數(shù)中處理相應(yīng)的消息,完成用戶(hù)的請(qǐng)求。
關(guān)鍵詞：智能家居；Zigbee；3G網(wǎng)絡(luò)；安全監(jiān)控
引言
隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展及人們生活水品的提高，越來(lái)越多的人不再滿(mǎn)足于傳統(tǒng)的家居生活方式，開(kāi)始期望出現(xiàn)一種依托現(xiàn)代科技的全新的家居體驗(yàn)，智能家居技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[1]，無(wú)論在傳統(tǒng)家居還是智能家居中，安全問(wèn)題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題之一。而一般的家居控制僅擁有家庭局域網(wǎng)絡(luò)，只能在家庭內(nèi)部進(jìn)行監(jiān)控[2]。本文在此基礎(chǔ)之上研究并設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee及3G網(wǎng)絡(luò)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并且能夠通過(guò)移動(dòng)終端實(shí)時(shí)的了解家庭內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，提高家居生活的安全系數(shù)。
1系統(tǒng)架構(gòu)
本文研究設(shè)計(jì)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)采用Zigbee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)加3G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，家居內(nèi)部的各種環(huán)境數(shù)據(jù)例如溫度，濕度等以及各家用電器的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳送至嵌入式主控芯片，由嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析處理，在此基礎(chǔ)之上，添加視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)在大門(mén)，陽(yáng)臺(tái)等存在安全隱患的地方安裝攝像頭，進(jìn)行視頻監(jiān)控，進(jìn)一步提高家居安全系數(shù)。視頻數(shù)據(jù)也一并送至嵌入式主控系統(tǒng)，進(jìn)行壓縮、編碼等處理。為了方便人們?cè)谕獬龅臅r(shí)候可以實(shí)時(shí)的了解家庭情況，本文將嵌入式系統(tǒng)收集并處理之后的各家居數(shù)據(jù)通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)接入Internet，用戶(hù)可以通過(guò)聯(lián)網(wǎng)的手機(jī)、平板電腦等隨身攜帶的移動(dòng)終端實(shí)時(shí)的了解家庭內(nèi)部環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 智能家居監(jiān)控系統(tǒng)
2硬件設(shè)計(jì)
2.1 Zigbee無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)計(jì)
Zigbee又被稱(chēng)為紫峰技術(shù)，是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。一般這個(gè)協(xié)議規(guī)定的通信技術(shù)是一種傳輸距離較短且功耗較低的無(wú)線通信技術(shù)。其主要特點(diǎn)是低復(fù)雜度、低功耗、近距離、低成本、自組織、低數(shù)據(jù)傳輸速率。主要適合應(yīng)用于各類(lèi)自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，可以嵌入到各種設(shè)備中。簡(jiǎn)而言之，ZigBee技術(shù)就是一種便宜的，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。
本文采用的Zigbee技術(shù)為CC2530片上系統(tǒng)解決方案，CC2530是由德州儀器開(kāi)發(fā)的一種典型的Zigbee技術(shù)解決方案，眾所周知，Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)需要一系列的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為支撐，本文采用的CC2530能夠建立起一個(gè)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，但是所需要的成本相對(duì)于其他解決方案來(lái)說(shuō)有很大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)CC2530具有一些不同的運(yùn)行模式，切換不同的運(yùn)行模式可以有效地降低系統(tǒng)功耗，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性有著重要意義。
2.1.1Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>
采用何種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將決定局域網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)之間消息的傳遞方式。常見(jiàn)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三種：星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?shù)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｐ切途W(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x定一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器，其周?chē)南噜徑K端節(jié)點(diǎn)均只與中心節(jié)點(diǎn)相互通信，中心節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，需要分析處理所有的數(shù)據(jù)，必須連續(xù)不間斷供電。樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫抢寐酚善鲗?duì)星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥龅囊恍┭a(bǔ)充即底層的若干個(gè)終端節(jié)點(diǎn)連接至路由器，各路由器再連接至協(xié)調(diào)器。通信時(shí)各終端的數(shù)據(jù)首先匯集到路由器，再由路由器傳送至協(xié)調(diào)器。網(wǎng)狀拓?fù)浼礃?shù)型拓?fù)渲械穆酚晒?jié)點(diǎn)可以與其附近的其他路由節(jié)點(diǎn)相互通信，信息傳輸方式更加復(fù)雜多變。三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
通過(guò)對(duì)上述各拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析，結(jié)合本文設(shè)計(jì)需求可知本文更加適合采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
2.1.2無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
終端節(jié)點(diǎn)是整個(gè)智能家居系統(tǒng)最基礎(chǔ)的部分，由傳感器采集模塊和Zigbee精簡(jiǎn)功能設(shè)備集成而成。終端節(jié)點(diǎn)接收到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)采集命令之后，將傳感器采集到的家居環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，再由具有全設(shè)備功能的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)傳送至嵌入式系統(tǒng)。
常規(guī)的家居環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳感器如溫度傳感器，濕度傳感器，煤氣濃度檢測(cè)傳感器等都有成熟的電路，本文設(shè)計(jì)中只需將傳感器模塊與Zigbee模塊結(jié)合即可組成無(wú)線傳感器。無(wú)線傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。在本文的星型Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校瑹o(wú)線傳感器作為終端節(jié)點(diǎn)只需與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間相互通信，接收協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的命令，并將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。無(wú)線傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3無(wú)線傳感器結(jié)構(gòu)
2.2 監(jiān)控視頻采集處理
在大門(mén)、陽(yáng)臺(tái)、客廳等室內(nèi)一些必要的地方安裝基于USB接口的數(shù)字?jǐn)z像頭，將采集到的視頻數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口直接送到嵌入式系統(tǒng)中進(jìn)行壓縮及編碼處理。數(shù)字?jǐn)z像頭可以直接將采集的模擬視頻信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。數(shù)字視頻信號(hào)與模擬視頻信號(hào)相比具有抗干擾能力強(qiáng)，頻譜效率高，圖像失真少等優(yōu)點(diǎn)。目前市場(chǎng)上的攝像頭基本以數(shù)字?jǐn)z像頭為主，購(gòu)買(mǎi)及安裝使用非常方便。嵌入式主控系統(tǒng)在接收到攝像頭發(fā)送的數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行壓縮處理之后將視頻數(shù)據(jù)通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至用戶(hù)的移動(dòng)終端，方便用戶(hù)隨時(shí)通過(guò)視頻圖像了解家居內(nèi)的安全狀況。
3監(jiān)控系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)
本文系統(tǒng)平臺(tái)采用ARM-Linux系統(tǒng)，其內(nèi)核功能與Linux操作系統(tǒng)非常相似，并沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，驅(qū)動(dòng)程序需要實(shí)現(xiàn)的功能也一樣。只是在內(nèi)核編譯時(shí)，需要移植到ARM上的Linux系統(tǒng)所采用的編譯器以及一些頭文件和部分庫(kù)文件會(huì)依賴(lài)于具體的ARM處理器結(jié)構(gòu)。解決這一問(wèn)題只需在Makefile文件中制定即可。
3.1視頻采集壓縮功能實(shí)現(xiàn)
本文視頻采集功能的實(shí)現(xiàn)依靠USB攝像頭，其正常工作需要在ARM-Linux中配置相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序。Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序常用的是Video4Linux。它提供了一系列的接口函數(shù)供視頻設(shè)備編程時(shí)調(diào)用。
首先將驅(qū)動(dòng)程序模塊編譯成.O目標(biāo)文件，放在內(nèi)核的/lib/modules/目錄下，使用depmod a命令將此模塊變成可加載模塊。在調(diào)用攝像頭功能時(shí)，使用insmod命令調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序中int init-module（void），設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)始初始化，初始化結(jié)束，攝像頭便能正常工作。攝像頭被正常驅(qū)動(dòng)之后，便是對(duì)視頻數(shù)據(jù)的采集工作。圖4為視頻采集工作流程圖。
圖4 視頻采集流程
完成對(duì)視頻的采集之后，為了便于視頻數(shù)據(jù)在3G網(wǎng)絡(luò)中傳輸，還需要對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，以適應(yīng)3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶寬。H.264視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)是JVT（Joint Video Team 視頻聯(lián)合工作組）提出來(lái)的一種新的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，在圖像質(zhì)量相同的前提下，H.264數(shù)據(jù)壓縮比與MPEG-2相比高出2-3倍，比MPEG-4相比高出1.5倍到2倍。因此，經(jīng)過(guò)H.264標(biāo)準(zhǔn)壓縮后的視頻數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求更低，更適于帶寬非常緊張的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。
3.2 3G網(wǎng)絡(luò)傳輸功能實(shí)現(xiàn)
本文設(shè)計(jì)的3G網(wǎng)絡(luò)部分的主要功能是將嵌入式主控系統(tǒng)收集并處理之后的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)及各類(lèi)家居安全數(shù)據(jù)以無(wú)線的方式接入互聯(lián)網(wǎng)，并發(fā)送至用戶(hù)的手機(jī)等移動(dòng)終端。3G模塊接入方式采用WCDMA制式，選用能夠滿(mǎn)足監(jiān)控視頻傳輸帶寬需求的華為E1750無(wú)線上網(wǎng)卡它支持上行最高速率HSUPA 5.76Mbps；支持下行最高速率HSDPA 7.2Mbps，數(shù)據(jù)傳輸非?？?。
為使3G網(wǎng)卡在ARM-Linux下能夠正常工作，必須配置驅(qū)動(dòng)信息。
首先在/driver/usb/serial/p12303.c
中加入3G無(wú)線網(wǎng)卡的ID信息：
{USB-DEVICE（HUAWEI_VENDORID），HUAWEI_PRODUCT_ID））
在/driver/usb/serial/p12303.h中加入：
#define HUAWEI_VENDOR_ID 0xl2dl
#define HUAWEI_PRODUCT_ID 0xl001
然后，將Linux內(nèi)核重新編譯。
在內(nèi)核/dev目錄下建立新的字符節(jié)點(diǎn)
Mknod/dev/ttyUSB0 c 188 0
Mknod/dev/ttyUSB1 c 188 1
Mknod/dev/ttyUSB2 c 1 88 2
接下來(lái)交叉編譯3G虛線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的移植工具usb-modeswich，它是一種轉(zhuǎn)換USB設(shè)備工作模式的工具。usb-modeswich.setup文件中加入以下程序：
#Huawei E1750
#Contributor：Anders Blomdell，Ahmed Soliman
DefaultVendor=0x12dl
DefaultProduct=0x1446
TargetVendor=0xl2dl
TargetProduct=0x1001
#only for reference and0.x versions
MessageEndpoint=0x0l
MessageContent=”55534243123456780000000000000011060000000000000000000000000000”
HuaweiMode=0
運(yùn)./usb_modeswitch即可切換3G網(wǎng)卡的工作模式，進(jìn)行3G撥號(hào)上網(wǎng)。
實(shí)驗(yàn)室條件下，在基于Linux操作系統(tǒng)的嵌入式平臺(tái)基礎(chǔ)之上連接USB攝像頭，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為實(shí)驗(yàn)室的WCDMA3G網(wǎng)絡(luò)，終端為一個(gè)普通的安卓系統(tǒng)智能手機(jī)。測(cè)試了包括燈光控制、溫濕度采集等10個(gè)節(jié)點(diǎn)，最遠(yuǎn)距離協(xié)調(diào)器13米，結(jié)果表明，在Zigbee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，沒(méi)有出現(xiàn)掉線的情況，能夠有效的采集并傳輸測(cè)試的數(shù)據(jù)。3G通信網(wǎng)中也能夠高效的傳輸視頻等信息數(shù)據(jù)。圖5為實(shí)驗(yàn)室條件下手機(jī)終端接收到的監(jiān)控畫(huà)面。
圖5 移動(dòng)終端監(jiān)控畫(huà)面
4 總結(jié)
本文研究設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Zigbee及3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了Zigbee網(wǎng)絡(luò)采集的各種室內(nèi)安全數(shù)據(jù)和攝像頭采集的視頻監(jiān)控畫(huà)面一并通過(guò)3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至用戶(hù)移動(dòng)終端。為用戶(hù)提供了一個(gè)家居安全監(jiān)控平臺(tái)。3G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也契合了當(dāng)下高速發(fā)展的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 肖海濤. 基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]，中國(guó)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)，2008.
[2] 宋冬，廖結(jié)，陳星，江灝. 基于Zigbee和GPRS的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].計(jì)算機(jī)工程，2012，33：243-246.
[3] 李戰(zhàn)明，李泉，殷培峰. 基于ZigBee的環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) [J].電子測(cè)量技術(shù)，2010，33（6）：118～122.
[4] 丁誠(chéng)誠(chéng). 基于ZigBee的人體傳感網(wǎng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]，中國(guó)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)，2010.
[5] Halit Eren， Emran Fadizl. Technical challenges for Wireless Instrument Networks―A Case Study with Zigbee[C]. IEEE Sensors Applications Symposium San Diego， California USA， 2007 IEEE.
[6] 周毅.基于Android系統(tǒng)的視頻監(jiān)控客戶(hù)端軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2012
[7] 南忠良，孫國(guó)新.基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（7）：117-119.
論文關(guān)鍵詞：卡水表,控制器,低功耗,邏輯加密卡
由于水資源的日益珍貴，社會(huì)越來(lái)越提倡節(jié)約用水。采用現(xiàn)在高科技術(shù)進(jìn)行用水管理，已成為一種發(fā)展方向，并且已在很多城市得到應(yīng)用，取得很好的效果。智能IC卡水表及收費(fèi)系統(tǒng)，是采用世界上最先進(jìn)的科技技術(shù)，進(jìn)行用水計(jì)量、控制和收費(fèi)的系統(tǒng)。它實(shí)現(xiàn)先付費(fèi)后使用的結(jié)算管理模式，徹底改變了傳統(tǒng)抄表付費(fèi)的用水方式，該表特別適合新建城市以及舊城改造。采用智能IC卡水表進(jìn)行收費(fèi)管理，可以徹底解決過(guò)去用水收費(fèi)難的問(wèn)題，省去了管理部門(mén)上門(mén)抄表、收費(fèi)等煩雜工作；可以方便用戶(hù)用水，買(mǎi)多少水用多少水，多買(mǎi)多用，不用管理部門(mén)進(jìn)門(mén)抄表，免受打擾，滿(mǎn)足人們安寧家居的要求。
1、智能IC卡水表及售水管理系統(tǒng)的組成
智能IC卡水表是一種新型的計(jì)量表，智能IC卡水表是以帶有發(fā)信裝置的冷水水表為計(jì)量基表，以IC卡為媒體，加裝電子控制器和電控閥所組成的一種具有預(yù)付費(fèi)功能的水量計(jì)量?jī)x器。
IC卡水表售水管理系統(tǒng)，是要用戶(hù)先到用水管理單位購(gòu)水，才能用水的系統(tǒng)。IC卡水表及售水管理系統(tǒng)是由：IC卡水表、IC卡、讀寫(xiě)器、售水微機(jī)、售水管理系統(tǒng)組成。見(jiàn)圖1所示：
圖1智能IC卡水表及售水管理系統(tǒng)的組成
IC卡水表是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件，也是系統(tǒng)中使用數(shù)量最多的部件。它安裝在用戶(hù)的用水管路中，主要起用水計(jì)量、顯示和控制的作用。IC卡，主要功能是記錄用戶(hù)從銀行或用水管理單位購(gòu)買(mǎi)的水量信息，傳給IC卡水表。讀寫(xiě)器主要是完成IC卡的讀寫(xiě)操作及與計(jì)算機(jī)的通信功能。售水管理軟件是記錄用戶(hù)購(gòu)水信息，完成計(jì)算機(jī)與讀寫(xiě)器的通信等功能的軟件。
2、IC卡水表的組成及控制器的工作原理
【關(guān)鍵詞】高海拔覆冰 在線監(jiān)測(cè) 可視化高清視頻 無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)
1 高海拔地區(qū)可視化背景
2008年初的冰災(zāi)導(dǎo)致電網(wǎng)大面積損毀事件使人們了解到，冰災(zāi)情發(fā)生前的防范、維護(hù)，災(zāi)情發(fā)生時(shí)預(yù)警、快速反應(yīng)以及災(zāi)后的應(yīng)急搶修、重建都非常的必要。在覆冰發(fā)生時(shí)，如何對(duì)重冰區(qū)、人煙稀少偏遠(yuǎn)山區(qū)、積雪時(shí)無(wú)法人工巡視、無(wú)GPRS/3G/3G信號(hào)等重點(diǎn)區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)線路的覆冰狀況進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確掌握，為提前抗冰融冰提供科技支撐，將是提高電網(wǎng)整體抗冰水平、防止冰災(zāi)倒塔大面積斷電事故發(fā)生的關(guān)鍵。本研究將采用先進(jìn)可靠的OPGW光纖和WIFI混合通信技術(shù)、雙備份智能切換冗余電源技術(shù)和完善的遠(yuǎn)程維護(hù)機(jī)制技術(shù)，對(duì)重冰區(qū)、無(wú)信號(hào)偏遠(yuǎn)山區(qū)的輸電線路覆冰狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及早發(fā)現(xiàn)覆冰事故隱患并及時(shí)予以排除，使輸電網(wǎng)始終以良好的狀態(tài)運(yùn)行具有十分重要的意義。
目前投運(yùn)的輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)裝置，普遍存在運(yùn)行不穩(wěn)定、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工作量大等現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在冬季覆冰期設(shè)備電源供電不足而無(wú)法正常運(yùn)行、嚴(yán)重覆冰時(shí)GPRS/3G無(wú)線通信基站終端而造成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備無(wú)法正常進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、線路維護(hù)人員頻繁到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行維修而造成維護(hù)工作量大等問(wèn)題。通過(guò)對(duì)本研究的研究，研究建立輸電線路智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，著重對(duì)重冰區(qū)、無(wú)信號(hào)覆蓋區(qū)、人煙稀少偏遠(yuǎn)山區(qū)、巡視難度大的崇山峻嶺高海拔山區(qū)等區(qū)域線路的覆冰狀況、線路走廊周?chē)h(huán)境狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為重冰期高海拔輸電線路抗冰等日常維護(hù)技術(shù)支撐。
通過(guò)本次研究，將改變現(xiàn)有覆冰監(jiān)測(cè)裝置“覆冰關(guān)鍵期設(shè)備供電不足而冬眠”、“只能看圖像，無(wú)法看清晰視頻”的狀況，省局等各部門(mén)通過(guò)省網(wǎng)公司辦公網(wǎng)絡(luò)均可以隨時(shí)隨地登陸系統(tǒng)，實(shí)時(shí)瀏覽高海拔、重冰區(qū)輸電線路現(xiàn)場(chǎng)覆冰程度、線路走廊周?chē)h(huán)境狀況等，猶如親臨現(xiàn)場(chǎng)，為日常線路運(yùn)行維護(hù)提供技術(shù)支持。
2 高海拔可視化管理現(xiàn)狀
我國(guó)部分區(qū)域高壓輸電線路運(yùn)行在3500米以上的高海拔、無(wú)人區(qū)、無(wú)信號(hào)覆蓋區(qū)域，這些區(qū)域氣候環(huán)境極為惡劣，嚴(yán)重雨雪冰凍的天氣對(duì)輸電線路安全運(yùn)行構(gòu)成極大威脅。在冬季覆冰期，由于這些高海拔區(qū)域山高坡陡、氣溫低，山上積雪覆冰不宜融化，使得在這段覆冰關(guān)鍵期內(nèi)無(wú)法對(duì)這些重覆冰區(qū)線路進(jìn)行正常巡視，無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確掌握山上高海拔區(qū)域線路的覆冰狀況、線路走廊環(huán)境，迫切需要借助科技手段對(duì)這些高海拔、無(wú)人區(qū)、重覆冰區(qū)輸電線路覆冰狀況實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化管理。在2008 年我國(guó)大面積冰災(zāi)之后，我國(guó)輸電網(wǎng)安裝投運(yùn)了一批輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)裝置，它能夠?qū)Ω脖谳旊娋€路導(dǎo)線、地線荷載變化狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠在一定程度上幫助線路維護(hù)人員了解現(xiàn)場(chǎng)的覆冰狀況。目前在實(shí)際使用過(guò)程中，存在明顯不足，主要表現(xiàn)在“覆冰關(guān)鍵期設(shè)備供電不足而冬眠”、“只能看風(fēng)景，無(wú)法看覆冰”的狀況，裝置供電不可靠、覆冰圖像傳輸不清晰、只能看圖像而無(wú)法看視頻和進(jìn)行錄像的不足，無(wú)法滿(mǎn)足高海拔重覆冰區(qū)、無(wú)信號(hào)區(qū)輸電線路可視化管理的應(yīng)用需求，主要體現(xiàn)在：
2.1 供電系統(tǒng)不可靠
目前投運(yùn)的輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)裝置，夏季運(yùn)行良好，但是到冬季覆冰關(guān)鍵時(shí)期，普遍存在設(shè)備供電不足，設(shè)備無(wú)法運(yùn)行，嚴(yán)重影響其實(shí)用性，難以發(fā)揮“覆冰監(jiān)測(cè)”的作用。據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司生計(jì)部初步統(tǒng)計(jì)，目前投運(yùn)的輸電線路正常上線運(yùn)行率為30%左右，其余70%的輸電線路在線監(jiān)測(cè)設(shè)備不能正常運(yùn)行，其中50%設(shè)備不運(yùn)行是由于供電中斷引起的。
2.2 通信手段主要依賴(lài)于GPRS/3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)
無(wú)法對(duì)無(wú)移動(dòng)信號(hào)偏遠(yuǎn)山區(qū)的線路桿塔進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而這些區(qū)域恰恰多是人煙稀少的偏遠(yuǎn)山區(qū)，或者巡線難度大的高海拔山區(qū)，在嚴(yán)重覆冰期間，人員無(wú)法進(jìn)行正常巡線的區(qū)域。
設(shè)備依靠GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的通信鏈路薄弱，尤其是出現(xiàn)大面積覆冰時(shí)，移動(dòng)GPRS/3G基站往往無(wú)法正常運(yùn)行而造成現(xiàn)場(chǎng)覆冰監(jiān)測(cè)裝置通信鏈路中斷，造成線路維護(hù)人員在嚴(yán)重覆冰關(guān)鍵期無(wú)法及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)線路的覆冰狀況及發(fā)展趨勢(shì)。
由于依賴(lài)GPRS/3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)， 該網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率有限，傳輸帶寬受到限制，圖像壓縮比大，需要將傳輸信息打包并切割成小塊，分批發(fā)送，造成覆冰圖像清晰度不高且無(wú)法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)覆冰狀況進(jìn)行視頻監(jiān)控及錄像，是線路維護(hù)人員無(wú)法準(zhǔn)確掌握現(xiàn)場(chǎng)的覆冰程度。
2.3 GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制
由于GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，只能看圖像無(wú)法看視頻，且清晰度不高，圖像分辨率最大只能640*480，圖像清晰度非常有限，無(wú)法為線路維護(hù)人員提供準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)線路狀況。
2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷
在覆冰關(guān)鍵期，攝像機(jī)鏡頭被覆冰遮擋造成關(guān)鍵期無(wú)法準(zhǔn)確掌握現(xiàn)場(chǎng)覆冰程度等不足之處，使得無(wú)法充分滿(mǎn)足線路維護(hù)人員對(duì)較長(zhǎng)覆冰期、重冰區(qū)、無(wú)信號(hào)覆蓋區(qū)輸電線路覆冰狀況及時(shí)準(zhǔn)確掌握。
2.5 遠(yuǎn)程維護(hù)機(jī)制不完善
目前投運(yùn)的覆冰設(shè)備普遍存在無(wú)法遠(yuǎn)程升級(jí)，設(shè)備自我診斷功能不完善、自愈性差的缺陷，設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)必須到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維護(hù)，這樣不僅沒(méi)有減輕反而增加了線路維護(hù)人員的工作量。
鑒于目前覆冰監(jiān)測(cè)裝置的不足，本研究擬利用雙備份電源冗余供電技術(shù)進(jìn)行供電，監(jiān)測(cè)裝置與監(jiān)測(cè)中心網(wǎng)絡(luò)通信上采用OPGW光纖和WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的混合數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、高清視頻等技術(shù)，研制具有一體化、低功耗、雙電源智能切換、OPGW與WIFI混合通信、冗余設(shè)計(jì)、高清視頻的覆冰視頻監(jiān)控裝置。利用本研究的成果，線路管理人員無(wú)需到現(xiàn)場(chǎng)，在后臺(tái)電腦上就可以看到清晰的現(xiàn)場(chǎng)線路覆冰視頻，切實(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)重冰區(qū)、無(wú)信號(hào)覆蓋區(qū)、無(wú)人區(qū)及巡視難度大高海拔區(qū)域線路的可視化管理，切實(shí)實(shí)現(xiàn)線路維護(hù)人員對(duì)重點(diǎn)線路、覆冰期重點(diǎn)區(qū)域線路的覆冰狀況、線路走廊環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)氣象狀況實(shí)時(shí)準(zhǔn)確掌握。
3 可視化管理設(shè)計(jì)
3.1 雙電源智能切換技術(shù)介紹
開(kāi)展雙備份及智能切換穩(wěn)定供電技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)供電模塊能夠以智能判別自動(dòng)切換和遠(yuǎn)程后臺(tái)手動(dòng)切換兩種方式切換到備用電源上，確保系統(tǒng)能夠在嚴(yán)重覆冰期、太陽(yáng)能被冰雪覆蓋無(wú)法充電等情況下，系統(tǒng)電源充足，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠穩(wěn)定將現(xiàn)場(chǎng)的視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)：
具有喚醒與休眠功能的智能切換供電部分具有專(zhuān)屬CPU控制模塊，該CPU控制模塊通過(guò)一MOS管分別與主電源以及輔助電源相連；提供CPU監(jiān)測(cè)模塊，用于監(jiān)測(cè)電源的狀態(tài)；提供多個(gè)喚醒源電路，其分別與CPU控制模塊以及MOS管相連，所述的CPU控制模塊可以隨時(shí)進(jìn)行待機(jī)喚醒功能；CPU控制模塊根據(jù)CPU監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)到電源的狀態(tài)，對(duì)主電源，輔助電源的無(wú)縫切換是通過(guò)硬件自動(dòng)切換的；在備用電源供電的情況下，CPU控制模塊可以隨時(shí)切斷該備用電源供電，使雙電源切換系統(tǒng)進(jìn)入完全待機(jī)狀態(tài)。
3.1.1 驅(qū)動(dòng)控制部分
由邏輯控制電路和齒輪電機(jī)組成。電路控制核心采用CPU控制，電源部分采用開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)壓系統(tǒng)，供電可靠，電路具有良好的電磁兼容性，齒輪電機(jī)具有很強(qiáng)的耐濕熱性和耐高溫性，安全保護(hù)功能良好。
3.1.2 機(jī)械聯(lián)鎖部分
多重的機(jī)械聯(lián)鎖，確保兩路電源在任何情況下不能并列運(yùn)行。
3.2 OPGW光纖與無(wú)線WIFI的混合組網(wǎng)
按照《輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信技術(shù)方案》，根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，以及監(jiān)測(cè)信息點(diǎn)分布的情況，一般將通信系統(tǒng)分成四種部署方式和兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)段。 四種部署方式包括基于公網(wǎng)的后端匯集方案、基于公網(wǎng)的前端匯集方案、基于專(zhuān)網(wǎng)的后端匯集方案、基于專(zhuān)網(wǎng)的前端匯集方案。
針對(duì)重冰區(qū)、無(wú)信號(hào)覆蓋區(qū)線路監(jiān)測(cè)裝置布點(diǎn)之間的距離較大，同時(shí)考慮到線路現(xiàn)場(chǎng)GPRS/3G/CDMA/3G的信號(hào)條件普遍偏弱，本研究在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通訊方式采用“OPGW光纖通信為主，無(wú)線WIFI接入為輔”的基于專(zhuān)網(wǎng)的后端匯集方案。兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)段為現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)段和遠(yuǎn)程傳輸段：
（1）現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)段負(fù)責(zé)將一定范圍內(nèi)的輸電線路和桿塔上的傳感器通過(guò)短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)匯集接入；
（2）遠(yuǎn)程傳輸段則負(fù)責(zé)將現(xiàn)場(chǎng)匯集的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸送到數(shù)據(jù)網(wǎng)接入點(diǎn)，如圖1。
3.3 H.264視頻壓縮與傳輸
H.264視頻編碼壓縮處理技術(shù)，與其它H.26x、MPEG-X視頻編碼技術(shù)相比，具有圖像質(zhì)量?jī)?yōu)異、編碼效率高的優(yōu)點(diǎn)。但是其編碼過(guò)程的計(jì)算復(fù)雜性很高，如何降低編碼過(guò)程的計(jì)算復(fù)雜性，提高編碼速度是H.264視頻處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本研究將三個(gè)方面研究實(shí)現(xiàn)H.264網(wǎng)絡(luò)視頻編碼技術(shù)： H.264視頻編碼算法優(yōu)化；DSP系統(tǒng)中視頻編碼應(yīng)用的硬件加速；H.264視頻報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸。
H.264視頻編碼算法優(yōu)化提出了啟發(fā)式預(yù)測(cè)模式確定算法，對(duì)幀間預(yù)測(cè)、幀內(nèi)預(yù)測(cè)和最佳預(yù)測(cè)模式的確定過(guò)程進(jìn)行綜合優(yōu)化。該算法利用視頻序列在空間和時(shí)間上的相關(guān)性，以及相鄰的圖像單位在預(yù)測(cè)失真上的相似性，推測(cè)當(dāng)前宏塊中接近最佳性能的預(yù)測(cè)塊劃分方法和預(yù)測(cè)模式。算法提供了推測(cè)錯(cuò)誤處理機(jī)制，能夠保證預(yù)測(cè)塊與原始圖像之間實(shí)現(xiàn)最佳匹配。實(shí)驗(yàn)證明經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后，以微小的編碼圖像失真為代價(jià)，較大幅度地提高了編碼速度，編碼器的性能得到顯著改善，如圖2。
本研究采用網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)工具包實(shí)現(xiàn)了RTP/RTCP實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，主要包括TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的配置與使用，以及實(shí)現(xiàn)基于RTP/RTCP協(xié)議的應(yīng)用服務(wù)。在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對(duì)視頻編碼器進(jìn)行性能進(jìn)行測(cè)試，檢驗(yàn)視頻編碼器的實(shí)時(shí)效果；完成了進(jìn)行數(shù)據(jù)完整性測(cè)試，驗(yàn)證了視頻編碼器的正確性。測(cè)試結(jié)果表明本課題研究和實(shí)現(xiàn)的視頻編碼器具有良好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。
3.4 裝置技術(shù)實(shí)現(xiàn)
針對(duì)目前覆冰監(jiān)測(cè)裝置普遍存在供電系統(tǒng)不可靠、GPRS/3G無(wú)線通信局限性大、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備維護(hù)工作量大等特點(diǎn)，本研究將研制具有一體化、低功耗、雙電源智能切換、OPGW與WIFI混合通信、冗余設(shè)計(jì)、清晰視頻監(jiān)控、完善遠(yuǎn)程維護(hù)機(jī)制的視頻監(jiān)控裝置。
3.4.1 一體化設(shè)計(jì)
監(jiān)控裝置的主處理單元、數(shù)據(jù)采集單元、供電管理單元、控制單元、通信單元采用一體化的設(shè)計(jì)原則，杜絕部件間的簡(jiǎn)單聯(lián)結(jié)而形成的離散性?xún)?nèi)部結(jié)構(gòu)；
3.4.2 中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（ARM CORTEX）
ARM CORTEX 嵌入式技術(shù)能夠滿(mǎn)足汽車(chē)、工業(yè)控制及醫(yī)療監(jiān)測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ρb置功耗與效能的嚴(yán)苛要求，它以高穩(wěn)定性、超低功耗、低成本三個(gè)技術(shù)特色在諸多電力、汽車(chē)等諸多工業(yè)控制領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。我司的氣象監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)終端的中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用Cortex處理器開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)，不僅具有ARM嵌入式技術(shù)穩(wěn)定性好、功能強(qiáng)大、抗干擾性能好、后期擴(kuò)展性能好、遠(yuǎn)程維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具備了MSP430單片機(jī)低功耗、低成本的優(yōu)點(diǎn)。
3.4.3 主備工作模式
監(jiān)測(cè)裝置的核心部分即中央處理器，是監(jiān)測(cè)裝置的大腦，如果發(fā)生故障將直接導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法工作。從計(jì)算機(jī)服務(wù)器雙機(jī)備份的角度出發(fā)，將設(shè)備主處理單元等設(shè)計(jì)為主備智能的工作模式，當(dāng)核心主處理器發(fā)生故障時(shí)，智能切換到從處理單元，并且無(wú)縫切換，保障設(shè)備的正常運(yùn)行。核心模塊的配置信息存儲(chǔ)在公共存儲(chǔ)器，當(dāng)后備模塊啟動(dòng)時(shí)，自動(dòng)裝載工作模塊的工作配置，無(wú)需重新配置工作參數(shù)。
3.4.4 完善的現(xiàn)場(chǎng)覆冰視頻監(jiān)控功能
采用H.264視頻處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)清晰覆冰連續(xù)視頻和圖像的采集、錄像功能。
采用全方位無(wú)盲點(diǎn)工業(yè)攝像機(jī)，對(duì)導(dǎo)線、桿塔、線路走廊及周?chē)h(huán)境進(jìn)行全方位監(jiān)控，能夠在后臺(tái)看到清晰、流暢線路視頻。
線路管理人員在后臺(tái)人員可遠(yuǎn)程控制攝像機(jī)視覺(jué)方位，能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)覆冰狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程錄像和危險(xiǎn)關(guān)鍵點(diǎn)圖像抓拍。
3.4.5 采用OPGW光纖通信為主、WIFI無(wú)線通信為輔的混合通信技術(shù)
針對(duì)重冰區(qū)、無(wú)信號(hào)覆蓋區(qū)線路覆冰監(jiān)測(cè)裝置布點(diǎn)之間的距離較大，同時(shí)考慮到線路現(xiàn)場(chǎng)GPRS/3G/CDMA/3G的信號(hào)條件普遍偏弱，本研究在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通訊方式采用“OPGW光纖通信為主，無(wú)線WIFI接入為輔”的基于專(zhuān)網(wǎng)的后端匯集方案。
3.4.6 雙電源供電系統(tǒng)
狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的電源系統(tǒng)均采用太陽(yáng)能雙路充電、充電管理模組雙路管理、蓄電池雙路供電；全部供電系統(tǒng)完全隔離，互不影響；當(dāng)一路供電裝置出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，不會(huì)影響另一路供電裝置的可靠運(yùn)行。
3.4.7 攝像機(jī)鏡頭防覆冰設(shè)計(jì)
對(duì)以前裝置中出現(xiàn)攝像機(jī)在雨、雪、冰、污中拍到的照片無(wú)法識(shí)別的現(xiàn)象，在攝像機(jī)結(jié)構(gòu)及鏡頭材料進(jìn)行了改進(jìn)。
3.4.8 低功耗設(shè)計(jì)
在全部采用工業(yè)級(jí)低功耗部件的同時(shí)，還設(shè)計(jì)有低功耗工作模式。
正常模式：所有的電源啟動(dòng)設(shè)備處在正常工作狀態(tài)。
節(jié)能模式：關(guān)閉所有的通訊系統(tǒng)（本裝置的功耗主要產(chǎn)生在無(wú)線通訊設(shè)備中），采集數(shù)據(jù)保存到裝置，數(shù)據(jù)不上傳。
自動(dòng)切換：在正常狀態(tài)下，裝置白天處于正常模式，晚上處于節(jié)能式。
3.4.9 遠(yuǎn)程維護(hù)機(jī)制
遠(yuǎn)程維護(hù)機(jī)制（增加遠(yuǎn)程自動(dòng)升級(jí)功能）、設(shè)備故障自我診斷及自我處理等方面的技術(shù)，提高重冰區(qū)、無(wú)信號(hào)偏遠(yuǎn)山區(qū)等惡劣環(huán)境下設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠性。
3.5 可視化管理軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)
平臺(tái)系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)遵循先進(jìn)、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、高效的原則。
（1）采用開(kāi)放式、一體化、可擴(kuò)展的應(yīng)用平臺(tái)，在滿(mǎn)足當(dāng)前應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，能夠根據(jù)未來(lái)發(fā)展的需要擴(kuò)展其他應(yīng)用功能。
（2）平臺(tái)系統(tǒng)應(yīng)采用先進(jìn)的信息表現(xiàn)方式，為運(yùn)行維護(hù)人員提供可視化運(yùn)行界面。
（3）采用統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)和編碼體系。
（4）平臺(tái)系統(tǒng)應(yīng)預(yù)留和第三方應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)接口。
3.5.1 平臺(tái)基本功能模塊
具有終端基本信息建檔、終端安裝位置信息建檔、終端功能信息建檔、現(xiàn)場(chǎng)視頻瀏覽及遠(yuǎn)程控制攝像機(jī)功能、終端運(yùn)維記錄。
3.5.2 WEB 瀏覽
系統(tǒng)采用WEB瀏覽方式，滿(mǎn)足線路維護(hù)工作人員對(duì)輸電線路運(yùn)行狀況、覆冰災(zāi)情嚴(yán)重程度等現(xiàn)場(chǎng)狀況掌握的應(yīng)用需求。省局等各部門(mén)通過(guò)省網(wǎng)公司辦公網(wǎng)絡(luò)均可以隨時(shí)隨地登陸系統(tǒng)，實(shí)時(shí)瀏覽高海拔、重冰區(qū)輸電線路現(xiàn)場(chǎng)覆冰程度、線路走廊周?chē)h(huán)境狀況等，猶如親臨現(xiàn)場(chǎng)，為日常線路運(yùn)行維護(hù)提供技術(shù)支撐。
3.5.3 平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在開(kāi)放性和標(biāo)準(zhǔn)性的前題下，為提高數(shù)據(jù)及圖形訪問(wèn)速度，數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)響應(yīng)性，在商用數(shù)據(jù)庫(kù)之上構(gòu)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，支持CLIENT/SERVER模式SQL訪問(wèn)。
4 結(jié)論
本研究通過(guò)對(duì)OPGW光纖與WIFI混合組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、雙備份電源智能切換、H.264視頻壓縮處理技術(shù)、遠(yuǎn)程免維護(hù)機(jī)制的研究，研制具有一體化、低功耗、雙電源智能切換供電、多重混合通信、多冗余、攝像頭防覆冰且高清晰視頻監(jiān)控、完善遠(yuǎn)程維護(hù)機(jī)制的可視化裝置。
通過(guò)本次的研究及成果的應(yīng)用，將解決目前覆冰監(jiān)測(cè)裝置普遍存在供電系統(tǒng)不可靠、GPRS/3G無(wú)線通信鏈路不穩(wěn)定、只能傳輸不清晰圖像而無(wú)法實(shí)現(xiàn)高清視頻監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障率高、維護(hù)工作量大等存在的一些問(wèn)題，消除現(xiàn)有覆冰監(jiān)測(cè)裝置“無(wú)覆冰時(shí)運(yùn)行良好、覆冰關(guān)鍵期設(shè)備斷電冬眠”、“只能用來(lái)看風(fēng)景、無(wú)法看覆冰”的狀況；彌補(bǔ)目前覆冰監(jiān)測(cè)裝置在重冰區(qū)、長(zhǎng)覆冰期、無(wú)信號(hào)覆蓋區(qū)等線路上無(wú)法對(duì)線路運(yùn)行狀況、線路走廊環(huán)境狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控的不足，切實(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)重冰區(qū)、無(wú)信號(hào)覆蓋區(qū)、無(wú)人區(qū)及巡視難度大高海拔區(qū)域線路的覆冰狀況進(jìn)行監(jiān)控，切實(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)重冰區(qū)、無(wú)信號(hào)覆蓋區(qū)、無(wú)人區(qū)及巡視難度大高海拔區(qū)域線路的覆冰狀況、線路走廊環(huán)境狀況和氣象狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，切實(shí)實(shí)現(xiàn)線路維護(hù)人員對(duì)重點(diǎn)線路、覆冰期重點(diǎn)區(qū)域線路運(yùn)行狀況無(wú)盲點(diǎn)掌握。
參考文獻(xiàn)
[1]國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì).架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[M].北京：電力工業(yè)出版社，1999.
[2]黃新波.輸電線路在線監(jiān)測(cè)與故障診斷（第二版）[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.
[3]法贊（加拿大）、黃新波（譯）.電網(wǎng)的大氣覆冰[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.