毕业论文(设计)调研报告

精品文档 1欢迎下载 本科生毕业论文本科生毕业论文 设计设计 调研报告调研报告 题 目 楼宇可视对讲门禁系统的设计 x 学生姓名 xxx 学 号 20101603xxxxx 专业班级 xxxxxx 指导教师 xxxx 完成时间 2014 年 3 月 25 日 精品文档 1欢迎下载 楼宇可视对讲门禁系统的设计 一 课题介绍 1 1 主要内容 本次毕业设计课题主要是熟悉楼宇智能化系统 了解建筑智能化的发展现状及趋 势 综合利用所学知识 重点研究楼宇可视对讲门禁系统的构成和应用 研究楼宇对 讲系统各部分的具体功能 分析楼宇可视对讲门禁系统的网络拓扑结构 信息传输方 式 独立设计并实现一套楼宇可视对讲门禁系统 精品文档 2欢迎下载 系统存在的语音和图像传输停顿现象 具备较好地抗干扰能力 成本低 易调试 的优点 1 4 工作原理 智能楼宇可视对讲系统的工作过程 一般在楼门处安装有摄像头 每个住户室内 配置一个可视对讲住户分机 采用一户一码制 当来访者在门口机上按下住户房号时 门口机即把该房号的编码送入信号控制线 将环境声光信号转换为电信号 并对其进 行可控增益放大 将音频 视频信号通过通信系统与室内分机实现信息的传输与接收 还原 图 1 楼宇可视对讲系统的基本架构 精品文档 3欢迎下载 二 课题研究背景 2 1 楼宇智能化 楼宇智能化是利用计算机技术 电子技术和现代通信技术等对建筑物内的设备进 行自动控制 对信息资源进行管理 为用户提供信息服务 它是建筑技术适应现代社 会信息化要求的结晶 智能楼宇主要是考虑建筑物的结构 机电系统 通信系统 办公系统和物业管理 系统之间的内在关系 进行优化组合 来提供一个投资合理 具有高效 节能 舒适 便利的环境 使住户的生活更加便捷 舒适 智能楼宇是多学科 高新技术的巧妙集 成 也是综合经济实力的表现 大量高新技术竞相在此应用 智能楼宇是将楼宇自动 化系统 BAS Building Automation system 办公自动化系统 OAS Office Automation System 和通信自动化系统 CAS Communication Automation system 通过综合布线系统 GCS Generic Cabling system 有机地结合在一起 并利用系统软件构建智能楼宇软件 平台 实时信息 管理信息 决策信息 视频信息 语音信息以及各种其它信息通过 网络进行传输 实现信息共享 以达到安全 舒适和便捷的工作环境 以提高工作效 率为目的 达到节约能源和管理费用 克服重复投资 控制系统的分离 服务缺乏保 证 管理功能不全等缺点 来达到实现可持续发展的目标 因此 智能楼宇代表了 21 世纪高层建筑的走向 具有强大的生命力 智能建筑自 1984 年出现以来 在欧 美 日及世界各地得到迅速发展 发达国家 的智能建筑已从早期的追求功能完备齐全 向高技术化 实用化和节能化方向发展 1992 年中国进入了智能大厦的高速发展阶段 目前全国已有上千幢智能大厦 智能建 筑在中国已成为建筑市场的大趋势 也是建筑业中新的经济增长点 楼宇智能化市场 随之迅速成长 楼宇智能化的概念已经越来越深入人心 智能建筑也已进入高技术化 实用化发展阶段 经过多年来的探索 推进 我国楼宇智能化理论 建设法规 设计 施工 物业管理等方面 也随之得到较大发展 楼宇智能化优势突出 为人们生活带 来更多舒适体验 未来楼宇智能化市场前景广阔 精品文档 4欢迎下载 2 2 楼宇可视对讲系统 对讲系统从上个世纪 80 年代兴起于日本和欧美 在欧美国家 香港 台湾等地区 己经采用了近 20 年 积累丰富的经验 1992 年起 国外楼宇可视对讲制造商进入中国 大陆市场 但其产品功能简单 楼宇对讲系统产品最早进入国内市场的是单户型与单 元型楼宇对讲产品 并且功能比较单一 只能简单实现访客系统的基本功能 国内的楼宇可视对讲行业起步晚 但发展速度快 大致分三个阶段 第一阶段 1994 1999 年 上海 广州等沿海经开区启动房地产市场 开始出现楼宇可视对讲产品 的需求 早期产品基于模拟电路技术采用分立元件搭建 专线传输 功能简单 第二 阶段 单片机的广泛应用 音频 视频处理技术成熟 出现了黑白 彩色 CRT 可视对 讲系统和彩色 TFT LCD 可视对讲系统 第三阶段 2005 年以来 产品趋于多样化 生 产厂商超过 600 家 RS485 和 CAN 总线方式联网方案被广泛采用 基于 TCP IP 的数字 可视对讲系统出现 大型厂商的楼宇智能产品集成度越来越高 实现了多门口机与多 管理机系统 集成了安防报警 小区服务及信息发布等功能 自从 2000 年以来 国内外有实力的生产厂家集中开发联网型楼宇智能产品 楼宇 智能系统的集成度越来越高 对讲系统的数字化 网络化 信息化以及智能化是楼宇 监控今后发展的主要方向 随着可视对讲产品日趋标准化 工程安装服务社会化 成 本的进一步降低 市场继续扩大和新技术的不断引入 可视对讲产品的功能也日趋多 元化 产品成本也会逐步降低 总之 楼宇可视对讲产品的发展已经到了一个全新的 阶段 但是还有很多方面不很成熟 未来楼宇可视对讲产品将向新的高度发展 三 方案选择论证 首先确定楼宇对讲系统的设计内容及设计原则 结合不同系统的技术对比 并综 合考虑各方面选择出最合适的系统 然后 遵循先进实用 简单灵活 经济适用 可 靠稳定的原则 对该楼宇对讲系统的结构进行合理的设计 精品文档 5欢迎下载 3 1 处理器的选择 可视对讲系统的关键问题是语音 视频的采集处理和传输 而视频的采集和编解 码是整个系统性能的瓶颈也是评价系统好坏的关键指标 现有的小区可视对讲系统中 一般采用 DSP FPGA 单片机等嵌入式处理器来实现视频的采集和处理 3 1 1 基于 DSP 的处理系统 数字信号处理器 Digital Signal Processor DSP 是一种专门为实时的数字信 号处理而设计的微处理器 具有一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法 低开销 或无开销循环及跳转的硬件支持 单周期内操作的多个硬件地址产生器等优点 亚德 诺半导体技术公司的 Blackfin 系列 DSP 和德州仪器的 6000 系列 达芬奇系列 DSP 在 视频 音频 通信领域有着广泛的应用 该方案优点 使用软件编解码器进行视频的编解码 在应用上具有较好的灵活性 能对图像进行比较复杂的处理 通过更换 DSP 中的软件编码器和解码器可以同时实现 多种视频格式的编解码 也使得对编解码器的升级和优化成为可能 该方案缺点 软件编码器的效率与采用的算法及其实现有着直接的关系 性能的 优化难度较大 所以整个系统的性能不如采用视频编解码专用集成电路芯片的系统 DSP 芯片大多只集成了少量的外围设备控制接口 需要对外围设备的接口电路做大量的 设计 这增加了系统开发的难度和生产成本 3 1 2 基于 FPGA 的处理系统 从 1984 年 Xilinx 公司推出了第一片现场可编程门阵列 Field Programmable Gate Array FPGA 至今 FPGA 已经历了 20 多年的快速发展历程 FPGA 的逻辑规模 已经从最初的 1000 个可用门发展到现在的 1000 万个可用门 FPGA 采用了逻辑单元阵 列这样一个新概念 内部包括可配置逻辑模块 输入输出模块和内部连线三个部分 具有静态可重复编程和动态系统重构的特性 可编程片上系统 System On a Programmable Chip SOPC 是 SOPC 技术在可编 程器件领域的应用 SOPC 基于 FPGA 芯片 将嵌入式处理器内核 小容量片内高速 RAM 多种 IP 核以及大量的片上可编程逻辑资源集成在一块硅片上 完成整个系统的 精品文档 6欢迎下载 主要逻辑功能 SOPC 系统以软核形式嵌入系统 可以根据实际需求对 CPU 进行剪裁 对多种系统设置组合中进行选择 以达到系统的各项性能指标 基于 FPGA 的视频处理系统把得到的模拟图像信号经 A D 转换芯片后转换为 ITU 格式的数字信号输入到 FPGA 内部 在 Nios 的控制和调度下由 FPGA 完成图像的编解 码以及显示和传输等功能 系统所需要的功能模块可由用户用硬件描述语言自行开发 也可用 IP 核公司提供的专用 IP 核 该方案优点 强大的并行处理能力和可定制流水线结构让 FPGA 非常适合视频算法 的实现 能对图像进行比较复杂的实时处理 用户可以根据设计的要求 利用相应的 EDA 工具 对 Nios 处理器及其外围设备进行构建 该方案缺点 SOPC 技术还处于发展阶段 能够获得的信息和资料非常有限 用硬 件描叙语言来实现图像处理算法的难度较大 而用 C 语言在 Nios II 中实现图像处理 算法的效率太低 Altera 公司的 SOPC 系统的集成开发工具 SOPC Builder 编译效率较 低 硬件编译时间过长 3 1 3 基于单片机的处理系统 单片机 SCMC Single Chip Micro Computer 又称微控制器 MCU Micro Controller Unit 自单片机诞生以来 已广泛应用在生产 生活的各个方面 单片 机以其高速度 低功耗 低价格等优点得到非常广泛的应用 其使用量每年以数百亿 片计 单片机已有超过 70 多个系列的近 500 个机种 国际上较有名 影响较大的公司 及其产品有 Intel 公司的 MCS 48 MCS 51 MCS 96 系列 Motorola 公司的 6801 6805 68HCll 系列产品 Zilog 公司的 Z8 Super8 系列产品 仙童 Fairchild 公 司和 Mostek 公司的 F8 3870 系列产品及 ATMEL 公司的 89C51 89S51 等 AT89S51 是 8 位单片机 片内含 4k bytes 的可系统编程的 Flash 只读程序存储器 兼容标准 8051 指令系统及引脚 它集 Flash 程序存储器既可在线编程 ISP 也可用传统方法进行编 程及通用 8 位微处理器于单片芯片中 低价位 AT89S51 单片机可提供许多高性价比的 应用场合 可灵活应用于各种控制领域 基于 AT89S51 单片机的控制主机系统设计原理框图如图 2 所示 精品文档 7欢迎下载 图 2 室内控制机系统设计原理框图 该方案优点 单片机产品硬件结构合理 指令系统规范 在各种工业应用中积累 丰富经验 业务程序的可移植性好 减少了系统开发的周期 外部接口便于数据的采 集和控制 可采用 C 语言进行软件编程 外围电路设计相对简单 成本较低 系统整 体相对经济合理 该方案缺点 视频的采集编解码对芯片的要求较高 单片机性能有限 易造成功 耗较大 基于单片机的处理系统的可拓展性较小 综上所述 三种设计方式相比较各有优点且都能够实现控制功能 但单片机的技 术门槛较低且开发成本也较低 所以在处理器的选择方案中选定 51 系列单片机作为控 制部分的核心器件 3 2 通信控制方式 楼宇可视对讲系统需要传输的信号主要有三类 分别是音频信号 视频信号和数 据信号 在系统布线的过程中 需要重点考虑的是 音频传输质量 视频传输质量以及 数据传送质量的优劣 在介质材料上 目前主要以多芯线为主流方式 视频信号用同 轴电缆传送 音频 数据以及电源线通常用 RVV 线 也可以使用网络线 而常用的通 信控制方式有以下几种 3 2 1 RS485 摘挂机检测模块 监视键 开锁键 呼叫检测模块 AT89S51 视频显示及 控制模块 音频控制及开锁 显示屏 音频输出 前置放大 音频输入 放大电路 麦克风扬声器 电控锁 精品文档 8欢迎下载 早期的楼宇对讲的通信方式一般采用 RS485 总线 通过串行总线或并行总线连接 需设置独立的视频音频通道才能进行图像传输 当传输距离超出一定范围 其视频图像 容易出现衰减 图像传输质量不清晰 稳定性较差 目前许多可视对讲系统还是基于 RS485 总线构建的 虽然其技术己经比较成熟 但由于其只能构成主从式结构系统 通信 方式也只能以主站轮询的方式进行 系统的实时性 可靠性较差 主节点任务繁忙 而 且还会因个别节点出现问题 使得总线处于 死锁 0 状态 一旦主节点出现故障就可能 引起整个系统瘫痪 数据通信方式为命令响应式 数据传输效率较低 同时当通信下 端出现异常时 数据不能立即上传 灵活性较差 不能适应实时性要求较高的场合 显然 RS485 总线已难以满足现代化楼宇可视对讲系统的要求 3 2 2 Lonworks 总线 Lonworks 是具有强劲实力的现场总线技术 由美国 Ecelon 公司推出并由它们与摩 托罗拉 Motorola 东芝 Hitach 公司共同倡导 于 1990 年正式公布而形成的 它采用 了 ISO OSI 模型的全部七层通讯协议 采用了面向对象的设计方法 通过网络变量把 网络通信设计简化为参数设置 其通讯速率从 300bps 至 15Mbps 不等 直接通信距离 可达到 2700m 78kbps 双绞线 支持双绞线 同轴电缆 光纤 射频 红外线 电 源线等多种通信介质 并开发相应的本安防爆产品 被誉为通用控制网络 Lonworks 技术所采用的 LonTalk 协议被封装在称之为 Neuron 的芯片中并得以实现 集成芯片中有 3 个 8 位 CPU 一个用于完成开放互连模型中第 1 2 层的功能 称为 媒体访问控制处理器 实现介质访问的控制与处理 第二个用于完成第 3 6 层的功 能 称为网络处理器 进行网络变量处理的寻址 处理 背景诊断 函数路径选择 软件计量时 网络管理 并负责网络通信控制 收发数据包等 第三个是应用处理器 执行操作系统服务与用户代码 芯片中还具有存储信息缓冲区 以实现 CPU 之间的信 息传递 并作为网络缓冲区和应用缓冲区 Lonworks 技术与产品被广泛应用在楼宇自 动化 家庭自动化 保安系统 工业过程控制等行业 另外 在开发智能通信接口 智能传感器方面 Lonworks 神经元芯片也具有独特 的优势 Lonworks 已经建立了一套从协议开发 芯片设计 芯片制造 控制模块开发 制造 OEM 控制产品 最终控制产品 分销 系统集成等一系列完整的体系结构 吸引 精品文档 9欢迎下载 了数万家企业参与到这项工作中来 这对于一种技术的推广 应用有很大的促进作用 缺点 Lonworks 总线的成本较高 虽然它兼容 TCP IP 协议 但是并不能取代上层 局域网直接挂接到 INTERNET 网上 另外 其仲裁方式很容易因数据无限重发而导致网 络瘫痪 3 2 3 CAN 总线 CAN 是控制网络 Control Area Network 的简称 最早由德国 BOSCH 公司推出 用 于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信 其总线规范现已被 ISO 国际标准组织制 订为国际标准 得到了 Motorola Intel Philips Siemens NEC 等公司的支持 已 广泛应用在离散控制领域 CAN 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础 上的 其模型结构只取 OSI 底层的物理层 数据链路层和顶上层的应用层 其信号传 输介质为双绞线 通信速率最高可达 1Mbps 40m 直接传输距离最远可达 1 0km kbps 可挂接设备最多可达 110 个 CAN 的信号传输采用短帧结构 每一帧的有效字节数为 8 个 因而传输时间短 受 干扰的概率低 当节点严重错误时 具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系 精品文档 10欢迎下载 已有多家公司开发生产了符合 CAN 协议的通信芯片 如 Intel 公司的 82527 Motorola 公司的 MC68HC05X4 Philips 公司的 82C250 等 还有插在 PC 机上的 CAN 总线接口卡 具有接口简单 编程方便 开发系统价格便宜等优点 其中 Philips 公司的 CAN 控制器 SJA1000 基本结构如图 4 所示 图 4 CAN 控制器 SJA1000 基本结构 精品文档 11欢迎下载 优点 CAN 总线是自动化领域技术发展的热点 它的出现为分布式控制系统实现各 节点之间实时 可靠的数据提供了强有力的技术支持 CAN 总线是一种有效支持分布式 控制和实时控制的串行通信网络 具有可靠性高 成本低 配置灵活 数据传输距离远 数据传输速率快等优点 这种可视对讲系统包括主机和若干分机 主机位于总控制室 分机位于各个用户室 内 整个通讯网络采 CAN 总线进行控制 音频及视频信号仍可通过专线进行传输 而 CAN 总线是全数字式现场测控设备互连总线 通讯速率最高可达 1MbPs 节点在错误严重 的情况下具有自动关闭输出功能 以使总线上其它节点的操作不受影响 弥补了 485 总 线的不足 从当前国内外现场总线在楼宇智能化系统中的应用情况来看 Lonworks 总线和 CAN Controller Area Network 总线使用较为广泛 CAN 总线在数据传输方面有着显著 的优势 它能够完全适应和胜任智能楼宇可视对讲系统的工作环境与要求 其协议的 充分性和完整性 使 CAN 总线在数据通讯中具有很强的可靠性 实时性和灵活性 不 会因网络负载重而导致网络瘫痪 其采用短帧结构使数据出错率极低 并且 CAN 总线 的通信芯片价格低廉 使用方便 CAN 总线与 Lonworks 总线相比 前者在智能楼宇中 应用没有优势 所以 该设计方案采用 CAN 总线来构建智能楼宇可视对讲系统的通信 网络 3 3 总 结 通过对不同方案作技术对比 遵循先进实用 简单灵活 经济适用 可靠稳定的 原 器的控制技术与 CAN 总线通信技术相结合的设计方案 精品文档 12欢迎下载 参 考 文 献 1