摘 要： 在分析家居title="門禁系統(tǒng)">門禁系統(tǒng)發(fā)展的基礎上，結合實際情況，提出了基于家庭自動化專用modem ST7537HS1和AT89C51單片機的多功能可視對講門禁系統(tǒng)的總體方案與系統(tǒng)構成，并討論了系統(tǒng)的硬件組成、工作原理及其軟件實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)利用現(xiàn)有的220 V電力線作為通信總線，實現(xiàn)了信息傳輸線路與動力線路的合二為一。
關鍵詞： 可視對講；門禁；ST7537HS1；電力線載波；指紋識別
隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的提高，可視對講系統(tǒng)已經廣泛應用在現(xiàn)代城市新建小區(qū)的居民樓中，它可以較好地改善現(xiàn)代居民居住環(huán)境的安全問題。但是對于那些老小區(qū)，原來施工建設時并沒有考慮設置門禁系統(tǒng)，如何較好地保障這些小區(qū)居民的良好環(huán)境和安全就成了一個急需解決的問題。
目前比較流行的門禁系統(tǒng)大都采用485總線進行數(shù)據(jù)傳輸，少部分廠家采用了抗干擾能力較強的工業(yè)控制總線(如CAN等)[1]。這些總線方式最大的問題就是必須重新布線，這給安裝工作帶來了很大麻煩，成本也比較高。本設計利用現(xiàn)有的電力線路進行數(shù)據(jù)信息傳輸，實現(xiàn)了一套具有指紋識別、智能開鎖、可視對講、語音留言、智能報警的多功能家居門禁系統(tǒng)。
1 ST7537HS1調制解調器簡介[2]
家庭自動化調制解調器ST7537HS1是用模擬CMOS技術制作的，在半雙工模式中利用載頻123.45 kHz傳送和接收數(shù)據(jù)的家庭專用調制解調器，它的速率可達1 200 b/s。由于移幅鍵對噪聲和擴頻很敏感，線路復雜、價格昂貴，所以ST7537利用移頻鍵來傳輸。把從電力線過來的傳輸和接收數(shù)據(jù)所必須的各種功能塊都包含在芯片上，除了這個集成電路以外，外部器件僅需有線驅動器、變壓器，再加上準備和解釋數(shù)據(jù)信息的微控制器。傳輸數(shù)據(jù)與額定內部信息數(shù)據(jù)以1 200 b/s異步進入FSK調制器。在調制器中，數(shù)據(jù)變換為2個頻率(133.05 kHz表示“0”，131.85 kHz表示“1”)，這2個頻率由廉價的頻率為11.059 2 MHz的晶振產生。
在發(fā)送部分，從FSK調制器來的調制信號經開關電容帶通濾波器濾波后限制輸出頻譜和減少諧波器件的輸出電平。傳輸通道最后需要一個從電源放大器發(fā)出反饋信號的運算放大器。
在接收部分，進來的信號進入RAI輸入口后，信號被開關電容帶通濾波器首次濾波。這個濾波器以載頻為中心，帶通范圍大約為12 kHz。濾波器的輸出信號以20 ｄB增益級放大，放大了的信號進入混頻器進行降頻變頻。最后，中心頻率為5.4 kHz的中頻帶通濾波器使信號在進入FSK解調器前改善了信噪比，此中頻濾波器輸出口通過一個能取消接收信道偏移的外部電容與FSK解調器入口相連。此外，ST7537還有2個重要的功能：載波檢測和監(jiān)控功能。
2 系統(tǒng)概述[3]
2.1 系統(tǒng)結構
可視對講門禁系統(tǒng)是一個基于多單片機通信的網絡，系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示。
由系統(tǒng)框圖可以看出，系統(tǒng)主要由門口機和室內機組成，門口機和室內機之間通過電力線通信。安裝該裝置時，只需將電力線接口模塊插到電網中即可使用，簡單方便，無需重新布線。
2.2 系統(tǒng)的工作過程
系統(tǒng)的工作過程為：當來人在樓宇入口通過室外機按下住戶房號鍵時，控制器將其轉變成ID碼發(fā)送給室內機，室內機接收到與自己相同的ID碼后進入工作狀態(tài)，控制電子門鈴產生鈴聲，同時開放可視對講，并且對視頻信號和音頻信號進行30 s定時。若主人不在家，則30 s后啟動模擬摘掛機電路并播放提示音提示訪客留言；若通過視頻辨認不接見來人，則關閉視頻及音頻信號；若決定接見來人，則摘機。若室內機檢測到已經摘機，則終止30 s定時進入通話狀態(tài)。主人的話音通過室內機的麥克風傳輸?shù)介T口機的通話控制模塊處理后送揚聲器；而來人的話音則通過門口機的麥克風傳輸?shù)绞覂葯C通話控制模塊后送揚聲器，完成通話。主人若接見來人，則按下開鎖鍵，室內機檢查到后，輸出開鎖信號到門口機的開鎖模塊，電控鎖動作，門被打開。主人掛機，室內機檢測到掛機信號，則輸出關閉視頻及音頻信號，復位到初始狀態(tài)。
除以上基本功能外，系統(tǒng)還具備語音留言、指紋開鎖、智能報警和設置無人狀態(tài)等功能。
3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)
3.1 硬件設計
3.1.1 門口機設計
門口機安裝在樓宇的入口處，如圖2所示。具有指紋開鎖、呼叫按鍵、對講、攝錄像等功能，它以AT89C51單片機作為核心，配以指紋識別[4]、視頻采集與控制、矩陣按鍵、電力線接口、電控開鎖等模塊組成。系統(tǒng)采用TI公司的定點DSP芯片TMS320C642完成指紋信息的采集、預處理和識別。指紋傳感器采用FPS2000。視頻采集的攝像頭選用CCD(Chang-Coupled Device)攝像頭，工作電壓為12 V直流電壓，由系統(tǒng)電源供電，裝在單元樓門特制的防護門上。矩陣按鍵選用3×4行列式非編碼鍵盤，用鍵盤掃描方法實現(xiàn)一個單元12個住戶按鍵的選擇控制，從而控制相應繼電器的閉合和斷開，實現(xiàn)視頻信號和音頻信號的采集傳輸。用戶可以通過指紋開鎖，也可通過室內機發(fā)送開鎖信號實現(xiàn)開鎖。
3.1.2 室內機設計
室內機安裝在用戶室內，具有對講、圖像顯示、報警、錄放音、電控開鎖等功能如圖3所示。主要由視頻顯示模塊、電控開鎖、語音通路、語音錄放、模擬摘掛機和振鈴電路、報警模塊等幾部分組成。視頻顯示采用7″彩色液晶顯示。語音錄放使用ISD25120完成播放語音提示和留言信息存儲。當家中無人時，系統(tǒng)可實現(xiàn)模擬摘掛機并自動播放語音提示訪客留言。當系統(tǒng)掛機后來客長時間在門口逗留可發(fā)出報警音。
3.1.3 電力線接口模塊設計[2]
電力線接口模塊由線驅動器和線接口組成，其主要功能為：
(1)發(fā)送模式中，將ST7537送來的傳送信號(ATO)放大和濾波；
(2)接收模式中，從電力線給ST7537的接收口提供接收信號；
(3)有抵制尖峰脈沖和過載的保護電路。
電力線接口模塊框圖如圖4所示。
圖4中，線驅動器起放大ST7537的輸出信號（ATO）的作用。為了使線驅動器適用于電力線，使用了線接口。在線接口中，使用了變壓器，其功能為：
(1)把其他電路與電力線隔離開；
(2)把傳輸信號送到電力線上去；
(3)從電力線中提取出接收信號；
(4)濾除傳輸信號中的諧波。
電力線接口模塊的電路原理圖如圖5所示。
圖中復合晶體管Q6、Q4、Q3、Q1組成推挽式放大器。電阻R1、R8可使放大器獲得最佳性能。當RX/TX=0(接收模式)時，ST7537輸出信號PABC=1和PABC=0使雙極型晶體管Q5和Q6截止，切斷了功率放大器的電源，功放不工作。
變壓器由1個主繞組和2個副繞組組成。繞組比例為4：1：1，其參數(shù)為：L1繞組9.4μH；L2繞組140 μH；C4=7.2 nF(在實際工作中選擇6.8 nF最接近這個值)。為了防止非線形畸變，C11的線性必須非常好，C12濾除從電力線過來的50/60 Hz的信號，并有短路保護功能。當相位不知時, 使用附加電容C13加到C12上去，組成放電回路，避免發(fā)生觸電危險。
為了避免尖峰信號對電路的破壞，采用了一個雙向穩(wěn)壓管，當電壓值等于大于穩(wěn)壓管電壓時，穩(wěn)壓管就會短接到地，從而保護接口電路的器件不會被燒壞。
系統(tǒng)主電源采用220 V交流供電，經過變壓器、二極管等器件組成整流穩(wěn)壓電路后，輸出 12 V/2 A直流電，對用戶分機和門口機進行供電。同時還配置有不間斷電源，在遇到短時間的停電時仍能保證可視對講門口機的正常使用。
3.2 系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)采用單片機匯編語言進行程序設計，分室內機和門口機兩部分，由系統(tǒng)不同狀態(tài)的處理和切換組成，主要實現(xiàn)待機、信號采集、開鎖控制、語音錄放、報警等功能[5]。指紋識別采用專門的DSP芯片完成。門口機和室內機的程序流程圖如圖6所示。
該可視對講門禁系統(tǒng)采用了ST7537家庭自動化調制解調器實現(xiàn)了信號在電力線中的傳輸，不需要另外鋪設通信線路，也不占用頻帶，是一種現(xiàn)有條件下實現(xiàn)可視對講門禁的簡單有效方法。
參考文獻
[1] 俞紅杰，王涌.基于CAN總線的可視對講系統(tǒng)智能節(jié)點設計[J].江西科學，2007，2(1)：62-64.
[2] ST7537HS1 home automation modem SGS-THOMSON microelectronics，1995.
[3] 陳小東.住宅小區(qū)帶門禁可視對講系統(tǒng)設計概述[J].山西建筑，2008，8(23)：182-183.
[4] 陳偉立，韓成浩.基于指紋識別技術的網絡式門禁系統(tǒng)設計[J].吉林工程技術師范學院學報，2008(3)：78-80.
[5] 李太玲.對講系統(tǒng)的單片機設計[J].科技創(chuàng)新導報，2008 (1).
[6] 張毅剛.MCS51單片機應用設計[M].黑龍江哈爾濱工業(yè)大學出版社，1997.