无线可视对讲门禁系统中图像通信的设计与实现

0 引言
现阶段中小城市居民楼单元入口大多数是敞开着的，这方便了居民的进出，也给居民的生活带来了诸多的不便和不安定因素。例如：任何人都可随意进入居民楼道内，在居民楼道内随处都能看到贴于墙上或楼梯台阶上的各类纸质广告，这既影响了楼道内的卫生，也影响了楼道的美观。可视对讲门禁系统能够实现住户对访客图像的识别和双向通话的功能，正好解决了居民生活的诸多不便，已经成为小区住宅中不可缺少的配套设施。目前的可视对讲门禁系统大多是有线系统，虽然具有传输容量大，可靠性高等优点，但是有线系统也有其不可避免的缺点，其灵活性差，安装成本高，施工难度大和维修困难。无线可视对讲门禁系统能够随意安放，即装即用，省去了布线、凿洞的麻烦，也不会影响装修环境与室内美观。人们在房间的任何位置都可以利用无线遥控自动开锁，避免了必须到指定位置开启的不便。因此，研究无线可视对讲门禁系统取代有线可视对讲门禁系统具有深远的实践意义和较高的学术价值，可以解决现实生活中的实际问题。
目前，国外对无线可视对讲门禁系统的研究正在蓬勃发展中，其中典型的代表有摩托罗拉设计的最新款GB3188。该机以出众的整体设计与优异的性能价格比为众多商家，特别是给物业管理、酒店服务业、建筑业以及制造业等行业的用户带来了高效简便的通行管理解决方案，但不足之处是该系统没有涉及到图像的传输。国内对无线可视对讲门禁系统的研究主要朝着无线可视方向进军。北京工业大学崔振硕士设计的无线可视对讲门禁系统，能在同一信道中兼容传输模拟信号和数字信号，节省了一套无线收发设备，降低了成本。但是，图像信号和声音信号采用模拟信号传输，只有呼叫信号、开锁信号、报警信号采用数字信号传输，导致音质和图像质量不佳，而且有干扰信号。浙江工业大学孟利民教授设计的无线可视对讲门禁系统，实现了声音信号的数字传输，但是图像信号还是采用模拟信号传输，因此图像质量不佳。本文设计了一种楼宇无线可视对讲电路，该电路以单片机为控制器核心，再连接外围电路，通过无线数字传输电路来传输视频信号，可以达到50～200 m的无线传输距离。该设计优点是在单张拍摄的基础上，获得图像的连续显示，它真正意义上实现了图像信号的无线数字传输。

1 整体设计方案
系统结构主要由3部分组成：上位机系统、下位机系统和通信系统。这三部分共同完成了主控制器与分控制器的信息交换，达到楼宇监控的目的。主控制器和分控制器通过无线数字传输模块SRWF进行数据和命令的传输。该通信模型属于一对多的通信模式，其整体方框图如图1所示。

主控制器的主控芯片为AT89C51，通过键盘获得访问的房间号码，确认后，单片机会控制打开视频采集芯片和缓冲芯片进行工作，并在设定的通信波特率的情况下，通过串口通信，由单片机把数据送给数字传输电路，数字传输电路再通过无线信道把数据发送出去。从控制器的主控芯片也使用AT89C51，通过数字传输电路接收主控器的控制信息和数据信息，对接收到的数据进行分类，若是主机发送过来的通信地址信号，从控制器会读取振铃音存储电路里的数据，从而发出振铃音。接下来开始接收视频信号，并通过LCD显示电路显示出来，用户可通过按键控制电路决定是否与主控器进行进一步通话。

2 硬件电路设计
2．1 主控制器的电路设计
主控制器电路由单片机AT89C51、键盘扫描电路、驱动及数码显示电路、看门狗电路、无线数传电路等几部分组成。主控制器系统的硬件电路原理图如图2所示。

其工作流程如下：先通过键盘扫描电路扫描用户的按键信息，以便获得从机的通信地址，并将按键信息通过4个LED显示出来，以便用户清楚获知自己要访问的从机地址。用户可以通过键盘上的增值、减值、重输，确认修改其输入值。当用户按下确认键的时候，主机存贮此时的从机地址，并开启视频芯片采样视频信号，同时把从机地址通过无线数字传输芯片SRWF发送出去。收到从机的应答信号和准备就绪信号后，主机在设定的波特率下开始发送数据。每发1帧数据就等待从机的应答信号，同时对每帧数据都发送校验帧，以确保数据传输的准确无误。
2．1．1 键盘扫描电路
键盘扫描部分采用4×4键盘，通过P1口设置扫描电平，先置P1口的低4位中某一位为零，然后读取P1口高4位的电平。P1口的低一位置零即给列线置低，若在P1口的高4位监测到某位为零，则通过行列的位置即可知道按键的部位，在按键过程中存在抖动问题，解决方法有硬件编码键盘和软件编码方式，鉴于成本考虑和AT89C51的高性能考虑本设计采用软件编码方式实现扫描，键盘扫描电路如图2所示。
2．1．2 LED显示电路
LED显示电路采用动态显示方式显示，由74LS248 BCD译码芯片和74LS138译码器组成。采用74LS248的目的是为了节省I／O口资源，以便控制更多的外围芯片。LED的段选数据由通过74LS248译码过来的段选码决定，位选数据由74LS138译码产生。工作的时候首先把按键的值转换为BCD码，再送入P0口的第4位，但是对P0口时整体复制会破坏位选口的数据。此时需进行P0口数据的修正，通过或逻辑运算把位选数据也送入P0口的第4位和第5位，再把修正好的数据送给P0口，此时既有段选数据又有位选数据。要使显示的数据不闪，则需要利用人眼的视觉暂留性，将每个数据显示之间的时间延时控制在10 ms以内，这样显示的数字才不闪。LED显示电路如图2所示。
2．1．3 视频获取及数传电路
视频获取电路由CAMERA 0V 7620芯片和IDT7205组成，采用该组合方法是因为视频获取的数据量都比较大，但单片机的工作频率比较低。如果直接搭配则二者不能正常接收。因此，增加缓冲芯片IDT7205，这样通过单片机控制其工作来达到数据量和单片机的匹配，只有单片机允许接收时才使能IDT7205。如果单片机监测到视频芯片的VSYN上跳后，就会在P0．7口输出1，从而开始控制IDT7205从视频芯片获取数据。SRWF模块在使用之前要进行无线信道、接口类型、接口速率、接口参数等的设定，在设置完成后便可以进行数据传输，当模块收到单片机发来的第1个数据后自动进行无线网络连接及数据同步等工作，因此第1个数据将在5个字节时间延迟后从接收方串口输出，如图2所示。
2．2 分控制器的电路设计
分控制器也采用AT89C51单片机作为微处理器，分控制器系统的外围接口电路由晶振、LCD图像显示电路、按键开锁电路、看门狗电路、通信接口电路、存储器等组成。分控制器系统的硬件电路原理图如图3所示。