基于USB总线和单片机实现安防监控系统的设计

1、引言

安防监控系统的研究设计与实现，是一项专业性很强的实用技术。普遍认为，所谓安防监控系统，就是以安全防范为主要目的，依靠和运用各种高科技装备及手段，系统、实时、全面、不间断地对人、设备及周边环境进行监督、控制的一系列设备的总和。随着社会经济的发展进步，安防监控系统的应用普及越来越广，科技含量越来越高。先进的监控系统集中体现了现代科学技术发展的最新研究成果，是现代高科技产品和技术的一个结晶和缩影。当然，安防监控系统的研发不能一味地追求高、精、尖，其最根本的立足点还是必须回归实用性，在保障适用性的前提下追求最低的成本与价格。本文提出一种基于USB总线和单片机构成的监控主机设计方案。该主机具备一定的智能化控制功能，在个人计算机上实现硬件驱动和监控应用软件开发，具有较高性价比，适用于一般民居等场所的安全防盗系统。

2 、系统构成

安防系统监控主机的设计要求主要包括：采用多媒体计算机辅助控制、硬盘录像等技术，通过程序实现预警、远程传输、远程控制功能。有较强的防范能力及报警功能，便于上下联动，有较高的自动化、智能化功能，能自动响应信号报警、调用相应的摄像机画面、发出声光警报，并能根据报警信号的来源和性质做出一定的判断，向职守人员提供相应的处置方案，自动启动某些防范手段，能有效减小职守人员工作强度，加强快速反应能力等。 基于信号捕获及处理流程，安防系统主要有5个部分：

信号采集与处理 包括红外、烟感、温敏、压力、断路、微波等传感器对光、电、热、力、位移等物理量变化以及视频、开关信号的采集与转换，并依据规则进行门限判决和编码。

数据传输 主要是各模块、各部件之间数据转换及相互交换的过程。

系统响应与自动控制 主要是进行自检扫描，对各种预设的情况及报警事件作出中断响应。

人机交互 通过USB总线实现PC机与单片机之间通信，通过安防监控软件向监控主机发出指令，接收数据和请求，并根据报警事件提供处置预案。

远程通信与控制 基于PSTN，通过MODEM与远程控制中心交换数据并接收指令。

安防系统的构成框图如图1所示。

3、 工作原理

安防系统监控主机是一个基于嵌入式控制器的MCU应用系统，该嵌入式控制器采用51系列单片机，他负责完成设备大部分的控制功能。另一方面，因基于USB总线通信，故对PC机而言，监控主机又如同一个待识别的USB外设。主机硬件结构采用单片机+CPLD构成的控制核心，通过LISB接口芯片与PC机交换数据。其中，单片机采用的是通用的51系列单片机AT89C52，当然完全可以用其他的51系列单片机替代。CPLD采用XC395288系列芯片。15SB接口芯片采用的是Philips公司的ISPl581芯片。ISPl581的特点是：价格低、功能强、支持高速USB系统的自动检测、内部通用DMA模块能使得数据流很方便地集成，具有的低挂起功耗，还可以满足ACPITM，OnN0wTM和USB电源管理的要求。

监控主机一般处于2种工作状态：

（1）正常监控状态。此状态下．单片机循环扫描等待，温度、湿度等各种环境监测量实时传送至PC机显示．PC机按照预先设置，顺序切换视频监控画面。

（2）处置报警状态。报警事件发生后，报警源或是来自环境监测量超标，或是来自按键报警或红外等传感器报警后转换的开关量，经编码锁存后发送至单片机。单片机启动中断处理程序，将报警数据通过ISP158l芯片转换成USB总线数据传送至PC机，PC机译码后调用数据库显示处置预案，通过摄像头记录报警源现场画面。同时，单片机将报警源代码通过7段数码管进行流水显示，驱动语音控制芯片和发光二极管发出声光报警。

监控主机的工作原理如图2所示：

4、主要软件模块

监控主机的设计与实现，难度主要在软件开发。一方面是由于USB 2．O作为一种先进的接口标准，他的协议规范比较复杂，这种复杂在设备开发中主要体现为固件程序的开发。另一方面要求开发人员对PC机的硬件驱动和操作系统比较熟悉，还要求有比较熟练的数据库编程经验。其软件设计主要分3个模块（如图3所示）：

（1）固件程序

固件程序完成的功能包括：完成初始化、自检和扫描任务，通过USB总线发送和接收数据，处理报警和通信中断请求。包括4个子程序：

主程序（MAIN．C） 主要完成初始化工作，发送USB请求，处理USB总线事件，用户功能处理等；

中断处理程序（ISR．C） 主要是处理来自ISPl581的LrSB通信中断请求和开关量报警的中断请求；

LJSB协议（USB．C） 主要功能就是响应主机提出的USB设备识别要求。响应函数对设备要求进行译码，确定设备要求的类别；

USB电气接口驱动（P81．C） 主要是读写操作，将需传送的数据与ISP1581芯片之间通信。程序流程如图4所示。

（2）驱动程序（ISP81．sys）

在单片机固件开发调试通过后，主机就能正确识别了，并且如果PC机操作系统中有自带的这种设备的通用驱动程序，就无需再开发任何软件就可直接使用。否则必须自行开发驱动程序。本文采用WinDrivet工具软件编写驱动程序，通过调用工具中提供的预定义类和底层驱动接口可以方便地生成符合用户要求的驱动程序，不足之处是独立性不好，适用范围有限。因为使用winDrivet只提供一个设备安装信息文件（．inf），真正的驱动程序接口在安装win［）river时就已经加载了。不过，WinDrivet更的用途在于可以很方便地调试几乎所有计算机总线接口设备，在计算机外部设备开发过程中能够起到很好的帮助作用。 （3）应用程序

应用程序是处在应用层的上层软件，他面向用户提供人机会话界面，并实现各种功能，用户通过应用程序对设备实施控制。应用程序使用最常用的Microsoft VisualC++6．O开发环境进行开发编译，主要分成2个子程序：一是操作台程序（OPERATION．C）。控制视频画面切换，提供人机交互，通过调用winDriver工具软件生成的驱动程序提供的一些间接控制设备硬件的接口函数，实现USB通信功能；二是报警处理程序（ALARM．C）。处理单片机报警信号，调用数据库文件，向使用者提供智能化处置预案。程序流程如图5所示。

5 、结 语

本文提出的家居安防系统监控主机设计实现方案，具备较强的通信能力和一定的智能化处理功能，可以满足大部分民用住宅自身安全防范的需要。

他的特点主要有：

（1）监控主机设置对开关量报警的响应，是考虑到安防系统前端传感器、探测器无论多么复杂，都是经过门限判决、信号转换、编译码之后提供给单片机监控主机，因此可用开关量来模拟一切报警事件的发生。同时，按键开关也是最可靠且行之有效的报警手段之一。

（2）应用成熟的51系列单片机，结构简单，性能稳定可靠，完全可以满足一般数字信号处理、自动控制和数据通信的要求，且成本较低。 （3）基于USB总线的MCU应用系统，本身就是IT业最热门的话题之一。不仅有利于提高数据传输效率，同时基于兼容性和通用性的考虑，可以不加改变地适用于家用电脑，具有广泛的应用前景。