摘   要： 介紹了一種基于單片機(jī)的移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，詳細(xì)給出了硬件各部分的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、無線網(wǎng)絡(luò)以及能通過串口進(jìn)行控制的小車平臺組成，解決了無監(jiān)控設(shè)備區(qū)域的監(jiān)控問題。系統(tǒng)制作簡單，維護(hù)方便，充分利用現(xiàn)有資源和技術(shù)，同時(shí)采用模塊化設(shè)計(jì)，可移植性很強(qiáng)，在危險(xiǎn)、未知環(huán)境的探測、監(jiān)控等領(lǐng)域有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞： 單片機(jī)； 網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)； 監(jiān)控； 可移動(dòng)

    隨著多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)在國民生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域(如電力系統(tǒng)、電信機(jī)房、工廠、城市交通、水利系統(tǒng)、小區(qū)治安等領(lǐng)域)得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-2]。但是，在沒有安裝監(jiān)控系統(tǒng)的地方，就無法使用監(jiān)控完成一些任務(wù)。特別是在探測一些陌生、危險(xiǎn)環(huán)境(比如地震災(zāi)區(qū)、火災(zāi)后的救援現(xiàn)場、礦井救援現(xiàn)場、森林、下水道、長期無人的偏僻小區(qū)等)時(shí)，如果不能事先了解探測地點(diǎn)的環(huán)境，冒然救援或安排人員進(jìn)入，會給進(jìn)入人員帶來危險(xiǎn)，造成不必要的損失。因此需要開發(fā)可移動(dòng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，哪里需要就帶到哪里，不僅能夠擴(kuò)大監(jiān)控范圍，也能節(jié)約成本，甚至還能減少許多不必要的損失。
    目前國內(nèi)嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究有了很大的發(fā)展[3]，參考文獻(xiàn)[3]對基于ARM的嵌入式無線視頻采集系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。但是這些都是利用ARM嵌入式、USB攝像頭或是其他的小型攝像機(jī)進(jìn)行開發(fā)，需要攝像頭的驅(qū)動(dòng)，還要為攝像頭編寫程序，系統(tǒng)比較復(fù)雜，技術(shù)要求比較高。本文在考慮現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)攝像頭的發(fā)展情況、3G和各種WiFi信號的覆蓋率提高以及無線路由器技術(shù)發(fā)展的前提下，充分利用現(xiàn)有資源，提出了一種基于單片機(jī)的移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)直接利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)作為監(jiān)控?cái)z像頭，以3G信號或各種WiFi信號(如現(xiàn)場沒有WiFi信號，可用無線路由器自建)為網(wǎng)絡(luò)，以開發(fā)的基于單片機(jī)的小車為載體平臺，實(shí)現(xiàn)無線移動(dòng)視頻監(jiān)控。該系統(tǒng)充分利用了現(xiàn)有的各種資源，制作簡單，方便使用。本文重點(diǎn)給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路以及硬件各部分的組成。
1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)由一個(gè)可以通過接收串口指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的小車以及網(wǎng)絡(luò)攝像頭、無線網(wǎng)絡(luò)、客戶終端組成。網(wǎng)絡(luò)攝像頭是整個(gè)系統(tǒng)的核心和紐帶。
    網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)裝在小車上，通過無線網(wǎng)絡(luò)與客戶終端進(jìn)行通信，將現(xiàn)場的視頻信號發(fā)送至客戶終端，并接收終端發(fā)來的指令，進(jìn)行云臺控制或是將指令轉(zhuǎn)發(fā)至小車控制板。小車控制板在分析信號的有效性之后，根據(jù)預(yù)先的通信協(xié)議發(fā)送相應(yīng)指令到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)小車的移動(dòng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 各模塊設(shè)計(jì)
2.1 網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)
    本系統(tǒng)選用深圳億維銳創(chuàng)公司生產(chǎn)的YW7800網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。該攝像機(jī)的外形非常適合在小車上安裝。
    該攝像機(jī)自帶云臺，可以實(shí)現(xiàn)水平0～355°、垂直0～90°旋轉(zhuǎn)，同時(shí)帶有15 m的紅外功能，視野非常開闊，并且適合夜間使用。它支持動(dòng)態(tài)IP地址，支持局域網(wǎng)、Internet(ADSL、有線通)；支持多種無線傳輸，802.11g無線局域網(wǎng)、CDMA、GPRS，因此很容易組建網(wǎng)絡(luò)。該攝像機(jī)支持RS422/485透明串口，可以通過串口復(fù)用的方式為系統(tǒng)的小車控制板發(fā)送信號，不需要單獨(dú)為小車開發(fā)無線接收設(shè)備。另外，該系統(tǒng)集成Web Server，使用Web頁面便可輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制、設(shè)置，因此不需要單獨(dú)開發(fā)客戶端程序。綜合以上特點(diǎn)，這款攝像機(jī)很符合設(shè)計(jì)要求。
2.2 網(wǎng)絡(luò)信號
    目前3G無線信號和各種WiFi信號的覆蓋率已經(jīng)很高，只需要將客戶終端和網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)接入同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，就可以建立網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)與客戶終端的連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互傳輸。如果該系統(tǒng)使用的環(huán)境沒有無線網(wǎng)絡(luò)，鑒于目前無線路由器功能已經(jīng)很強(qiáng)大，可以在路由器有效范圍內(nèi)通過無線路由器建立網(wǎng)絡(luò)，供網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和客戶終端使用。
2.3 小車控制系統(tǒng)
    小車控制系統(tǒng)主要由控制核心板51單片機(jī)模塊、串口通信模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)等組成。
2.3.1 51單片機(jī)模塊
    本系統(tǒng)選擇AT89C51單片機(jī)作為控制芯片。AT89S51是一個(gè)低功耗、高性能CMOS 8 bit單片機(jī)，片內(nèi)含4 KB ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1 000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8 bit中央處理器和ISP Flash存儲單元。系統(tǒng)單片機(jī)模塊主要由AT89S51單片機(jī)以及石英晶體Y1、兩個(gè)振蕩電容C3和C4構(gòu)成的時(shí)鐘電路，由電容C5、開關(guān)K、電阻R8和電源構(gòu)成的復(fù)位電路組成。可以通過開關(guān)K對控制板進(jìn)行復(fù)位[4]。Y1采用頻率為11.059 2 MHz的晶振，兩個(gè)電容C3、C4一般取30 pF。其他各端口定義為:P2.0、 P2.1、 P2.2分別接驅(qū)動(dòng)器的脈沖輸入、方向和使能端，控制一路電機(jī)，P2.5、P2.6、P2.7控制另外一路電機(jī)。P3.0、P3.1接串口線,實(shí)現(xiàn)外部信號與單片機(jī)的相互傳遞。單片機(jī)控制系統(tǒng)如圖2所示。

2.3.3 串口通信模塊
    為使單片機(jī)正常工作，需要給其下載程序，這就要使其能與電腦進(jìn)行通信。計(jì)算機(jī)帶有9針串口，因此也為單片機(jī)控制板設(shè)計(jì)9針D型連接頭。但是，由于計(jì)算機(jī)串口是RS232電平，而單片機(jī)是TTL電平。所以需要進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換。MAX232芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的包含兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器的IC芯片，它的內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器，可以把輸入的+5 V電源電壓變換成為RS232輸出電平所需的+10 V電壓[6]。其適應(yīng)性更強(qiáng)，價(jià)格適中，硬件接口簡單，所以被廣泛采用。
    本系統(tǒng)的串口通信模塊如圖4所示。電容C6、C7、C8、C9及V+、V-是電源變換電路部分。由于在實(shí)際應(yīng)用中，芯片對電源噪聲比較敏感，所以要為電源VCC加去耦電容C10。MAX232的11腳T1IN接單片機(jī)TXD端P3.1，12腳R1OUT接單片機(jī)RXD端P3.0，13腳R1IN和14腳T1OUT分別連接D型頭的2、3口，即可以通過D型頭與單片機(jī)相互發(fā)送數(shù)據(jù)。

　由于網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)帶有RS485串口，而小車控制板采用RS232串口，因此需要能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)換的裝置。TD-106是深圳天地華杰公司設(shè)計(jì)一款無源RS232到RS485的轉(zhuǎn)換器，能有效解決RS232串口設(shè)備與RS485串口設(shè)備之間的通信問題。該轉(zhuǎn)換器采用獨(dú)有的竊電技術(shù)，無需外接電源，內(nèi)置流量控制芯片，具有零延時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能。該RS485轉(zhuǎn)換器能將單端的RS232信號轉(zhuǎn)為平衡差分的RS485信號，同時(shí)還具有體積小、傳輸距離遠(yuǎn)、速率高、性能穩(wěn)定等特性。
2.3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
　ZD-6560-V4C內(nèi)部集成控制調(diào)速功能，支持內(nèi)部和外部控制，是一款高集成度高可靠性的驅(qū)動(dòng)器。其接口采用超高速光耦隔離技術(shù),具有很強(qiáng)的抗高頻干擾能力，并且具有電源反接保護(hù)、過熱自動(dòng)保護(hù)等。它還具有4檔電流、4檔衰減、4檔細(xì)分可調(diào)功能，能滿足客戶的不同需求。
　該驅(qū)動(dòng)器具有共陽極和共陰極兩種接法。在本設(shè)計(jì)中選用共陽極接法，即將脈沖+和方向+同時(shí)接5 V電壓，脫機(jī)+和脫機(jī)-懸空。這時(shí)，驅(qū)動(dòng)器共需要2個(gè)控制信號，分別是脈沖-和方向-，通過單片機(jī)的P2.0(P2.6)、P2.1(P2.7)來控制。其線路圖接法如圖5所示。

    步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)置使用方法如表1所示。其中N代表OFF,Y代表ON。
2.3.5 電機(jī)
    步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，受負(fù)載變化影響較小，所以能夠增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性[7]。本系統(tǒng)中小車采用雙輪驅(qū)動(dòng)。57BYG250-76是一款高性能低價(jià)格、大扭矩、低噪音的57步進(jìn)電機(jī);采用優(yōu)良的材料和先進(jìn)的制造工藝，保證電機(jī)在高速時(shí)不失步。其驅(qū)動(dòng)電流為3 A，步距角1.8°。同時(shí)，其扭矩為1.5 Nm，大扭矩使小車具有不錯(cuò)的帶載能力，保證了在安裝網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)后系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。
    本文設(shè)計(jì)了一款移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，擺脫了傳統(tǒng)監(jiān)控布線帶來的麻煩，同時(shí)解決了無監(jiān)控設(shè)備區(qū)域的監(jiān)控問題。系統(tǒng)制作簡單，維護(hù)方便，充分利用現(xiàn)有資源和技術(shù)，同時(shí)采用模塊化設(shè)計(jì)，可移植性很強(qiáng)，在危險(xiǎn)、未知環(huán)境的探測、監(jiān)控等領(lǐng)域有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。
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