全数字可视对讲系统的设计

全数字可视对讲系统的设计

发表时间：2016-08-10T15:59:45.377Z 来源：《基层建设》2016年11期作者：王龙飞

[导读] 可视对讲系统也叫可视门铃，使用时，住户听到铃声，像接听可视电话一样。

广东杰创智能科技股份有限公司 510663

摘要：可视对讲系统也叫可视门铃，使用时，住户听到铃声，像接听可视电话一样，接受来访者通过楼下门口机的呼叫，进行对话，同时住户家中的室内机的显示屏上显示楼下门口机的摄像头所拍摄的视频影像，住户观察室内机显示屏幕上的监控图像确认来访者的身份，最后决定是否按下室内机的开锁按钮，打开连接门口机的电控门锁，允许来访客人进入。

关键词：可视对讲；系统；设计

1 绪论

随着科技的进步和生活水平的提高，人们对家居环境的安全性提出了更高的要求，可视对讲系统已经成为住宅小区必不可少的基础设施。楼宇对讲系统作为房地产行业的配套产品，与房地产行业息息相关。

就目前广泛使用的楼宇对讲系统产品来说，大部分是基于模拟信号传输音视频的模拟可视对讲系统，房地产开发商为了节约成本大多采用总线技术多用户共享音视频信号线。模拟可视对讲系统存在功能单一、图像质量有限、传输距离受限、难以和小区安防系统、智能家居系统有效的融合、不能提供增值服务等难以克服的缺陷，因此，能克服以上缺陷的全数字网络化可视对讲系统有着广阔的市场前景。

2 国内楼宇对讲系统现存的主要问题

随着中国房地产行业的快速发展，大型的地产开发商越来越多，单个项目所开发的面积也越来越大，很多都超过 30 万平方米。而传统的楼宇可视对系统大部分是以 RS-485 和 CAN 总线方式传输音频信号和控制数据，用同轴电缆传输视频信号。这将导致以下问题的产生：

2.1每套传统的可视对讲系统都需要一个中心机房，为了达到所有的路由最小，保证线路质量，中心机房一般都在小区的中心位置。而国内大面积的房产项目大多采用分期开发的方式，以此类推，三期项目就必须有三个中心机房、三套设备。这大大增加了系统的成本，而且管理也不方便。

2.2 RS-485 总线通讯协议完全由软件实现，其数据的丢失率正比于总线数据的流量，且传输速率与通信距离成反比，十公里电缆通信标准仅有 1200 波特每秒在 40 米长的通信距离中 CAN 总线的最大传输速率也只有 1Mbsp。所以基于总线方式的可视对讲系统已经不能适应日益庞大的住宅小区，且难以扩展其它多媒体服务。

2.3 小区面积变大，住户数量必然随之增多。而总线方式的实质是多用户分时共享同一线路，所以占线情况特别多。但若采用 TCP/IP 方式取代总线方式，就可以实现多路同时互通，从而消除占线的现象。

2.4 传统系统的总线结构方式，决定了它的不可靠性：任何一户出现短路故障，将导致整个系统的瘫痪。同时由于布线联网的复杂性，出现问题时维修期也较长。

2.5 传统系统的布线及产品接口缺乏统一标准，信号的传输也没有统一规范，所以不同厂家的系统之间集成困难，更不能有效地融合到日益成熟的智能家居系统中去。全数字楼宇可视对讲系统采用当前最新的数字音视频压缩技术、DSP 技术、嵌入式技术和流媒体实时传输技术，并采用 TCP/IP 技术来实现室内机、门口机、围墙机、管理机等终端设备之间的通信，克服了以上传统可视对讲系统无法克服的问题，是可视对讲系统的发展方向。

3 全数字可视对讲系统总体设计

本文围绕如何设计与实现一套全数字可视对讲系统而展开研究，该系统能够克服传统可视对讲系统图像质量差、经常占线、功耗高、可扩展性差的缺陷，也能够克服现有的全数字可视对讲系统价格昂贵、稳定性差、功耗高的缺点。该系统能够通过 IP 网络实现多媒体全双工实时通信，具有较高分辨率的图像采集和处理能力。该系统是针对当前住宅小区可视对讲系统而设计的，也可以应用在远程教学、医院传染病人探望、可视电话终端、可视会议等可视对讲领域。

本可视对讲系统的主要功能如下：

（1）门口机和室内机能实现双向的可视通话，且通话音量大小可调。

（2）一卡通门禁。住户在门口可用免接触 IC 卡开启电锁，或用密码开锁。

（3）多媒体功能。门口机具有拍照、录音、录像等功能，且能将影音信息以 MEPG-4 格式直接保存到 U 盘中。可以在本可视对讲终端上播放MEPG-4 视频文件，也可以在 PC 机上播放 U 盘中的多媒体信息。

（4）门口机具有电子相册的功能，能显示风景图片、个人相册或社区便民信息。

（5）留有报警扩展模块接口和家电控制接口，能方便地与其它智能家居产品融合。

（6）管理中心可以通过管理机监视各门口机的视频图像。

系统的主要性能指标如下：

（1）门口机、室内机、管理中心等终端设备采用 TCP/IP 技术组网，音视频信息和控制信号都采用以太网传输。

（2）系统采用 MPEG-4 多媒体编解码标准，能以 VGA（640×480）分辨率、每秒 30 帧的速率进行视频通信。

（3）采用双显示屏设计。彩色CRT显示屏：420 线，PAL 制。数字 LCD显示屏：7寸TFT-LCD，640×480 分辨率，18位彩色显示。（4）摄像头：COMS 30 万像素。

（5）终端设备待机功耗：小于 0.4W。

（6）工作电压：DC9V~18V。

（7）工作温度：-10℃~+60℃。

（8）网络接口：标准 RJ45。

（9）其它接口：RS-485 接口一个、RS232 接口两个。

3.1基于 DSP 的视频采集处理系统

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（Analog Devices Inc，ADI）的 Blackfin 系列 DSP 和德州仪器（Texas Instruments，TI）的 6000 系列、达芬奇系列 DSP 在视频、音频、通领域有着广泛的应用。以 TI 公司的 TMS320C6203 为核心的视频采集和处理系统硬件。该系统以 TMS320C6203 为核心，由视频采集模块、图像处理模块、图像显示模块、通信模块构成。模拟视频信号经 A/D 转换为数字量，数字图像经过 FPGA进行预处理，然后送往 DSP 进行图像处理，最后通过网络模块与外界进行视频通信。视频复合电路将空心波门、电十字线、字符、图像信号叠加最后由监视器显示出来。

3.2嵌入式 Linux 内核的特点

嵌入式 Linux（Embedded Linux）是以 Linux 为基础，针对具体的项目进行内核剪裁的 Linux 系统，该系统已被广泛应用在移动电话、个人数字助理（PDA）、媒体播放器、消费性电子产品以及航空航天等领域 [24]。与其它嵌入式操作系统相比具有如下特点：

①开放源码，丰富的软件资源。

Linux 的内核源代码可以在互联网上自由下载，用户可以根据自己的需求剪裁、扩展 Linux 操作系统。有许多自由软件可以运行在Linux 上，基于 Linux 的系统开发往往不需要从零开始编写代码，开发人员可以自由地得到丰富的相关源代码资源，这样就大大缩短了软件开发的周期。

②支持多种硬件平台。

Linux 可支持 X86、PowerPC、ARM、XSCALE、MIPS、68K、Alpha、SPARC等多种体系结构，并且已经被移植到多种硬件平台。这意味着基于 Linux 操作系统开发全数字可视对讲系统，其整个软件系统具有很强的可移植性和可重用性。此外，Linux 操作系统还具有强大的网络通信功能、友好的 GUI 界面接口、支持多种文件系统、丰富的周边设备驱动程序和可靠的系统安全等优点。

4 基于 SOPC 的视频采集处理系统

从1984年Xilinx公司推出了第一片现场可编程门阵列（Field ProgrammableGate 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，还具有高速、高可靠性、开发周期短、使用灵活、质量稳定等优点。

可编程片上系统（System On a Programmable Chip，SOPC）是 SoC 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，完成整个系统的主要逻辑功能，具有单芯片、低功耗、微封装、可剪裁、可扩充、可升级及软硬件系统可编程的特点。现今比较成熟的 SOPC 解决方案主要包括Xilinx公司提供的基于 PowerPC 的硬核解决方案和 Altera 公司提供的基于 NiosII 的软核解决方案。 Altera 公司推出的 Nios II 系列软核处理器采用 32 位 RSIC（Reduced InstructionSet Computer）指令体系，其性能超过200DMIPS，而且一块 FPGA 芯片上最多可以集成 100 个 Nios II 处理器，因此具有较大的发展潜力。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。

5 结束语

本文比对分析了常用的嵌入式操作系统发现嵌入式 Linux 操作系统具有许多优点，所以本项目的软件实现采用基于 Linux 内核的架构。全数字化网络型楼宇可视对讲系统的增长率在逐年增加，是未来的发展方向，但价格较贵，国内品牌一般在 5000 元人民币左右，国外知名品牌的价格普通用户一般不能接受。目前模拟可视对讲系统在量上还是主流。特别是 2008 年世界经济危机以来，在政府大力推行经济适用房的同时房地产开发商在选择配套设备时更加注重经济性、实用性、可靠性。据国内楼宇可视对讲领域的一线设备供应商安居宝介绍：2009 年开发商选择可视对讲设备时性能要求有所下降，在功能方面也只要求满足基本功能即可。笔者作为国内另一家一线设备供应商的兼职研发人员从公司的产品出货量上也明显感觉到了这一变化。所以将嵌入式技术、SoC 技术、多媒体技术以及网络技术结合开发一套价格低廉（成本在 400 元以下）性能较高（视频质量达到 VGA 分辨率、30 帧每秒，本地视频留影时间长达 2 小时）的全数字可视对讲系统具有极大的市场需求和工程意义，也能在一定程度上加快可视对讲系统全数字化的进程。此外研发一套拥有自主知识产权和核心技术的可视对讲产品对开拓国际市场有着深远的意义。

参考文献：

[1] 任俊伟，林东岱.JNI技术实现跨平台开发的研究[J].计算机应用研究，2005，22（7）：180-184.

[2] Freescale 公司 .i.MX 51 芯片说明书 .2010.

[3]Android SDK|Android developers [EB/OL]. http：///sdk/index.html.2010.

[4] 宋杰，王书菊.基于ARM2440平台的Android 操作系统的移植 [J]. 计算机技术与发展2011，21（1）：66-68.

[5] 杨丰盛.Android应用开发揭秘[M].北京：机械工业出版社2010.