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摘要 摘要 智能建筑是信息技术高度发展，并与建筑技术相结合的产物，是人们有效利 用高科技来方便自己生活的一种途径。作为智能建筑的重要组成部分，可视对讲 门禁系统也得到了广泛应用。近年来个人购买住房已经成为社会消费热点。人们 在关注房屋本身的同时，对居住周边环境的安全性，舒适性，便捷性也提出了越 来越高的要求。门禁系统作为目前普遍采用的安防设备其性能也需要不断提高。 传统的可视对讲门禁系统采用各单元单独组网的方式，门口机相互之间没有 联系。管理人员无法对其进行有效地管理，即使设备发生故障也很难被及时发现 和修复，给用户带来极大的安全隐患。 本课题的研究目的就是要设计并实现一套可视对讲门禁管理系统来解决上 述问题。系统在设计时借鉴了目前工业自动化系统中流行的集散控制系统，采用 分散控制，集中管理的设计思路。各单元设备相对独立，同时又受到管理中心主 机的监控。局部设备发生的故障可以及时被管理主机发现，同时又不影响整个系 统的正常运行。 系统最终实现了实时监测门口机工作状态，记录呼叫和开锁信息，响应用户 报警等基本功能，并首创了记录访客图像信息这一实用功能。此外，在此网络的 基础上还可以集成更多实用功能如：非法进入室内报警；煤气泄漏和火灾报警； 水、电、煤气的自动计量收费管理系统等。 采用本系统可有效降低门禁系统的管理成本，提高管理效率。联网采用一根 网线串接各单元门口机的技术，布线简单，造价低廉，特别适合在住宅小区安装 使用，具有实用意义。 关键词：可视对讲；门禁；集散控制系统；数据库 a b s t r a c t i i i t e l l i g e mb u i l d i n 黟a r et h ep r o d u c t i o no fa d v a n c e di n f o 册a t i o nt e c h n o l o g ya n d a r c h j t e c t u r et e c h n 0 1 0 夥u s i n gn l i sl l i 曲一t e c h ，o u rl i v ew i l lb em o r ec o n v e n i e n ta i l d c o m f 0 n a b l e a sa n i m p o r t a n tp a r to fm ei n t e l l i g e n tb u i l d i n 吕 廿1 e v i s u a l i n t * c o n v e r s a t i o n a la c c e s sc o n t r o is y s t 锄h a sb e e i lu s e dw i d e l y i n r e c e n ty e a r s ，m e c o n s u m p t i o no ft h ep e r s o n a lh o u s eh a sr i s e n 伊e a t l y n o t0 1 1 1 yt h i n k i n go f h o u s ei t s d c o n s 眦e r sc o n c e 麟m o r ea b o u tn l es a f e t y ，c o m f o r t a b i l i t ya i l dc o n v e n i e n c eo f c n v i r o r 埘e n t st o o a sm e p r e v a l e n ts a f b g u a r d i n ge q u i p m e n t ，m ea c c e s sc o n t r 0 1s y s t e i n s h o u l db ei m p r o v e do ni t sc a p a b i l i t y ： 1 1 1 的d i t i o n ，m en e 觚o r kw eb u i l ti 1 1u i l i ti si i l d 印e n d e n t t h e r ea r en o c o i l i l e c t i o n sb 咖，e e no u t d o o re q u i p m e n t s t l l e r e f o r e ，n oo n ec a l lm a i l a g em es y s t 眦 e 伍c i 胁t l y e v e l li fm ee q u i p m e n th a si n v a l i d ，w ec a n n o t 丘n di to u ti nt i 工i l e ，s a y n o t l l i n go f r e s t o r ei t h lt 1 1 ep r o c e s so f r e s e a r c h ，w ed e s i 弘e da 1 1 di i n p l e m e n t e dam a l l a g 锄e n tn e 铆o r k f o rv i s u a li n t e r - c o n v e r s a t i o n a la c c e s sc o n n 0 1 s y s t e m a c c o r d i l l gt 0m em o d eo f d i s t 曲u t e dc o n 仃o ls y s t 锄( d c s ) ，w ed e s 咖e dm es y s t 锄i i lm ei d e ao fd i s 曲u t e d c o l l 仃o la n dc e n 劬1 i z e dm a l l a g e m e 玎t o l u t d o o re q u i p m e n t sa r ew o r k i n gi n d 印e n d e n t l y a 1 1 ds u p e r v i s e db y 也eh o s tc o m p u t e ra tm es a m et i m e w 色c a 咀丘n do u ti i l v a l i d e q u i p m e n ti nt i m e 觚dt h es y s t 锄c a i ln o tb ea 虢c t t h es y s t e mh a si m p l e m e n t e dt 1 1 eb a s i c 缸c t i o no fr e a l t i m ew a t c ：k n go u t d o o r e q u 徊m e n t ，r e c o d i l l gt 1 1 ei n f o 彻a t i o na b o u to p e 血g 虹l ed o o r a n s w 币n gu s e r sa 1 锄 e t c ，：i i la d d i t i o n ，t a ：i ( i n gp i c t u r e so fm ec a l l e rf o rm ef i r s tt i m e w ec a i le x p l o i tm o r e 如n “o ns u c ha s ，a l a r mf o rb r e a ：k i n gi i l t om er o o m ，g a s1 e a k i n ga n df i r ea 1 撇， a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t 锄e t c u s i n gt h i ss y s t e r i l ，w ec a nr e d u c em a l l a g e r i l e n tc o s t se 髓c t i v e l ya 1 1 di m p r o v em e e 伍c i e n c yo ft h em a i l a g e m e n t t h es y s t e mc a 工lb ec 0 l l l l e c t e de a l s i l ya n di n e x p e n s i v e l y w i t l lm e t e c b i l i q u eo fs i n 舀e - l i n e 饶a 1 1 s n l i t t i n g i ti ss u i t a ：b l et 0b eu s e di i lm er e s i d e n t c o i m u m “ k e y w o r d s ：s u a li i l t e r - c o n 、r e r s a t i o n ；a c c e s sc o n t r o ls y s t e m ；d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ；d a t l b a s e i i 独创性。声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公稚论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：塑坠磊 导师签名：二雯兰，超日期：塾翌五! 丑 第1 章绪论 1 1 本课题的研究背景 第1 章绪论 随着电子技术、无线技术和网络技术的飞速发展，人们对于居住环境的安全 性、便捷性提出了越来越高的要求，因此智能建筑随之出现。智能建筑是应现代 人追求安全舒适的生活环境和信息社会高度发展的双重要求而诞生的，是信息社 会信息技术高度进步，并与建筑技术结合的产物，是人们有效使用高科技来方便 自己的生活的一种途径。【1 】 为适应信息时代的需求，智能建筑必须在功能上满足当前和未来发展的需 求。这就要求建筑本身在建成和投入使用时具有一定的先进性，满足用户当时的 各种需求，而且应该具有开放式的结构和动态灵活性，能够满足用户不断变化的 未来需求，此外还应在日常的管理和维护中把管理费用降低。1 2 j 目前，个人购买住房已经成为社会消费热点。人们在关注房屋本身的同时， 对居住周边环境的安全性，舒适性，便捷性也提出了愈来愈高的要求。门禁系统 作为目前普遍采用的安防设备其性能也需要不断提高。 对讲系统有两种类型，一种是单对讲型系统；另一种是可视对讲型系统。单 对讲型系统只提供语音的双向交流，是一种简便型的传呼对讲，其结构包括对讲 主机、楼层解码器、用户室内分机等。可视对讲型系统不仅能使用户与访客进行 语言交流，而且还能通过用户室内分机上的荧光屏，清晰地看到来访者。可视对 讲门禁系统使居民足不出户便对来访者一目了然，可以有效防止非法人员进入住 宅楼内。极大的方便了住户的使用，满足了住户安全方面的需求。因此有着广阔 的应用前景。p 1 1 2 本课题要解决的问题 楼宇可视对讲门禁系统在方便了用户的同时，也存在着一些安全隐患。楼字 可视对讲属于公用设施，使用频率：佑常高，接触的人群也比较复杂。难免有用户 因操作不当引起故障，甚至有肼心不良者蓄意破坏，导致门禁系统失灵，给居民 的生命财产安全造成威胁。解决这问题行之有效的方法就是加强系统自我监 测、故障诊断，做到防忠于未然。 采用将可视对讲系统进行联网管理的方法可以有效地解决上述问题，提高系 统的可靠性。通过联网，管理人员可以方便地察看各单元门禁设备的工作情况， 做到及时发现故障、排除故障。通过记录门禁设备每次使用的信息，可以做到有 据可查，对分析故障原因甚至协助公安机关破案都具有重要意义。 本文采用一根网线连接各单元门口机的技术，以最简单的方式实现了一个小 区监控中心与各单元各户连接的网络，实现了上述功能。此外，在此网络的基础 北京工业大学理学硕士学位论文 上还可以集成更多实用功能如：非法进入室内报警；煤气泄漏和火灾报警；水、 电、煤气的自动计量收费管理系统等。【4 】 1 3 本课题的主要研究内容 为解决门禁系统管理存在的问题，实现上述功能，本课题主要应做如下几方 面的设计和研究： ( 1 ) 设计和实现一台用于联网管理的主机，包括其结构、功能和数据传输方式； ( 2 ) 改进现有的室内机和门口机，使其具备联网功能； ( 3 ) 设计和编写计算机端应用程序，使其具备管理和拍照功能； ( 4 ) 设计和实现数据库，使其具备记录和查询功能； ( 5 ) 将上述设备组成系统，实现总体设计功能。 2 第2 章门禁管理系统的相关理论 第2 章门禁联网系统的相关理论 2 1 集散控制系统 集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 是以微处理器为基础的集 中分散型控制系统。集散控制系统是进行集中管理的，而系统的体系结构是分布 式的，总体上是一种分布结构的控制系统。 自2 0 世纪7 0 年代中期第一套集散控制系统问世以来，集散控制系统已经在 工业控制领域得到了广泛的应用。目前，它作为新一代工业自动化过程控制设备， 在世界范围内已被广泛应用于各行各业。随着现代化工业的飞速发展、生产规模 的不断扩大、生产技术及工艺过程越来越复杂，越来越多的仪表和控制工程师已 经认识到集成制造系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，c i m s ) 或 计算机集成制造系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e dp r o c e s ss y s t e m ，c i p s ) 中，集散控 制系统将发挥其各方面的优势。 集散控制系统的显著特征是实现集中管理和分散控制。其实质是利用计算机 技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。它 是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术 相互发展而综合产生的。随着计算机技术的发展，网络技术已经使集散控制系统 不仅主要用于分散控制，而且向着集成管理的方向发展，系统的开放不仅使不同 制造厂商的集散控制系统产品可以互相连接，而且使得它们可以方便地进行数据 的交换，系统的丌放也使第三方的软件可以方便地在现有的集散控制系统上应 用。我国引进了大量的不刚型号集散控制系统，应用的工艺控制领域已遍及石油 化工、冶金、炼油、建材、纺织、制药等各行各业。 2 1 1 集散控制系统的基本组成 集散控制系统的发展日新月异，在短短的3 0 年问已经发展到了第四代，各 公司的不同产品也是多利一多样，有的专门针对小烈系统，有的专门针对特种行业 等。但足，集散控制系统大多采用标准化、模块化的设计方式，从它们的基本结 构看，具有柏同的特性，都是由过程控制级、控制管理级和生产管理级所组成的 一个以通信网络为桥梁的集中显示操作，控制相对分散的多级计算机网络结构。 所以，在研究和分析各制造厂商的众多产品时，既要了解各自产品的个性，又要 了解它们的共性。总体上集散控制系统由四大基本部分组成。 ( 1 ) 分散过程控制装置 分散过程控制装置是由i o 接口组成的。i o 接口包括数据输入输出接口， 主要分为模拟量和开关量两种。模拟量主要用来进行模拟信号和数字信号的转 换。生产过程中的各种过程变量，如压力、温度、流量、液位等信号通过a d 北京丁业火学理学硕二 学位论文 转换器接入到集散控制系统中。各种控制输出信息，如调节阀、变频器输出等信 号通过d a 转换器从集散控制系统传输到现场的各种执行机构。开关量主要用来 进行各种开关信号的采集和控制，如变频器的启停、阀门的开关信号等。 ( 2 ) 控制器 控制器是集散控制系统的主要控制部件，它向下通过i 0 接口与现场的各种 仪表与设备相连接，向上利用通信网络与操作管理装置相连接。它按照各种调节 规律完成过程控制中所需要的各种计算，如p i d 调节、顺序控制、前馈控制、批 量控制等。同时还对输入量与输出量进行软件滤波和各种处理运算。 ( 3 ) 人机界面 集散控制系统的人机界面是操作人员与集散控制系统之间的界面，主要是操 作员站和工程师站。操作人员通过操作员站了解生产过程的运行状况，并通过它 发出操作指令给生产过程。生产过程的各种参数在操作管理装置上显示，以便操 作人员监视和操作。工程师站主要用来进行控制系统的组态和流程画面的绘制。 ( 4 ) 通信网络 集散控制系统的数据传输主要依赖于强有力的通信网络。通信网络连接集散 控制系统的各个部分，完成数据、指令和其他信息的传递。通信系统应该具备高 传输速率、低误码率、快速的实时响应能力，以及适应恶劣工作环境的能力。随 着计算机技术和网络技术的不断发展，可通过标准的网络通信手段，与其他的过 程控制系统、经营管理系统、生产调度系统互通信息，以完成更复杂的功能。 2 1 2 集散控制系统的特点 集散控制系统被广泛应用的原因是由于它具有各种优良的特性。与传统模拟 电动仪表比较，它具有连接方便、采用软连接的连接方式容易更改、显示方式灵 活、显示内容多样、数据存储量大等优点：与计算机集中控制系统比较，它具有 操作管理监督方便、控制功能分散、危险分散、可靠性高等优点。因此，在工业 自动化! e 产的各行各业、各个领域得到了广泛的应用。集敞控制系统具有以下特 占 、 ( 1 ) 强大的控制功能 控制功能是集散控制系统的“心脏 。带微处理机的控制器根据生产过程的 要求，可实现单回路、双回路甚至多回路的控制。控制算法也由最初的几十种达 到现在的上千种，可以实现串级、前馈、解耦和自适应等先进控制，运算功能越 来越强。 控制方式从早期只有连续控制的状况，已经发展到普遍具有逻辑控制、顺序 控制和批量控制的功能。 4 第2 章门禁管理系统的相关理论 ( 2 ) 友好的人机接口 集散控制系统的人机接口功能主要是由操作站来实现的。操作站除了可以显 示测量值、设定值、趋势曲线、故障状态、控制输出值等数值外，还可以设置流 程图画面、维护画面、报警画面等内容。操作人员通过操作站，可以监视现场装 置的生产情况，按预先设置的控制策略设计各种控制回路，并对回路的调节参数 进行整定；可以实现各种状态量的监视和组态，诸如电视机、开关阀的远程控制， 极大地方便了操作人员的操作，从而实现了集中的操作和管理。 ( 3 ) 系统的适应性和扩展性 集散控制系统的硬件和软件均采用开放方式、标准化和模块化设计，具有灵 活的配置方案，用户可以根据生产需要改变系统的配置大小，在生产流程发生改 变时，很方便地扩大或缩小系统的规模，或调整控制方式。以上的变化都不需要 重新对软件进行开发，只需要使用组态软件进行简单的组态修改即可。集散控制 系统具有良好的适应性和扩展性。 ( 4 ) 运行安全可靠 集散控制系统的机构采用容错设计，在任何一个环节出现故障的情况下，仍 然可以保持系统的正常工作；系统的硬件包括操作站、控制站、通信网络及其他 一些关键设备均采用双重或多重冗余设计；系统的软件采用程序分段与模块化设 计结构，在进行组态修改时可以进行在线下载，而不影响其他程序段的运行；系 统还设有无中断自动控制系统和完善的自诊断功能，使系统的平均无故障时间多 达1 0 0 ，0 0 0 天。 ( 5 ) 开放的通信网络 集散控制系统的通信网络负责各工作站之间的数据、指令及其他信息的传 递，以完成控制系统的控制功能、显示功能和优化处理。集散控制系统中用于将 各种数据设备互连的通信网络称为局域网。它具有较高的通信速率，较低的误码 率，快速的实时响应能力，并且能够在恶劣的环境下工作，具有极高的可靠性。 集敞控制系统的通信网络采用m o p t o p 标准通信网络协议，将集敞控制系统与信 息管理系统连接起水，扩展成为综合的自动化系统。1 9 i 2 1 3 集散控制系统的分层体系 层次化是集散型控制系统的体系特征，使之体现集中操作管理、分散控制的 思想。从生产管理角度出发，集散控制系统大致可分为过程控制级、控制管理级、 生产管理级和经营管理级。其结构模式如图2 1 所示。 ( 1 ) 过程控制级 过程控制级主要是现场控制站、数据采集站和过程管理计算机等，是直接与 生产过程相连的一级计算机系统，是集散控制系统的基础。过程控制级一方面与 5 北京工业大学理学硕士学位论文 图2 1 集散控制系统四层结构模型 f i g2 1t h e4 1 e v e lm o d e lo ft h ed c s 各类现场设备例如变送器、执行器相连，以实现装置的监测与控制；另一方面还 向上与第二层计算机相连，接收上层的管理信息，传递装置的实时数据。 ( 2 ) 控制管理级 控制管理级主要有监控计算机、操作站和工程师站等，主要是实施生产过程 的优化控制，根据产品原材料库以及能源的使用情况，以优化准则来协调装置间 的相互关系。另外，通过获取直接控制层的实时数据，进行生产过程的监视、故 障检测和数据存档。 ( 3 ) 生产管理级 生产管理级又称产品管理级。这一级采用管理用计算机，主要是规划产品的 结构和规模。根据用户订货情况、库存情况和能源情况来修订生产计划和改变产 品结构。有了产品重新组织和柔性制造的功能，就可应付由于用户订货变化所造 成的各种损失。此外，工厂生产和产品监视，以及产品报告也都在这一级实现。 ( 4 ) 经营管理级 这一级管理用计算机叫中央计算机，是工厂自动化系统的最高一层。它管理 的范围除了工程技术方面之外，还应包括经济、商业事物、人事组织以及其他方 面的功能。把这些功能都集成到软件系统中，并与经理部、市场部、计划部以及 人事部等办公自动化系统相连接，运用优化策略来实现整个制造系统的最优化。 经营管理级的功能是市场用户分析、订货，以及销售统计、销售计划、产品制造 协调、合同事宜、期限监测和财政报告等。i l o j， 对于某一具体应用的集散系统，并非都有四层功能体系。中小舰模的控制系 统只有一、二层，少数使用到第三层；在大规模的控制系统中才应用到四层模式。 6 第2 章门禁管理系统的相关理论 2 1 4 集散控制系统的控制算法 ( 1 ) 顺序控制， 图2 2 是典型的顺序控制系统框图，它主要由五部分组成。 图2 2 典型顺序控制系统结构 f i g2 2t h et y p i c a ls t r u c t u r eo fo r d i n a lc o n t r 0 1 1 控制器：这是指令形成的装置，它接受输入信号，经处理，产生完成各种 控制作用的输出信号。 系统现时输出y k 与系统现时状态s k 和现时输入x k 之间有下列关系： 儿= 厂( ，噍) ( 2 1 ) 而系统下一时刻的状态s k + l 也是s k 和x k 的函数，即： & + t = g ( & ，毛) ( 2 2 ) 系统的状态是由状态编码器实现，由记忆单元存储。由于具有记忆功能，使 控制器能实现时序逻辑关系。 2 输入接口：完成输入信号的电平转换。 3 输出接口：完成输m 信号的功率变换。 4 检出和检测装簧：用于检出和检测被控对象的一些状态信息。 5 显示和报警装置：用于显示系统输入、输出、状态和报警等信息操作。 在集散控制系统中，顺序控制系统通过分散过程控制装置、可编程序逻辑控 制器以及批量控制器等实现。控制任务的要求反映在应用程序中，控制任务的实 现通过程序的执行来完成。由于被控对象的控制条件被满足的时间和程序顺序执 行的时间不协调，在集散控制系统中采用两种有效方法来解决。 1 巡回扫描 当c p u 在运行状态时，它将反复地更新输入、输出映像区。这种方式称为 巡回扫描。执行一次的时间称为扫描时间或扫描周期。c p u 每次对顺序控制系 统的一个逻辑回路进行输入扫描、执行程序( 逻辑运算) ，并把输出送到输出映 7 北京工业大学理学硕十学位论文 像区。巡回扫描时，定时对输入、输出接口进行采集和输出，采集的数据放在输 入映像区，输出信号由输出映像区读出。而程序执行的输入输出操作仅对输入 输出映像区进行。 2 实时采集和输出 为了提高实时性，在巡回扫描时，当需要某一过程变量的信息时，就中断程 序，实时采集该数据并存入输入映像区，然后执行后继程序。当需要输出某一变 量时，就立即执行相应的输出任务。这样，可以较好地解决实时性。吲 ( 2 ) p i d 控制算法 在控制器中，将设定值r 与测量值y 相比较，得到偏差e = r - y ，并根据偏差情 况，给出控制作用u 。对于时间连续类型，理想p i d 常表示为： 舻+ ；肛+ 乃 ( 2 - 3 ) 式中，k c _ 控制器比例增益； t i 积分时间； t d 微分时间； 在上述控制算法中，只包含第一项时称为比例作用( p ) ；只包含第二项的时 候称为积分作用( i ) ；第三项称为微分作用( d ) ；包含第一、二项的称为比例积分 作用( p i ) ；包含第一、三项的称为比例微分作用( p d ) ；包含所有三项的称为比 例积分微分作用( p i d ) 。 在离散控制系统中，要把p i d 控制算式进行离散化处理，以便进行计算机 控制。这里只能获得e ( k ) 可( k ) y ( k ) ( k = 1 ，2 ，) 的信息，所以比例作用只能采样进 行，积分作用必须通过数值积分，微分作用必须通过数值微分。 离散p i d 控制算法可分为三类：位置算法、增量算法、速度算法。 1 位置算法 理想p i d 控制位置算法很容易由式2 4 得到， 甜( 七) = p ( d + 争壹叫) e + k 乃丛掣 ( 2 4 ) ll = o1 j 或 “( 尼) = k e ( 七) + 墨p ( f ) + 如【e ( 七) 一p ( 尼一1 ) 】 ( 2 5 ) 式中，x ，：乒积分常数； 上j k 。：当微分常数； 工j t 。采样周期。 8 第2 章门禁管理系统的相关理论 式2 4 或式2 5 是理想p i d 算法，它的输出u ( k ) 与控制阀( 或执行器) 的开度( 位置) 是一一对应的。这种算法需要计算机重复计算每一时刻区间阀位 的绝对值。 2 增量算法 p i d 控制增量算法为相邻两次采样时刻所计算的位置之差，即 “( 后) 寻”( 后) 一“( 七一1 ) = 疋【p ( j ) 一g ( 七一1 ) 】+ 巧p ( 七) + k 0 【口( 七) 一2 p ( 七一1 ) + p ( 七一2 ) 】 ( 2 6 ) 设p ( | j ) = p ( 七) 一p ( 七一1 ) 贝0 “( 尼) = e ( 露) + 蜀8 ( 后) + k - d 【p ( 尼) 一p ( 七一1 ) 】 ( 2 7 ) 式2 6 或式2 7 就是理想p i d 控制增量算法，其输出u ( k ) 表示阀位的增 量，控制阀每次只按增量大小动作。 3 速度算法 速度算法是增量式除以采样时间t s ，即为， m ) = 半= 疋半+ 扣，+ 争阻也旷1 ) 】 ( 2 卅 三种算法的选择，一方面要考虑执行器的形式，另一方面要分析应用时的方 便性。从执行器形式看，位嚣算法的输出除非用数字式控制阀可直接连接外，一 般须经过d a 转换为模拟量，并通过保持电路，把输出信号保持到下一个采样 周期的输出信号到来时为止；增量算法的输出可通过步进电机等累计机构转化为 模拟量，而速度算法的输出须采样积分执行机构。 从应用方面来看，采用增量算法和速度算法，手动、自动切换都比较方便。 因为它们可以从手动时的u ( k ) 出发，直接求取在投入自动运行时应该采取的增量 u ( k ) 和变化速度u ( k ) 厂i 。同时这两类控制算法不会产生积分饱和现象，因为它 们求出的是增量和速度。即使偏差长期存在，u ( k ) 一次次地输出，使执行器达 到极限位置，但只要e ( k ) 换向，u ( k ) 【 i 】随之换向，输出立即脱离饱和状态。当 然，加上些必要措施，手动、自动切换和积分饱和问题在位置算法中也可以解 决。【9 l ， 除上述顺序控制、p i d 控制算法外，集散控制系统还有许多控制算法如：前 馈控制、选择控制、解耦控制、时滞补偿控制、推断控制、预测控制、自适应控 制和计算机优化控制等，再此就不一一介绍了。 9 北京工业大学理学硕：卜学位论文 2 2 视频信号的数字化 2 2 1 模拟视频数字化模型 连续模拟视频信号是无法用计算机进行处理的，也无法进行数字传输或存 储，必须经过数字化。数字化处理包括两个方面：取样和量化。数字化过程既可 以通过数字摄像机直接对连续场景数字化输出数字视频信号，也可以通过对模拟 摄像机得到的连续模拟信号进行取样和量化得到。 通常，摄像机获得的外部景物是一个连续的时变图像信号f ( x ，y ，九，t ) ，即模拟 视频信号。为了获得数字序列图像信号( 数字视频) ，需要在时间( t ) ，和空问( x ，y ) 上进行时一空取样和量化，如图2 3 所示， f ( x ，y ，九，t )时一空取样 量化 f ( m ，n ，久，t k ) 图2 3 模拟视频信号数字化模型 f i g2 3t h ed i g i t i z a t i o no fa n a l o gv i d e os i g n a l s 模拟视频信号数字化过程包括： ( 1 ) 对连续时变图像坟x ，y ，九，t ) 在y 方向( 列) 和时间t 上进行二维取样( 即扫 描) ，得到x 方向( 行) 的一维时间函数的模拟视频信号。 ( 2 ) 对模拟信号在水平方向x 上沿行扫描取样，得到离散化的三维时一空数 字视频信号，图2 4 给出了模拟视频信号逐行扫描的三维取样过程。当采用隔 行扫描时，每帧图像被分成两场，每帧图像相邻两行的扫描时间间隔为t 2 ， 每场图像相邻两行相距为2 y ，水平取样问隔仍为x ，每行的取样点垂直对齐， 如图2 5 所示。 ( 3 ) 对离散化的三维时一空数字视频信号进行量化编码，从而可得到数字化 的视频信号。 图2 4 逐行扫描的三维取样 f i g2 4s a m p l i n go fs c a n n i n gb y1 i n e 1 0 图2 5 隔行扫描的三维取样 f i g2 5s a m p l i n go fs c a n n i n gi n t e r l e a v e d 第2 章门禁管理系统的相关理论 2 2 2 视频信号取样 模拟视频信号在时空上的离散化称为取样，即将连续模拟视频信号转化为离 散的数字信号，以便进行量化处理。为了满足不同的应用需求，需要寻求最佳的 取样模式，以实现无失真( 或失真很小) 地恢复原视频信号。由于一维取样是二 维取样的基础，因此下面首先介绍一维取样。 ( 1 ) 一维取样 1 一维取样定理 所谓取样，就是在一系列离散点上对连续模拟信号抽取样值的过程，输出的 取样信号( 取样序列) 矗( t ) 可以表示为原始模拟信号妁与一个周期性取样脉冲 s t ( t ) 相乘的积，即 二( 力= ( f ) 曲( ，) ( 2 9 ) 取样定理是模拟信号数字化的理论基础。一维取样定理指出：一个随时间变 化的模拟信号的频率为鳊，f m 为低通模拟信号的最高频率。如果取样频率 满足f 企2 f m ，则珩) 可以由取样信号唯一确定，即可通过截止频率为f m 的理想低 通滤波器，由取样信号可准确地恢复出原始模拟信号。t s = 1 f s 为取样的最大间 隔，称为奈奎斯特间隔。 2 理想取样 理想情况下，取样脉冲s t ( t ) 是周期为t s 的单位冲击序列6 t ( t ) ，即 二竺 磊( f ) = 万( f 一九i ) 取样信号为 办= ( ，) 卧( ，) = o ) 磊( ，) = ( ，) 万( ，一刀) = 厂t ) 万( 卜疗z ) ( 2 1 0 ) 根据傅立叶变换的频域卷积性质，有厂( ，) 磊( f ) o ，( 厂) 宰丁( 厂) ，f t ( t ) 的傅立叶变换为 历( 门= f ( ) 掌，( 厂) ( 2 一1 1 ) 式中，f ( d 为f ( t ) 的傅立叶变换；t ( f ) 为6 t ( t ) 的傅立叶变换，即 姒力2 寺薹町硼 北京工业大学理学硕士学位论文 b ( 厂) = f ( 厂) 木軎万( 厂一蜕) = 軎f ( 一矾) ( 2 1 2 ) 其中，f ( f n 尽) 为f ( f ) 平移n f s 的结果。上式表明：( 1 ) 取样信号f r ( t ) 的频谱f t ( f ) 与原信号f ( t ) 的频谱f ( f ) 只差一个常数因子l t s ；( 2 ) 取样信号岛( t ) 的频谱f t ( d 是 无数个频率间隔为f s 的原信号f ( t ) 的频谱f ( d 的叠加；( 3 ) 如果取样频率间隔 坛2 f m ，则f t ( d 中包含的每个原始信号频谱f ( d 之间互不重叠，这样就能采用理 想低通滤波器无失真地从f t ( f ) 中分离出原信号f ( t ) 的频谱f ( f ) ，并能容易地从f ( f ) 中得到f ( t ) ，即能从取样信号中完全恢复原信号；( 4 ) 理想低通滤波器的传输函数 为 w ) = 悟l 謦 ( 2 - 1 3 ) 上述取样过程如图2 6 所示。 【” a 八 ， o ti _ 一上上l + 一0 上上l + ( c ) 周期单位冲激脉冲波形 们 ，【) 一 一1 qj 1 争( ，)i r 、j 一ii il e ( )l 。? 1 u ， 一3 乃2 z i o z2 t3 z t2zz 一厶o 厶丘 2 z ， ( e ) 抽样信号波形( f ) 抽样信号频谱 图2 6 理想取样 f i g2 6t h ei d e as a m p l i n g 1 2 第2 章门禁管理系统的相关理论 ( 2 ) 二维取样 1 二维取样定理 在矩形坐标上进行均匀取样( 简称矩形取样) ，如图2 7 所示，则二维取 样定理为：若二维连续信号f ( x ，y ) 的空间频率u 和v 分别限制在f u i 妣。、 v i 剑m ，u m 、v m 为最高空间频率，则只要取样周期x 、y 满足】【5 ( 1 2 u m ) 和 y 9 1 2 v m ) ，就可以准确地由取样信号恢复原始信号。 图2 7 二维取样 f i g2 7t h es a m p l i n go n2d i m e n s i o n 2 取样函数 对于二维取样来说，取样函数的选取能有效地减少取样点数。目前，常用的 取样函数有：正方形、菱形和六边形网格。正方形和菱形网格取样函数比较简单， 应用广；六边形网格取样函数可在相同的恢复效果下减少约1 3 4 的取样点数。 用狄拉克函数表示的正方形和菱形网格取样函数分别为 s ，j ，) = 万 一聊缸，y 一万钏 ( 2 1 4 ) s ( 五y ) = 万( x 一俄缸一寺掰缸，y 一靠缈) ( 2 1 5 ) 式中，x 和y 分别表示水平方向和垂直方向的取样间隔。对应的冲激取样函数 如图2 8 所示。 y ( a ) 正方形网格 y 。 ? ， ；?； jf? ? 0 ? ( b ) 菱形网格( c ) 六边形网格 图2 8 二维取样函数 f i g2 8t h ef u n c ti o no fs a m p li n go nt w od i m e n s i o n 北京 二业大学理学硕上学位论文 3 二维取样 假定一个二维模拟信号f 【x ，y ) ，其中x o ，x ，y 0 ，y ，取样间隔为x 、 y ，则沿x 方向和y 方向取样可得到一个m n 的实数矩阵，其中m = ) ( x ， n = y y 。假定取样函数为正方形网格，则取样信号为 丘( x ，y ) = ( x ，y ) 万 一朋缸，y 一，z 每) = 厂缸，以每) 万。一，z 缸，少一刀知) ( 2 1 6 ) 二维取样函数s ( 石，y ) = 万。一所缸，y 一，z 缈) 的傅立叶变换为 s c “，力= 去专；艿 一肌去，v 一以古， c 2 一? ， 根据傅立叶变换的性质，有( x ，y ) = 厂伍y ) s ( x ，力旦一f ，y ) 木s 0 ，谚， 取样信号f s ( x ，y ) 的傅立叶变换为 e ( “，力= 去专莓军，一朋去，y 一刀古) c 2 一- 8 ) 式中，f ( u ，v ) 是蕾b ，y ) 的傅立叶变换。上式表明；取样信号尽( x ，y ) 傅立叶变换 f s ( u ，v ) 的空间频谱是f ( u ，v ) 沿u ，v 方向以m l x ，n 1 y 周期拓展而得到的。 若取样周期】【，y 满足x = 暂u - g 邝矽= 篙= 壶等= 壶犯2 _ 2 2 ) 上式表明，均匀量化的量化分层数l 越多( 或量化比特数r 越大) ，则量化 误差就越小，但编码所需的比特数就越大。 ( 3 ) 矢量量化 矢量量化既有将时间离散、幅度连续的取样信号转化为时间离散、幅度离散 的数字信号的功能，即将一组k 个取样点( 矢量维数为k ) 用l 0 9 2 n 个比特的 码矢来表示，其中n 为码书大小；更能实现数据的高效压缩编码，即矢量量化 器输出的数据比特数( l 0 9 2 n ) 要少于标量量化器输出的数据比特数( k r ) ，r 为标量量化时每个取样值的比特数，同时，矢量量化的思想和方法对模式识别的 研究具有重要的意义。 一个矢量量化器包括编码器和解码器，如图2 1 0 所示。矢量量化的主要过 程是：1 在发送端，对于一个输入矢量x ，矢量量化编码器根据一定的失真测度 在码书中搜索出与输入矢量最匹配的码矢y i ：2 该码矢的索引i ( 码矢地址) 通 过信道传送到接收端；3 在接收端，假定信道无误码，则根据接收到的码索引i 在码书( 与发送端相同) 中查找到该码矢y i ，并将它作为输入矢量x 的重构矢 量x 。显然，信道无为误码时，有x = y j 。 矢量量化的理论基础是香农的率失真理论。香农的信道容量定理指出：只要 编码速率不超过信道容量，则符号就能以任意小的差错概率在该信道上传输。香 农的率失真函数r ( d ) 表明：只要r ( d ) 不超过信道容量，就能保证接收端的失真 不超过给定的失真值d 。r ( d ) 定义为给定失真d 的条件下所能达到的最小编码 速率。根据香农的率失真理论，利用矢量量化来代替标量量化，在理论上可以得 到更好的编码性能( 即更高的压缩比和更小的量化失真) 。实现的途径是增大码 矢的数量和矢量的维数。【1 4 】 1 6 第2 章门禁管理系统的相关理论 编码器解码器 j ”： ? ： l 信源 输入矢量 码字匹配 索引 信道索：引1 查表 输出矢量佶癌 1 一一 7 l 目7 i h 由 由 图2 1 0 矢量量化原理 f i g2 1 0t h ep r i n c i p l eo ft h ev e c t o rq u a n t i z a t i o n 以上只是模拟视频信号数字化的基本原理。实际上，人们在对彩色视频信号 数字化时通常采用分量编码法。分量编码指的是对3 个分量信号( y 、r _ y 、b y ) 分别进行a d 转换，抽样频率分别为1 3 5 m h z 、6 7 5 m h z 、6 7 5 m h z ，量化比特 数通常采用8 位样点或者1 0 位样点。不难计算，对于亮度信号y ，抽样周期大 约为7 4 n s ，也就是说在7 4 n s 期间内传输一个y 样点值。经时分复用后，在7 4 i l s 内要传输y 、c r 、c b 。因此，输出的串行数字信号的总码率高达2 1 6 m b s ( 或 2 7 0 m b s ) ，对器件、设备的速度要求相当高。这不利于数字视频信号的传输和存 储，要想将其实用化，必须经过压缩。针对这一问题，1 9 8 8 年，由飞利浦、索 尼等数家公司联合成立了活动图像专家组，简称m p e g ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t s g r o u p ) ，从事声像压缩算法的研究和标准制定。1 9 9 1 年，国际组织公布了m p e g 一1 国际标准。m p e g 一1 采用帧内编码( i 帧) ，向前预测编码( p 帧) ，双向预测编 码( b 帧) 这三种图像编码模式。编码分为以下几步：分块、离散余弦变换( d c t ) 、 量化、变字长编码、复用与缓冲输出。对于运动图像，还要采用运动估计与运动 补偿算法。【1 5 1 【1 6 】 要实现实时压缩与解压缩以传输和处理数字视频信号，对处理器的运算能力 要求很高，本系统的硬件难以胜任。因此本系统仍采用模拟方式传输视频信号， 至于数字化则交给控制中心计算机的视频采集卡去完成。 2 3 关系数据库基础理论 关系数据库理论是i b m 公司的e f c o d d 首先提出的。关系模型是建立在数 据理论的基础上，只有了解关系数据库理论，才能设计出合理的数据库。 2 3 1 关系的定义 ( 1 ) 域 域是值的集合。 如： 男，女) ， 1 ，2 ) ， a ，b ，c ) 等都可以是域。 1 7 北京丁业大学理学硕十学位论文 注意：域要命名。 如令： d l = 男，女 ，表示性别的集合； d 2 = 1 0 ，1 3 ，1 8 ) ，表示年龄的集合。 域中数据的个数叫域的基数。因此上面d 1 的基数是2 ，d 2 的基数是3 。 ( 2 ) 笛卡儿积 给定一组域d l ，d 2 ，d n ( 其中允许有相同的) ，则笛卡儿积定义为： d l d 2 d n = (