摘要：文章介紹了除具有基本視頻監控及開關量自動報警功能外，還實現了報警信息短信群發和多報警多任務緩存處理、USB讀寫、專用處理板遠程圖像傳輸及遠程操作的多功能安防系統設計。系統由主控芯片和副控芯片及外圍電路組成，主控與副控之間通過并口進行數據交換；其中主控部分完成對報警信號處理，控制面板操作處理、與專用處理板的互通。副芯片部分完成控制云臺動作，發送報警短信，執行USB讀寫等功能。系統強大的功能，智能化的設計，相對目前市場上同類產品具有明顯的優勢，可廣泛應用于高要求的遠程無人值守安防監控場合。
關鍵詞： 視頻監控系統；自動報警；短信群發；USB
中圖分類號：TP273     文獻標識碼： A

Abstract ：This article introduced a kind of multi-functional auto-alarm system，which not only have the basic video frequency function and switch quantity auto-alarm function, but also can implement short alarm message group-sending , multi-task and multi-alarm buffer processing, USB read-write, image transmission and remote operation of the special processing board. The system consists of main chip, vice chip and peripheral circuit. The data exchanges between the main chip and the vice chip by parallel interface. The function of the main chip includes alarm signals processing, the control panel operation and the communication with the special processing board. The function of the vice-chip includes tripod motion control, short alarm message service, USB read-write, etc. Compared to the similar products in the present market, this system has obvious superiority in strong function and intellectualized design，it can be broadly applied in high-quality remote unattended auto-alarm surveillance.
Key words: Video supervisory system; Auto-alarm; Multi-SMS sending; USB

一、 系統設計概述及硬件模塊設計

    隨著技術的發展，簡單的攝像頭接顯示器監控方式已經不能滿足高等級監控的要求。本文介紹的視頻安防控制系統，不但具備普通視頻安防產品最基本的視頻監控，自動報警功能（能夠兼容開路報警和閉路報警兩種報警信號輸入方式），同時還實現了報警短信群發，報警信息自動存儲，多路報警緩存，報警數據USB存取，與上位機遠程圖像傳輸及遠程監控等功能，彌補了傳統產品的不足，該視頻安防監控系統功能強大，性能優異，可以滿足軍事、無人值守自動氣象站等高標準的應用要求。

    圖1為安防控制系統現場機硬件結構框圖，系統含視頻信號選擇處理、控制面板、系統控制、信號報警處理四大部分。由兩片STC89C58RD+單片機為控制核心，負責系統各種功能的實現；該單片機不僅程序存儲容量大（32k），具有1K的RAM空間，而且可以利用串口下載程序，便于以后在線升級。

    其中主控芯片負責實現以下幾個功能：檢測副控與專用處理板工作狀態，協調管理系統的工作；檢測報警輸入并實現報警控制輸出以及報警信息處理；DS1302時鐘芯片的管理，獲取時間并在控制面板數碼管上顯示時間，以及自動更正時間；管理手機號碼，控制面板人機界面的處理；與專用處理板和副控芯片進行報警等信息的收發處理；利用EEPROM存儲報警數據實現報警信息自動存儲（做多6千條），多任務多報警緩存；負責開機自檢等功能。

    副控芯片主要負責USB檢測和讀寫功能，執行來自主控芯片命令和接收數據，利用GSM模塊群發短信；以及依據Percol協議解析發送指令，控制云臺的動作。除此之外，副控芯片還要負責在開機時自動獲取不同地區短信中心號碼，確定GSM模塊工作狀態和通訊網絡狀態，適應不同地區的應用要求；在發生報警時，如果啟用了發送短信功能，主控芯片會發送報警信息到副控芯片，而副控芯片會將報警信息數據整合成符合短信格式的數據包，發送到GSM模塊。而當值班人員解除報警后，副控芯片也可選擇發送短信告知遠程監控中心，提示現場報警已經解除處理。

    視頻安防控制部分可監控8路輸入視頻信號，分別經MAX4090進行抗干擾處理及阻抗匹配后，一方面產生四路視頻輸出，供安防人員查看安防現場活動圖像；另一方面傳輸到系統視頻信號選擇電路；經八選一信號自動切換選擇，在公共視頻端輸出一路視頻信號，通過視頻專用處理板對其進行數字化壓縮處理存儲（自帶移動硬盤），并按要求通過網絡傳輸視頻信息。視頻處理電路設計使用交流耦合輸出方式，接收電路在輸入端建立共模電平，該電平獨立于輸入視頻信號的直流電平；設計中75Ω的串聯電阻盡可能近地靠近輸出端，隔離從輸出端產生的下行寄生干擾，提供最佳的信號。

    視頻信號專用處理板實現現場視頻信號數字化處理以及遠程網絡傳輸、對來自遠程監控計算機命令的接收及應答處理、和安防控制系統的數據交換處理等；該處理板為外購成品板，由于篇幅限制，設計中涉及的遠程上位機軟件設計及專用處理板的應用開發在此不作介紹，文章重點介紹基于單片機的安防控制系統本體的設計。

圖1 系統硬件結構框圖

    系統工作時實時接收處理視頻信號，報警輸入電路實時監測前端報警信息，當有開關量報警觸發時，主控芯片做出響應，并通過副控向GSM模塊發送短信息，通知安防值班管理人員。在系統顯示面板及上位機監控中心，安防人員可以設置安防系統的工作環境，如手機號碼設置、開機默認視頻源設置、報警輸出控制設置等。在長時間無人值守的安防控制系統平臺中，需要記錄某些具有特殊意義的數據及其出現的時間，設計中選擇DS1302作為系統工作時鐘芯片。

二、硬件設計幾個關鍵問題的處理

2.1  報警檢測電路的設計

    報警信號輸入電路設計是本系統的關鍵之一，要求帶光電隔離，以有效去除干擾信號，提高系統的防雷等級及可靠性；能夠兼容開路報警和閉路報警方式；帶有自檢功能，當出現剪斷或短路報警輸入信號線路的破壞時，能自動報警。本設計的前端報警檢測電路設計精巧，結構靈活，能夠達到以上要求；如同時兼容開路報警和閉路報警，解決了同類設備均需要區分監控設備報警方式，調整設備安裝設置的麻煩；具有很高推廣價值和先進性。

    圖2為前端電路圖，其中A端為信號測試端，B點為外接報警線路輸入端，C點為報警信號到單片機的數字輸入端，接至主控芯片的P2口，TLP421-2為雙光耦，二組光耦輸入的上半部光電二極管正端及下半部光電二極管負端接6V，以兼容不同形態的輸入方式，雙光耦的輸出OC門并聯，只要任意一組導通，C端將出現低電平，向單片機發出報警信號，其中二極管D2、D3的作用是提高雙光耦輸入端的導通門檻，提高輸入電路的抗干擾能力，避免因器件差異性等原因造成的誤報警。下面針對電路設計兼容的自檢、常開、常閉、防破壞四種方式進行介紹（只介紹單輸入回路）。

圖2 報警檢測原理圖

A、自檢電路

    當設計測試端A點有+12V電壓時，雙光耦TLP421的下半部光耦導通，使C端出現低電平。具體運用時系統每次開機都會有一次自檢的過程，進行對各個報警點輸入輸出電路的測試，測試首先程控三極管開關電路向A端提供12V電源，模擬外界報警輸入，以便檢測各報警檢測電路及信號處理是否正常。如圖2所示，當測試端A點有較高電壓（12V）大于下半部光耦輸入負端電壓+6V時，二極管D1、D2導通，產生經過下半部光耦的電流；此時雙光耦的下半部輸入光電二極管導通發光，對應下半部光耦輸出OC門導通，接I/O口的C端呈現低電平，單片機認為該點產生了報警并進行處理，檢測正常；反之自檢通不過，系統發出自檢故障報警。

B、常開電路

    在現場報警接點常開情況下（如圖3），安裝時報警檢測開關與R3并聯后連接至B端。開關斷開時，電阻R1與R3分壓（R1= R3），B點的電壓約為6V，由于雙光耦一端接到+6V電壓上，二個光耦輸入光電二極管兩端電壓相近，光耦不導通，C端輸出高電平，系統無報警信號。報警發生開關閉合時，R3被短路，B端出現低電平0V，6V電壓經雙光耦的上半部分、二極管D3及R2到地導通，C端出現低電平，系統發出報警信號。

圖3 常開電路

C、常閉電路

    在現場報警接點常閉情況下（如圖4），安裝時報警檢測開關與R3串聯后連接至B端，在正常情況下，B端通過R3及外接報警檢測點到地形成回路，R1和R3分壓（R1= R3），此時B端電壓約為+6V，B端電壓與二個輸入光電二極管一端電壓相近，雙光耦處于截止狀態，不發生作用，C端為高電平，系統無報警信號。報警發生時，報警開關斷開，B端出現高電平大于+6V，輸入光耦下半部負端接到+6V電壓上；12V電壓經電阻R1、R2、二極管D2及雙光耦的下半部分到6V電源形成電流回路；雙光耦的下半部分導通，C端出現低電平，系統發出報警信號。

圖4 常閉電路

D、線路破壞監測

    從以上介紹的報警輸入電路中可以看出，正常無報警情況下，B端電壓約為+6V（不管是針對常開或常閉電路），當發生外部設備被盜竊、割斷或者斷路破壞時， B端對地開路，B端的電壓大于光耦下半部負端電壓+6V，此時12V經R1、R2、D2、雙光耦的下半部分到地導通形成回路，下半部光耦導通，C端呈現低電平，單片機認為該點產生報警,并做出相應的報警提示。

    當外部設備被短接到地破壞時（R3裝在開關內也被短路），B端電壓為零，B端的電壓小于上半部光耦正端電壓+6V，此時有電流通過上半部光耦經D3、R2到地形成回路， 上半部光耦工作，C端呈現低電平，單片機認為該點產生報警，并做出相應的報警提示。

2．2 存儲器、串口的共享復用及系統人機界面設計

    在圖5中，系統設計擴展了兩片AT24C256 EEPROM芯片，存儲容量為32K，存儲器內容可以電擦除，反復使用，實現系統運行數據存儲及掉電保護；主控芯片和副控芯片共享EEPROM，減少了數據傳輸量，提高了工作效率，間接解決了主控芯片和副控芯片之間存在大量數據交換緩沖的問題。兩片單片機通過I/O口模擬I2C總線與兩片AT24C256相連接，都可以對EEPROM芯片進行讀寫；復用EEPROM芯片，共享系統運行及歷史報警信息；但如果兩個芯片同時讀寫EEPROM芯片，單片機會產生死機現象，因此需要由主控芯片配合握手信號進行協調，保證不會出現兩片單片機同時讀或者寫EEPROM芯片的情況出現。

圖5 EEPROM復用框圖

    系統設計時為解決控制CPU的I/O口不足的問題，在控制面板設計中選擇了專用的ZLG7290鍵盤及LED 驅動芯片，它可以驅動8 位共陰數碼管（或64 只獨立LED ）燈）和64 個按鍵。圖6中ZLG7290通過四根I/O口與主控芯片相連接，作為人機界面的主控芯片，具有數碼管動態顯示、按鍵實時監測中斷觸發功能，實現系統現場的手動控制操作，顯示當前時間、系統運行狀況、報警點狀態、短信模塊工作狀態、USB接口狀態信息、人機互動信息等。在系統工作時，不僅可以通過專用處理板對系統工作環境進行設置，對視頻設備進行操作控制，而且可以利用下位機的按鍵操作面板相似的操作，如報警視頻源設置、報警超時設置、手機號碼設置、云臺控制等。

圖6 控制面板功能框圖

    系統設計中要用到多個串口，為解決串口的不足，采用二種分時復用方式，分別為手動跳線復用和采用CD4052自動切換復用。二片CPU不僅要為以后的產品升級留出下載程序接口，同時要為相關外圍電路提供串口。其中主控芯片要與專用處理板通訊；副控芯片不但要通過RS232串口發送AT指令和數據到GSM模塊，還要通過串口經MAX485轉換發送云臺控制指令。手動跳線復用主要是由于更新下載程序時，系統控制CPU處于相當于裸機的狀態，無法通過4052進行程控切換，二片CPU都采用手動跳線的方式來解決串口下載轉換問題（只在產品出廠及現場升級時需要）。程序運行過程中，由于數據發送是由內部程序分時進行的，二片CPU都采用CD4052根據需要自動切換到相應的端口，實現串口分時復用。

2．3  USB接口的設計

    帶USB接口的設備使用方便，性價比高，在本系統中用于下載重要的歷史報警記錄數據（保存在EEPROM中），以方便安防工作人員查閱分析，設計采用CH375B芯片作為USB接口控制芯片（見圖7）。CH375B 是一個USB總線的通用接口芯片，支持USB-HOST主機方式和USB-DEVICE/SLAVE設備方式。在本地端，CH375具有8位數據總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機的系統總線上；在USB主機方式下， CH375還提供了串行通訊方式，通過串行輸入、串行輸出和中斷輸出與單片機相連接。在本系統中，CH375芯片是通過并行方式連接到副控芯片的，CH375的TXD引腳通過1KΩ電阻接地，從而使CH375工作于并口方式；這種連接方式極大地提高了數據傳輸速率及使用可靠性。

圖7   USB接口電路框圖

2.4 副控芯片與主控芯片之間的通訊

    在本系統中使用了兩片單片機，以解決工作實時性要求以及I/O口資源不足的問題。由于主控和副控芯片串口被外圍設備占用，所以主控與副控芯片的通訊采用普通I/O口并行連接，即主控芯片的P0口與副控芯片的P2口相連接，另外，主控芯片INT1中斷口連接到副控芯片的INT1，作為數據傳輸聯絡信號，提高了數據傳送速率。

    副控芯片與主控芯片之間主要傳輸的數據是報警信息和云臺操作命令及二者的聯絡信號。主控芯片控制著整個系統的運行和協調，當有報警情況發生時，主控芯片自動記錄報警信息，執行設定的報警輸出等，并且把報警信息發送到副控芯片，以便將報警信息整合成短信格式發送到設定的手機號碼上。當有控制面板或者來自網絡遠程操作命令（經專用處理板接收轉發）操作云臺時，主控芯片會將接收到的命令發送到副控芯片，副控芯片根據收到的數據解析出Percol指令，控制云臺動作。

    當有移動存儲工具（U盤）接入時，有大量的數據將被發送到USB移動存儲外設，如果這時主控芯片對EEPROM進行操作，將對USB拷貝進程產生影響，考慮到將報警信息全部拷貝到U盤中所用的時間非常短，在副控進行USB拷貝時，設計中主控芯片暫時不允許對EEPROM進行操作，直到USB拷貝完畢。

2.5  現場報警控制電路設計

    在電路中設計了由開關三極管及繼電器構成三組開關接點信號輸出，并由主控單片機的I/O口控制，通過工作設置完成相應的功能，三個控制接點作用如下：一個與面板蜂鳴器相連接，一旦有報警信號產生或面板操作需要提示時，在主控芯片作用下控制面板上蜂鳴器發出報警聲，提示操作人員注意；另一個與外部警笛、警燈設備相連接，有報警情況時，控制警笛、警燈發出報警；最后一個和外部照明燈相連接，控制安防場所燈光照明，以便攝像頭能更好地工作及方便安防人員巡邏安防場所，也可以設置為有報警情況時打開照明。

三、系統軟件設計

3.1 主控芯片軟件設計

    主控制芯片是整個系統的控制核心，負責整個系統的運行和各模塊間的協調，副控芯片是整個系統的執行器，負責對主控制芯片發出的命令進行解析和執行。主控芯片的程序流程圖見圖8，軟件功能大致分為三個方面：

    報警信息處理，主芯片必須循環檢測報警輸入口有無報警信號，如果有則立即執行設定的報警輸出，同時將報警信息按照規定的格式進行整合后自動存儲，另外，主控芯片還將整合好的報警信息實時發送到專用處理板（通過網絡轉發到上位機）和副控芯片。同時還要接收專用處理板下轉的遠程操作命令。

    控制面板處理，主芯片通過中斷接受控制面板上ZLG7290捕獲的按鍵值，根據按鍵值執行相應的處理，另外控制面板上還有4位數碼管顯示當前時間、特定操作響應信息、以及8通道報警的狀態指示燈；對顯示數據實時刷新。

    與副控芯片互動，主要傳輸報警信息和云臺操作命令，以及握手協議；主芯片會在以下三種情況時與副控芯片進行通訊，一是當控制面板或者上位機操作云臺時，主芯片會將接收到的數據（即云臺操作命令）發送到副控芯片，副芯片會根據收到的數據解析出指令然后執行。二是當有報警發生且短信功能開啟時，主芯片會把整合好的報警信息發送到副控芯片，以便副控芯片將報警信息整合成適合短信格式的字符串包通過GSM設備發送到手機。三是有USB接入時，會從EEPROM讀取相關數據寫入U盤，如果這期間主控芯片對EEPROM進行操作的話，會對USB操作產生影響；另外,即使將所有的報警信息全部拷貝到U盤，也用不了1秒鐘，所以在進行USB拷貝操作時，副控芯片獨占E2PROM芯片，直到USB拷貝完畢；在此期間主控芯片須進行副控芯片的忙狀態檢測。

圖8   主控芯片程序主流程圖

    除此之外，主程序還必須能夠實現多任務緩存，自動提取處理尚未執行的任務，各種操作的超時退出，自動更正時間等功能。多任務緩存及提取牽涉的變量比較多，當發生報警時，主控制芯片自動記錄報警信息，執行設定的報警輸出。對于GSM模塊來說，發送一條短信大概需要一定時間，如果要發送多條短信，則GSM模塊需要更多的時間。在這期間如果又發生了報警，主芯片將新的報警信息發送到副控芯片，副控芯片之前的報警信息會被新的報警信息覆蓋掉，造成報警信息丟失或錯位。當副控芯片處于忙狀態時，主控制芯片應及時進行忙狀態的檢測，了解副控芯片的狀態，排隊存儲避免數據的丟失。另外，當副控芯片處于空閑狀態時，主控芯片應該自動找出未處理的報警信息發送到副控芯片，即任務提取功能。因此，一個完整準確的報警信息處理程序應該和多任務緩存以及提取組成一個相互關聯的過程。

3.2 副控芯片軟件設計

    副控芯片的程序流程見圖9。副控芯片要負責在開機時獲取短信中心號碼（不同用戶地區號碼不同），確定GSM模塊工作狀態和通訊網絡狀況監測。在開機自檢完畢后，定時監測GSM模塊的工作狀態，負責與短信中心的相關收發工作。同時副控芯片實時接收來自主控芯片數據，根據來自主控芯片命令執行相應的動作；向主控芯片發送本機工作狀態信息，利用GSM模塊群發短信；解析重組云臺操作命令，依據Percol協議發送控制云臺的動作。檢測USB的插入狀態，管理外插USB設備文件系統，向USB設備發送歷史報警存儲信息，向主控CPU發送工作忙閑信息。

圖9 副控芯片程序流程圖

四、結束語

    文章介紹的安防視頻控制系統，具有功能強大，穩定性高，操作便捷，升級方便，系統工作情況穩定，成本適中等優點，在視頻安防控制領域具有很好的實用推廣價值，已在貴州氣象局及四川遂寧氣象局布網的無人值守氣象站得到應用，使用效果良好。設計創新點在于報警信號輸入電路設計精巧合理，達到光電隔離、兼容開路報警和閉路報警方式、輸入信號線路破壞自動監測的效果；同時監控圖像的網絡傳輸以及網絡遠程監控；報警信息的無線短信群發和歷史數據的多任務緩存處理、支持USB移動存儲設備等也是本設計突出優點，可滿足軍事、氣象等高等級安防應用場合的要求。

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作者簡介（Author Resume）
楊明欣（1963-）,男,碩士 , 副教授, 主要從事自動化測控與儀表、單片機及嵌入式技術與應用、計算機控制方向研究工作。
Biography: Yang Mingxin（1963-）,Man, Born in Xianyou of Fujian province ,The associate of professor of Chengdu university of information technology, Master degree ,The main researching field is automation meter and computer control.
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