時間：2022-06-15 06:34:54
導(dǎo)語：在低功耗設(shè)計論文的撰寫旅程中，學(xué)習(xí)并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領(lǐng)您探索更多的創(chuàng)作可能。
關(guān)鍵詞：低功耗；無線供能；電荷泵整流器；低壓差線性穩(wěn)壓器；帶隙基準(zhǔn)電壓源；電源抑制
中圖分類號：TM44；TN722；TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）12-00-04
0 引 言
近幾年，受益于集成電路工藝技術(shù)與片上系統(tǒng)（System on Chip，SOC）的不斷發(fā)展，射頻識別、微傳感網(wǎng)絡(luò)以及環(huán)境感知等智能技術(shù)得到了飛速發(fā)展。其中，對于無線供能植入式芯片的能量管理、功耗等問題受到了持續(xù)關(guān)注與研究。當(dāng)能量采集完成后，如何管理該能量是下一代被動與半被動植入式醫(yī)療設(shè)備的要點之一。
在低功耗植入式芯片中，如低噪聲放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等對工作電壓及其紋波都有一定的要求，因此須通過無線能量管理單元（Wireless Power Management Unit，WPMU）將其電源性能優(yōu)化。在被動式芯片中，電荷泵整流器（Charge Pump Rectifier，CPR）、帶隙基準(zhǔn)源（Bandgap Reference，BGR）、低壓差線性穩(wěn)壓器（Low Dropout Regulator，LDO）是WPMU的重要組成單元[1]。芯片工作時，人體各種低頻信號（EEG、ECG）會通過相應(yīng)的耦合方式傳輸?shù)诫娫赐飞希瑥亩a(chǎn)生低頻噪聲，因此必須采用相關(guān)技術(shù)獲得高電源抑制比電源。論文首先通過電荷守恒定理對傳統(tǒng)Dickson電路進行動態(tài)分析及能量轉(zhuǎn)換效率的改進；然后采用電源抑制增強（Power Supply Rejection Boosting，PSRB）與前饋消除（Feed-forword Cancellation，F(xiàn)WC）等技術(shù)分別提高BGR、LDO在運放工作帶寬內(nèi)的電源抑制力（Power Supply Rejection，PSR），并在輸出節(jié)點并聯(lián)電容以濾除超高頻紋波；最后為保證LDO在負(fù)載變化時的穩(wěn)定性，利用零極點追蹤補償來滿足相位裕度的要求。
論文對高性能無線能量管理單元預(yù)設(shè)指標(biāo)為：
（1）CPR在輸入500 mV交流小信號時能輸出2 V電壓并驅(qū)動200 A的電流。
（2）BGR輸出電源抑制比在LDO的工作范圍內(nèi)盡可能大于60 dB，以減小對LDO的影響。
（3）LDO輸出電源抑制比在生物信號頻率處（01 kHz）及CPR輸入信號處大于60 dB，從而提供負(fù)載電路高性能的工作電壓。
（4）在滿足以上性能的情況下，盡可能減小電路工作時的靜態(tài)電流。
1 無線能量管理單元的基本原理
圖1所示為論文采用的無線供能能量管理單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由圖1可知，WPMU主要包含CPR、BGR、LDO及保護電路（PRO）等模塊。芯片通過片外天線采集到由基站發(fā)射的高頻無線能量信號，CPR將信號整流后進行升壓，產(chǎn)生紋波較大的電壓，并將該能量儲存到Cs中。由BGR與LDO所組成的環(huán)路通過負(fù)反饋輸出紋波較小的VDD來驅(qū)動負(fù)載電路。其中BGR為LDO提供一個精準(zhǔn)穩(wěn)定的參考電壓，因此BGR的性能影響著LDO輸出電壓的性能。芯片中的保護電路包括過溫保護電路、過壓保護電路、限流電路，其主要目的在于意外情況下對電路關(guān)斷，實現(xiàn)對電路的保護。
設(shè)計能量管理單元時，在無線供能的環(huán)境下要注意相關(guān)性能的優(yōu)化，而這又伴隨著其它性能的犧牲，下面將詳細(xì)分析論文采用的CPR、BGR、LDO設(shè)計原理及電路結(jié)構(gòu)。
3 版圖及后仿真結(jié)果
采用SMIC 0.18 m CMOS工藝，在Cadence下對電路進行仿真驗證，無線能量管理單元的版圖如圖7所示，其中包含了CPR、BGR、LDO及PRO等模塊，芯片的尺寸大小為277 m×656 m。
電路在工作時要避免反饋環(huán)路發(fā)生震蕩，必須保證LDO環(huán)路的相位裕度，論文在tt、ff、ss三個工藝角下對其進行不同負(fù)載電流（0200 A）的仿真，仿真結(jié)果如表1所列。該結(jié)果表明在負(fù)載電流0200 A內(nèi)，由于零極點追蹤補償?shù)淖饔茫辔辉６染笥?0度，根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)，LDO環(huán)路能在負(fù)載變化的范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。
圖8所示為BGR、LDO的PSR仿真波形，從圖中可以看出，BGR采用PSRB技術(shù)后，PSR在低頻降低了近25 dB。當(dāng)LDO采用FWC技術(shù)時，電源抑制在低頻段得到了顯著提升，電路空載時，在100 Hz內(nèi)提升了近20 dB，滿載時提升了近40 dB。
圖912給出了WPMU中CPR與LDO的相關(guān)瞬態(tài)仿真結(jié)果，當(dāng)輸入頻率為500 MHz、幅度為0.5 V的正弦波時，電路建立時間約為13 s，CPR的紋波約為5 mV，而LDO的輸出電壓紋波減小至2.3 V，即高頻處PSR約為-66 dB。因此論文采用的LDO在生物信號頻率處（DC-10 kHz）與輸入信號頻率處（100 MHz以上）具有較好的PSR。表2對相關(guān)文獻與本文設(shè)計進行性能比較，可以看出，該電源管理單元能輸出性能更好的工作電壓。
4 結(jié) 語
論文針對CPR、LDO、BGR進行研究，設(shè)計了一種應(yīng)用于低功耗無線供能植入式醫(yī)療芯片的能量管理單元。采用SMIC 0.18 m CMOS工藝提供的本征MOS管使CPR的效率得到提升。利用PSRB將BGR的PSR在低頻處從-75 dB降低到-95 dB，這是優(yōu)化LDO電源抑制能力的基本前提。通過FWC、零極點追蹤補償改善LDO的PSR與穩(wěn)定度，在驅(qū)動0.2 mA的負(fù)載電流時，PSR為-85 dB@DC，而相位裕度在負(fù)載范圍內(nèi)均大于60度，該性能可適用于對電源性能要求較高的模塊。
參考文獻
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本論文以智能IC卡水表系統(tǒng)為研究對象，重點探討了基于MSP430F413型超低功耗單片機在低功耗智能儀表上的應(yīng)用與開發(fā)。論文首先提出利用IC卡技術(shù)智能水表系統(tǒng)的總體設(shè)計方案；設(shè)計了系統(tǒng)控制的硬件電路結(jié)構(gòu)和研究了軟件控制流程的實現(xiàn)，采用軟硬件結(jié)合的方法，對系統(tǒng)的低功耗、抗干擾性設(shè)計及安全性問題作了一定的分析與研究。
MSP430F413簡介
TI公司MSP430 F413系列單片機是一種超低功耗的混合信號控制器，其中包括一系列器件，它們針對不同的應(yīng)用而由各種不同模塊組成。它們具有16位RISC結(jié)構(gòu)，CPU的16個寄存器和常數(shù)發(fā)生器使MSP430微控制器能達到最高的代碼效率。靈活的時鐘源可以使器件達到最低的功率消耗。數(shù)字控制的振蕩器(DCO)可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在小于6μs的時間內(nèi)被激活到正常的工作方式。MSP430F413系列單片機的16位定時器是應(yīng)用于工業(yè)控制如紋波計數(shù)器、數(shù)字化電機控制、電表、水表和手持式儀表等的理想配置，其內(nèi)置的硬件乘法器大大增強了其功能并提供了與軟硬件相兼容的范圍，提高了數(shù)據(jù)處理能力。
智能水表的工作原理
本文設(shè)計的智能水表的工作原理：用戶先購買IC卡(用戶卡)，并攜帶IC卡至收費工作站交費購水，工作人員將購水量等信息寫入卡中。用戶將卡插入IC卡水表表座內(nèi)時，IC卡水表內(nèi)單片機識別IC卡密碼，校驗并確認(rèn)無誤后，將卡中購水量與表內(nèi)剩余水量相加后(初次使用時，剩余水量為零)，寫入IC卡水表內(nèi)的存儲器，進而控制電閥開通閥門供水。
用戶在用水過程中，帶磁感器的葉輪在水流的沖擊下轉(zhuǎn)動，通過磁傳遞，帶動上表罩上的梅花齒輪轉(zhuǎn)動并使多極齒輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機械累計計量，每當(dāng)計量到0.01m3時由位于0.01m3處的計量傳感器向單片機發(fā)出同步的計量脈沖信號，此時，MSP430F413將輸入的有效脈沖計入并計算用水量，IC卡水表內(nèi)剩余水量就會相應(yīng)的減少一個計量單位，累計用水量就會增加一個計量單位，LCD顯示屏上顯示剩余水量等相關(guān)用水?dāng)?shù)據(jù)。當(dāng)剩余水量低于一個定量時(有一個事先設(shè)定好的最低剩余水量值)，IC卡水表的報警系統(tǒng)啟動(蜂鳴器響起)，提醒用戶及時到供水部門再次購水，這時，LCD顯示屏上顯示“請購水”字樣。當(dāng)剩余水量為一1時，單片機驅(qū)動電閥自動關(guān)閉，切斷水源，停止供水并報警。在用戶重新購水讀卡存入后，再開通電閥供水。在正常情況下，閥門處于開通狀態(tài)，當(dāng)遇到剩余水量為-1或者電池電壓小于3V等其他特殊情況時閥門會由開通變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)。
系統(tǒng)方案設(shè)計
本文設(shè)計的智能水表系統(tǒng)主要由微處理器、流量傳感器、電動閥門、IC卡讀／寫器、LCD液晶顯示及電源等組成，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計
系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示。
①電源低電壓檢測電路
本系統(tǒng)采用三節(jié)干電池4.5V作為供電電源，使用一段時間后，干電池會放電，為了保證整個系統(tǒng)，特別是閥門的正常工作，需要對電源進行實時檢測，當(dāng)電能不能滿足系統(tǒng)要求時，及時報警提醒用戶更換電池，以免造成不必要的麻煩。
為提高智能水表運行的可靠性和安全性，設(shè)計中采用電源電壓實時監(jiān)測電路。如圖3所示。電壓檢測芯片采用日本理光R3111H30lC低電壓檢測芯片，R3111H301C輸出電壓為3.0V，最大工作電流為3.0μA，一般情況下的工作電流僅為1.0μA，高精度集成，完全滿足系統(tǒng)低功耗設(shè)計的要求。當(dāng)電源電壓正常時，芯片的輸出腳輸出為高電平；當(dāng)電源電壓小于3.0V時，輸出腳輸出低電平，即P1.1輸出低電平，P1.1下降沿中斷有效，單片機檢測到該信號時即轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序處理，這時LCD液晶顯示“換電池”字樣，同時蜂鳴器報警提示用戶更換電池，MSP430F413內(nèi)部基本定時器使能中斷，定時1s檢測電壓是否回升，如果回升蜂鳴器再次發(fā)出一聲警報提示，LCD液晶上的“換電池”顯示字樣清除。如沒有回升，則關(guān)閉閥門，直到用戶更換電池，才再次開啟閥門供水。由于MSP430F413工作用電壓是3.0V，所以需要一個電壓轉(zhuǎn)換芯片將4.5V電壓轉(zhuǎn)換成3.0V供MSP430F413和其他模塊使用，本電路中用的是RH5RL30AA一電壓調(diào)整芯片，它具有高精度的輸出電壓，工作電流極低只有1.1μA。
②脈沖采集電路
本系統(tǒng)中水表的基表采用符合ISO4064B標(biāo)準(zhǔn)的旋翼式冷水水表。該表計數(shù)機構(gòu)與測量機構(gòu)經(jīng)磁耦合傳動，采用干簧管傳感器計量發(fā)訊，每流經(jīng)0.01m3水時產(chǎn)生一個脈沖。為了有效防止各種可能的干擾抖動而產(chǎn)生的多計數(shù)現(xiàn)象，本設(shè)計中采用雙干簧管雙脈沖通過由電容和電阻組成的防抖電路輸入單片機計數(shù)，當(dāng)兩個脈沖輸入段依次有脈沖輸入的時候才產(chǎn)生一個有效脈沖計數(shù)，兩個脈沖有互鎖功能，P1.3和P1.4作為脈沖輸入端。每輸入一個脈沖，在存儲器中減去相應(yīng)水量。表內(nèi)設(shè)有磁保護裝置，具有較強的抗外磁干擾能力。
③閥門控制電路
閥門控制是水表控制系統(tǒng)中一個很敏感的部分，關(guān)啟閥門的可靠性差，將會給供水部門帶來很大的問題。本系統(tǒng)采用的是電動球閥，工作電壓3V，工作時電流僅50mA。設(shè)計中利用直流電機帶動半球閥正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的方式來控制閥門的開啟和關(guān)閉。利用MSP430F413單片機的P6.6和P6.7來控制閥門的正反轉(zhuǎn)動，利用MSP430F413內(nèi)部比較器(P1.6CA0，P1.7CA1)檢測堵轉(zhuǎn)電流來控制電機運行。當(dāng)電機正常工作時，CA0>CAl，一旦堵轉(zhuǎn)，電流迅速增大，CAOUT=0，來通知MSP430F413電機轉(zhuǎn)到位。定時器定時1s檢測電機是否到位，有效地解決閥門關(guān)閉不可靠問題。當(dāng)正向端輸入高電平，反向端輸入低電平時，閥門開啟；反之，閥門閉合。當(dāng)單片機P6.7口輸入低電平、P6.6口輸入高電平時，正向端(ON)輸出高電平，反向端(OFF)輸出低電平，開啟閥門，開啟到位時，由單片機P1.5口輸入檢測信號，動作停止；反之，正向端輸出低電平，反向端輸出高電平，關(guān)閉閥門，同樣由單片機P1.5口輸入關(guān)閉到位檢測信號。
2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計
圖4是主程序流程圖。單片機上電復(fù)位后主程序采用順序執(zhí)行的方法，逐個掃描各個自定義標(biāo)志位，檢查是否有動作發(fā)生，若有發(fā)生則轉(zhuǎn)入相應(yīng)子程序處理，處理完后回到主程序，繼續(xù)掃描其后的標(biāo)志位，最后進入低功耗狀態(tài)，等待下一次中斷喚醒，喚醒后同樣循環(huán)一遍，又進入低功耗狀態(tài)。由于各信號以中斷的方式進入的，所以要特別注意中斷的優(yōu)先級及中斷的嵌套問題。采用模塊化方法設(shè)計各個子程序。根據(jù)不同功能，定義了不同的功能模塊。明確入口出口，相互之間的調(diào)用關(guān)系，以供調(diào)用。主要軟件模塊有：IC卡讀寫模塊，液晶顯示模塊，計量模塊，F(xiàn)LASH讀寫模塊，低電壓保護模塊等。上電后首先對系統(tǒng)進行初始化。初始化包括對內(nèi)部存儲器單元清零、特殊功能寄存器置初值、液晶顯示的設(shè)置等。接著進入主循環(huán)，判斷故障、電源電壓是否正常等，若一切正常則開閥供水。無論在什么情況下只要有低電壓信號出現(xiàn)，系統(tǒng)就提示欠壓，蜂鳴器報警，液晶顯示，提示用戶更換電池：當(dāng)剩余水量低于設(shè)定值時，系統(tǒng)液晶顯示提醒用戶“請購水”，如果用戶沒有及時購水重新插卡充值，當(dāng)剩余水量為負(fù)時，系統(tǒng)控制閥門關(guān)閉，停止供水。
3 系統(tǒng)低功耗的設(shè)計
在單片機控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的功耗往往和電源電壓的大小成一定比例關(guān)系，電源電壓高，系統(tǒng)的功耗相應(yīng)的也會增大，因此在功耗要求很嚴(yán)格的智能水表控制系統(tǒng)中，在保證功能的前提下，盡量選擇低的電源電壓。本系統(tǒng)中選用三節(jié)堿性干電池4.5V供電。本文所設(shè)計的智能水表的能耗主要由三部分構(gòu)成：第一部分是控制器中單片機(CPU)液晶正常運行時的持續(xù)性能耗，這是主要的功耗；第二部分是IC卡水表執(zhí)行機構(gòu)(電閥)動作時的瞬時能耗；第三部分是IC卡水表一些輔助功能如聲音報警等的能耗。上述智能水表能耗的第一、二部分占了總能耗的95％以上。因此，在設(shè)計時主要考慮：選擇低功耗電動閥；選擇低功耗器件(CMOS型)；選擇低的工作電壓和低的工作頻率；軟件設(shè)計時選擇低功耗的系統(tǒng)運行模式。
4 系統(tǒng)抗干擾的設(shè)計
本系統(tǒng)中抗干擾設(shè)計從兩方面來考慮，一是在硬件設(shè)計上采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣硪种坪拖蓴_，例如采用電磁干擾濾波器，如圖5所示。另一方面是從系統(tǒng)軟件設(shè)計上采取一定措施來提高系統(tǒng)的抗干擾能力，即使系統(tǒng)受到干擾，也能自動地快速恢復(fù)正常上作。如：盡量減少中斷源，采用中斷與查詢相結(jié)合的方法，保持盡，可能短的中斷開放時間，隨開隨關(guān)；在程序關(guān)鍵的地方人為地插入空操作指令，保護CPU在受到干擾，程序“彈飛”時指令不被拆散等軟件措施。
【關(guān)鍵詞】 WiFi技術(shù) MSP430F5438 W5200 視頻傳輸
一、視頻傳輸系統(tǒng)發(fā)送端的硬件設(shè)計
1.1 發(fā)送端組成框圖
發(fā)送端由處理器模塊、視頻采集模塊、WiFi模塊、復(fù)位電路、電源電路、時鐘電路、JTAG接口電路組成。如圖1所示。
（1）處理器模塊：本文選用MSP430F5438作為處理器模塊，它是整個分站的心臟，負(fù)責(zé)完成各芯片的驅(qū)動、數(shù)據(jù)的收發(fā)處理。（2）視頻采集模塊：通過攝像頭進行井下視頻的采集。（3）WIFI發(fā)送模塊：選用WIFI模塊，將采集到的視頻信號向上傳輸。（4）FLASH存儲器：主要用作程序代碼、數(shù)據(jù)表格以及用戶信息的存儲。（5）JTAG接口電路：它是電路板調(diào)試時的調(diào)試接口，是用來完成燒寫操作的。（6）復(fù)位電路：對電路進行復(fù)位操作。（7）電源電路：給MSP430和WIFI模塊供電。（8）時鐘電路：對各個指令的執(zhí)行進行時間控制。
1.2 發(fā)送端各單元模塊設(shè)計
1.2.1 處理器模塊
處理器是發(fā)送端的核心部分，主要負(fù)責(zé)各個模塊的通信，視頻采集處理，并將采集的信息上傳給模塊，同時通過控制WiFi模塊LTM22實現(xiàn)無線收發(fā)數(shù)據(jù)。
本模塊的主控制器選用了功能強大、功耗低的MSP430F5438，MSP430F5438單片機的封裝具有100個引腳，并且能工作在低功耗狀態(tài)下。該微處理器芯片因為有較好的市場潛力和靈活強大的應(yīng)用特性，迅速在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用和較快的發(fā)展。芯片硬件擴展能力強，內(nèi)存空間大，下載和調(diào)試程序非常方便，同時單片機Flash存儲器空間達到256K，內(nèi)部RAM達到16KB，可以在系統(tǒng)寫入底層驅(qū)動程序和TCP/IP協(xié)議棧的同時擁有足夠大的內(nèi)存空間來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。
該芯片的主要特點如下：（1）可以在超低功耗狀態(tài)下正常工作。芯片工作電壓為1.8V-3.6V，工作電流為0.1uA-400uA，6us就可以低功耗模式下喚醒。（2）硬件處理能力很強。寄存器尋址方式多樣，指令系統(tǒng)簡潔，擁有16位精簡指令結(jié)構(gòu)。片內(nèi)存儲器和寄存器可進行數(shù)字和邏輯運算，多個中斷源可以實現(xiàn)嵌套。（3）外設(shè)資源豐富。256KB的Flash存儲器，12位A/D轉(zhuǎn)換，16位定時器，2個通用串行接口，硬件乘法器，看門狗計數(shù)器和內(nèi)部溫度傳感器等。（4）系統(tǒng)工作穩(wěn)定。晶體振蕩器起振穩(wěn)定后，可以根據(jù)設(shè)定的系統(tǒng)時鐘頻率來工作，如果程序跑飛，看門狗電路會產(chǎn)生復(fù)位信號以便保證系統(tǒng)正常運行。
1.2.2 WiFi模塊
視頻發(fā)送端的WiFi模塊的芯片選用了LTM22。LTM22芯片是針對IEEE802.11/WiFi無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，LTM22芯片采用增強型8051MCU、128KB閃存、8KB的RAM等高性能模塊，并內(nèi)置了IEEE802.11協(xié)議棧。加上超低功耗，使得它可以用很低的費用構(gòu)成WiFi節(jié)點，這種解決方案能夠提高性能并滿足以為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM波段應(yīng)用對低成本，低功耗的要求。同時，LTM22的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用，LTM22電路圖如圖2所示。
1.2.3 電源電路
供電模塊選擇芯片AS1117。AS1117 是一款低壓差的線性穩(wěn)壓器，當(dāng)輸出 1A 電流時，輸入輸出的電壓差典型值僅為1.2V。AS1117 除了能提供多種固定電壓版本外，還提供可調(diào)端輸出版本，該版本能提供的輸出電壓范圍為 1.25V～13.8V。AS1117 提供完善的過流保護和過熱保護功能，確保芯片和電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時在產(chǎn)品生產(chǎn)中應(yīng)用先進的修正技術(shù)，確保輸出電壓和參考源精度在±1%的精度范圍內(nèi)，電源模塊電路圖如圖3所示。
1.2.4 JTAG接口電路
JTAG接口是電路板調(diào)試時的調(diào)試接口，是用來完成燒寫操作的。為程序的調(diào)試提供了極大的方便，可以讓用戶使用單步運行、設(shè)斷點等調(diào)試手段。JTAG信號接口定義如下：（1）TCK返回的測試時鐘輸出。（2）TDO JTAG接口的測試數(shù)據(jù)輸出。（3）TDI JTAG接口的測試數(shù)據(jù)輸入。（4）TCK JTAG接口的測試時鐘。（5）TMS JTAG接口的測試模式選擇。（6）RST JTAG接口的測試復(fù)位。
JTAG接口主要用于連接仿真器，仿真器通過JTAG接口可以對存儲器中代碼進行在線編程和功能調(diào)試。標(biāo)準(zhǔn)的4線JTAG調(diào)試接口的作用分別是數(shù)據(jù)輸入（TDI）和數(shù)據(jù)輸出（TDO）、時鐘輸入（TCK）、模式選擇（TMS）。 MSP430F5438與前期開發(fā)的一些單片機系列有所不同，JTAG接口完全獨立，因為不再與I/O 口復(fù)用，方便調(diào)試，JTAG接口電路圖如圖4所示。
二、視頻傳輸系統(tǒng)的軟件設(shè)計
軟件系統(tǒng)采用μC/OS-II實時操作系統(tǒng)，主程序用C語言編寫。主要包括攝像頭采集、WIFI、收發(fā)數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控中心顯示等，系統(tǒng)軟件框架如圖5所示。
關(guān)鍵詞：微型加速度計 手勢小車 AT指令
中圖分類號：TP334.2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）11-0164-01
加速度計是一種應(yīng)用十分廣泛的慣性傳感器，大多采用微機電技術(shù)（MEMS）進行設(shè)計和制造，具有體積小、重量輕、能耗低等優(yōu)點。對加速度值求二次積分可以得到位移，同時也可以利用MEMS加速度計計算傾角，從而判斷在二維平面中的位置。
手勢控制作為一種正在蓬勃發(fā)展的現(xiàn)代控制方式，具有操作簡單直觀、靈活性高、科技感強等特點，它建立起了人機交互，使控制過程更加安全、生動有趣，改善了傳統(tǒng)控制方式的缺陷。
1 系統(tǒng)方案設(shè)計
基于MEMS的藍牙手勢小車由兩部分組成：發(fā)送部分和接收部分。發(fā)送部分由MEMS加速度計ADXL345、STC89C52、5V直流電源、藍牙主從一體機模塊HC-05組成；接收部分由2WD小車、直流電機、電機驅(qū)動模塊L298N、兩節(jié)3.7V可充電鋰電池、STC89C52、藍牙從機HC-06組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)
2.1 主控器與ADXL345加速度傳感器
本設(shè)計采用STC89C52作為主控芯片，STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器。ADXL345是一款3軸、低功耗、具有C和SPI接口的數(shù)字輸出MEMS加速度計，分辨率高達13位，測量范圍達± 16g。
2.2 藍牙傳輸系統(tǒng)
藍牙傳輸系統(tǒng)由主機HC-05與從機HC-06組成，其中HC-05是藍牙主從一體機，由于它的默認(rèn)模式是從機模式，因此需要通過AT指令將其設(shè)置成主機模式。藍牙被設(shè)置為主機模式后可主動搜索附近的藍牙設(shè)備并建立連接，藍牙主機與從機之間未連接成功時，主機上的LED不停地閃爍，連接成功后長亮。然后主機將來自手勢控制端的指令發(fā)送給從機，從機將接收到的數(shù)據(jù)傳給單片機處理。
2.3 小車部分
小車部分通過藍牙從機接收來自控制端的指令，根據(jù)指令來改變自身的運動狀態(tài)，小車跟隨手勢運動，達到了與手勢同步的效果。小車速度的調(diào)整由PWM波控制，在本設(shè)計中是通過控制L298N的EN引腳電平高低實現(xiàn)的，EN引腳高低電平持續(xù)的時間不同，就輸出不同占空比的PWM波，不同的占空比的PWM波對應(yīng)著不同的輸出功率，不同的功率下小車速度也就不同。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
控制端主程序包括初始化串口、ADXL345初始化、讀出姿態(tài)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、判斷當(dāng)前姿態(tài)并轉(zhuǎn)化為控制指令。單片機根據(jù)ADXL345檢測到的當(dāng)前手勢傾角發(fā)送控制指令，總共有9種控制指令，每種控制指令對應(yīng)著一種手勢姿態(tài)。利用活動和非活動檢測功能，為每種姿態(tài)設(shè)定一個閾值來表征該姿態(tài)是否達到，然后發(fā)送與其對應(yīng)的控制指令。
接收端主程序包括初始化串口和接收數(shù)據(jù)，根據(jù)控制端的手勢來調(diào)整小車的運動狀態(tài)。控制端的3個向前指令分別控制小車勻速向前、以加速度a1向前、以加速度a2向前運動，a1 >a2，這樣達到手越向前傾小車速度越快的效果，向后的3個指令也是同理。向左指令控制小車左轉(zhuǎn)，向右指令控制小車右轉(zhuǎn)，為了使小車轉(zhuǎn)彎更加緩慢平滑，采用PWM控制速度。控制板的平放手勢對應(yīng)小車的停止?fàn)顟B(tài)。
4 結(jié)語
介紹了一種MEMS微加速度計的藍牙手勢小車的設(shè)計方案，通過ADXL345加速度傳感器檢測手勢，然后將手勢控制指令通過藍牙發(fā)送給小車，改變其運動狀態(tài)。經(jīng)過實際制作測試能達到手勢控制的效果，并且準(zhǔn)確性好、控制靈敏、直觀、操作簡單，有利于實現(xiàn)人機交互。
參考文獻
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[3]陳建新，卜翔，王榮等.基于MEMS加速度的三維無線鼠標(biāo)設(shè)計與實現(xiàn)[J].無線互聯(lián)科技，2011（8）：22-25.
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關(guān)鍵詞：PPG 藍牙 脈搏波監(jiān)測 智能手表
中圖分類號：R443 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）05-0000-00
1引言
步入2013年，穿戴式設(shè)備，智能手表市場方興未艾，各種產(chǎn)品充斥著市場。但是，大多數(shù)產(chǎn)品都存在價格昂貴，實用性低的缺點。針對這種現(xiàn)象，我們提出一種基于藍牙技術(shù)的低成本智能手表。
由于社會的發(fā)展，生活水平的提高，人們對自身的健康越來越重視，為了迎合消費者的保健意識，提高消費者的健康水平，我們在智能手表上，利用PPG技術(shù)，實時監(jiān)控用戶的脈搏。人們可以在手表上實時觀看自己的脈搏，當(dāng)脈搏異常時候，手表會發(fā)出報警，提醒用戶，對用戶的健康提供有力保障。
同時，我們在PC上開發(fā)配套軟件，用戶可以通過手表將脈搏數(shù)據(jù)傳遞到PC上，軟件通過數(shù)據(jù)分析，評估用戶的健康情況。用戶可以通過軟件的數(shù)據(jù)分析，及時調(diào)整自己的保健計劃。
2 系統(tǒng)的主要硬件部分
2.1 系統(tǒng)框架圖1
2.2 藍牙模塊
藍牙模塊采用臺灣創(chuàng)杰科技（ISSC）的IS1681SM，該模塊是藍牙3.0。在功耗方面，比藍牙4.0差，但是在穩(wěn)定性方面，比現(xiàn)在市場上大部分藍牙4.0要好（藍牙4.0與手機相連經(jīng)常會出現(xiàn)斷線情況，此外，暫時大部分手機沒有藍牙4.0）。另外，此芯片待機電流可低至2mA，滿足便攜式產(chǎn)品低功耗的要求。與藍牙4.0相比，此芯片在價格上有絕對的優(yōu)勢。
2.3 PPG模塊
光電容積脈搏波描記法（ Photo--PlethysmoGraphy，PPG），是利用光束照射到活體組織表面，光束進入體內(nèi)后通過反射或者透射的方式返回到光電傳感器，通過信號處理得到了人體脈搏參數(shù)，具有無創(chuàng)性、便捷性、抗干擾能力強等特點。
傳統(tǒng)的光電脈搏波描記方法分為透射式和反射式，測量時都是需要緊貼皮膚表面的，這給使用者帶來不便。特別在冬天衣服厚重的情況下，測量者需要除去衣服，露出皮膚，測量脈搏波就顯得更加困難
采用改進型PPG技術(shù)，利用紅外反射光檢測方式，通過差分放大器、濾波器、程控放大器后實現(xiàn)PPG信號采集，得到用戶的實時脈搏信號。PPG模塊流程如圖2。
2.4 主控MCU
本次系統(tǒng)采用的主控芯片是Silicon公司的Sim3U164芯片，該芯片是32位的Cortex-M3內(nèi)核。芯片自帶時鐘管理，最高時鐘為80M，滿足高速運行；在休眠模式時可以將時鐘調(diào)整到2.5M，滿足便攜式產(chǎn)品低功耗的要求。
此外，該芯片自帶ADC、PWM、DAC、兩路串口、兩路SPI、RTC、中斷管理、低功耗模式，完全滿足藍牙手表的設(shè)計要求。
利用該公司提供的AppBuilder軟件，方便代碼生成，提高了開發(fā)效率。Appbuilder 是專為Openbiz Cubi平臺而設(shè)計的元數(shù)據(jù)集成開發(fā)環(huán)境。具有交互性圖形界面。它包含了兩個功能強大且簡單易用的生成向?qū)?以及 直觀的元數(shù)據(jù)編輯器。加入ucosII系統(tǒng)，使系統(tǒng)更加完善。
3系統(tǒng)工作流程圖
圖3為系統(tǒng)工作流程圖。
手表只設(shè)置了兩個按鍵，通過左鍵短按、右鍵短按、左鍵雙擊、右鍵雙擊、左鍵長按、右鍵長按、左右按鍵同時按下在各個模式間進行切換。正常模式下，OLED顯示時間，電池電量，藍牙是否連接，音樂是否播放還有音量值。在無任何操作（按鍵操作或者藍牙返回指令）時間達到15s時，進入休眠模式。休眠模式下，只有串口接收到藍牙數(shù)據(jù)和按鍵才可以喚醒MCU，喚醒后返回正常模式。此外，手表還有關(guān)機模式，設(shè)置模式，秒表模式，更新模式等。
4 系統(tǒng)測試
圖4是我們在測試板上測試整體系統(tǒng)架構(gòu)的照片。
為了便于觀察PPG模塊工作情況，測試時我們將程控放大器的輸出端接入數(shù)字示波器輔助觀察。對直接緊貼皮膚檢測后的濾波結(jié)果進行分析。如右圖，是測試對象在緊貼皮膚，沒有間隔衣服的情況下，測試手腕位置的脈搏波。可以看出脈搏波被清晰的描記出來。
4.1功耗分析
所有穿戴式產(chǎn)品都要面對一個關(guān)鍵問題――功耗，如何降低產(chǎn)品的功耗，是穿戴式產(chǎn)品能否取得成功的關(guān)鍵。
為了節(jié)省功耗，做了以下設(shè)計：（1）設(shè)置了睡眠模式，在睡眠模式下關(guān)閉處理串口外的其他外設(shè)，將OLED設(shè)置為休眠模式；（2）電機震動采用震動2s停止2s的方式間隔震動；（3）在手機沒有播放音樂或者不需要語音報號時，關(guān)閉喇叭，在播放音樂或者語音報號時，才開啟喇叭。
4.2關(guān)機模式下斷開藍牙供電
經(jīng)過一年的努力，我們完成了最終的智能手表成品，手表基于藍牙3.0與智能手機通信，實現(xiàn)電話接聽、撥打、電話本同步、MP3等功能，并實現(xiàn)人體脈搏波信號的可穿戴設(shè)備監(jiān)測，通過改進PPG探頭，實現(xiàn)信號非接觸檢測，提高用戶使用舒適度。
5結(jié)語
本課題自2014年5月正式開始，我們利用課余空閑時間，在課題計劃的指導(dǎo)下，學(xué)習(xí)新知識，并將知識付諸于實踐當(dāng)中。
在不斷的調(diào)試過程中，我們遇到許多不同種類的問題，屏幕無法顯示，程序沒有按照我們的預(yù)想進行；硬件知識不足夠，無法制作出合適的濾波電路；器件意外燒毀，一次次的失敗雖然打擊我們，也給了我們戰(zhàn)勝它的決心。
在和指導(dǎo)老師的不斷溝通中，我們對我們遇到的問題進行了總結(jié)，和組員重新思考了整體程序結(jié)構(gòu)，在這個過程中，既鍛煉了我們的溝通能力，又讓我們的專業(yè)技能得到了明顯的提升，我們每個人也學(xué)會了如何從整體出發(fā)設(shè)計一個定制的應(yīng)用系統(tǒng)。
從去年開始課題，除寒假中斷了一段時間外，我們一起合作，共同克服困難，不斷進步不斷飛躍。進行至今，我們已經(jīng)完成了生理監(jiān)護藍牙智能手表的整體設(shè)計，論文撰寫，實物制作，調(diào)試通過。
參考文獻
[1]Jean J.Labrosse著.《uC/OS-II-源碼公開的實時嵌入式操作系統(tǒng)》.劭貝貝譯.北京：中國電力出版社，2001.？
[2]任哲.嵌入式實時操作系統(tǒng)uC/OS-II原理及應(yīng)用.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.
論文摘要:根據(jù)當(dāng)今移動終端設(shè)備多功能、低功耗、易于移植的要求,分別從硬件和軟件系統(tǒng) 2 方面提出了一種基于三星μS3C2440 芯片的嵌入式多媒體娛樂控制器的解決方案,同時介紹了利用 CLinux 構(gòu)造嵌入式系統(tǒng)的方法,并提出了基于MiniGUI開發(fā)多媒體娛樂軟件的基本方案。通過測試,系統(tǒng)能夠滿足用戶在文字、音視頻處理以及常用有線、無線數(shù)據(jù)交換等多方面的要求。
由于移動通信技術(shù)的高速發(fā)展,移動電話早已超出原有的進行語音通信的領(lǐng)域,正逐步成為手持娛樂終端的中心。手機用戶希望自己的手機在完成通信基本功能的同時還能作為 PDA、MP3 播放器、數(shù)碼相機、攝像機、視頻播放機等。因此,設(shè)計出多功能、低功耗的多媒體終端至關(guān)重要。ARM+Linux系統(tǒng)具有低功耗、易移植、便于定制的特點,所以我們采用其作為系統(tǒng)設(shè)計的理想平臺。
系統(tǒng)設(shè)計
本方案由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)2 部分構(gòu)成,其中硬件系統(tǒng)采用三星的具有 ARM920T 核的 16/32 位多功能、低功耗的嵌入式處理器 S3C2440。S3C2440 是韓國三星公司推出的一款高檔的,可用于手持設(shè)備、智能家電等便攜產(chǎn)品開發(fā)的嵌入式微處理器,其主頻處理速度達到400 MHz,完全可以滿足音頻和視頻的處理要求。其主控制芯片及豐富的外圍接口電路可用于創(chuàng)建連接各類設(shè)備的集成化驅(qū)動程
序和協(xié)議堆棧,如讀寫 USB 的接口、MMC/ CF 多媒體卡接口、AC97 音頻接口、無線網(wǎng)絡(luò)接口、IrDA 紅外接口等,給用戶提供了多種與其他系統(tǒng)進行信息交互的功能,可以自由地實現(xiàn)文字、聲音和圖像資料的交換。軟件系統(tǒng)包括μCLinux操作系統(tǒng)、圖形用戶接口 GUI,方便用戶根據(jù)自身的需要,開發(fā)相應(yīng)的多媒體應(yīng)用程序。uCLinux 操作系統(tǒng)高效穩(wěn)定,提供了完成嵌入功能的基本地內(nèi)核,能夠處理嵌入式任務(wù)和用戶界面,更由于其開發(fā)源碼、定制方便以及易于移植,并不需要 MMU 的支持,可廣泛地用于各種嵌入式系統(tǒng)中。
1 硬件系統(tǒng)
硬件系統(tǒng)S3C2440構(gòu)成核心電路系統(tǒng),該芯片采用RISC結(jié)構(gòu),除具有一般嵌入式芯片所具有的總線,SDRAM控制器以外,還具有豐富的擴展功能接口,內(nèi)部集成了TFT/ STN LCD和觸摸屏控制器、 USB Slave ,USB Host , Ir2DA紅外接口、 SD & MMC存儲卡接口、 AC97數(shù)字音頻接口等大量的功能模塊。同時,通過外擴的PCI總線,使得系統(tǒng)具有很強的擴展和升級能力,提供了極其豐富的人機交互接口。該芯片采用1. 2 V的工作電壓,功耗很低,能夠滿足消費類電子電源對功耗的要求。同時,電源管理模塊能夠提供系統(tǒng)多種電壓供電,包括芯片內(nèi)核電壓采用1. 8 V供電,芯片的I/ O部分采用3. 3 V供電,而片外的一些常規(guī)集成電路又采用5 V供電。智能電源管理模塊很好地解決了對系統(tǒng)各個部分供電要求的不同,降低了功耗,減少了不同電源之間的干擾噪聲,提高了系統(tǒng)的集成度。由于S3C2440芯片內(nèi)部沒有實現(xiàn)PCI總線,為了使系統(tǒng)具有更強的擴展和升級能力,通過外圍的PCI總線控制器芯片實現(xiàn)系統(tǒng)總線的擴展。該芯片支持PCI2. 1協(xié)議規(guī)范,在33 MHz的總線時鐘頻率下,其峰值傳輸速度可達133 MB/ s ,完全可以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｍㄟ^PCI總線實現(xiàn)藍牙接口和無線網(wǎng)絡(luò)接口,滿足用戶遠距離數(shù)據(jù)傳輸和無線網(wǎng)絡(luò)的要求。同時,系統(tǒng)可以連接2.5英寸或者1. 8英寸的小型硬盤,實現(xiàn)用戶信息的移動存儲,用戶可以根據(jù)需要擴大存儲容量。由于在系統(tǒng)中采用了PCI總線控制器,擴展出了PCI總線,使得系統(tǒng)在某種意義上相當(dāng)于一臺小型PC機,用戶可以很方便地進行硬件系統(tǒng)的擴展和升級。為了滿足有些場合的人機交互,不同于一般的PC機系統(tǒng),要求快捷、 方便的操作要求,我們采用6. 4英寸高亮度彩色TFT LCD觸摸屏,用戶與上層多媒體處理軟件的交互直接通過觸摸屏方式實現(xiàn),提供了良好的人機接口。
圖1為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。
SHAPE \* MERGEFORMAT
嵌入式多媒體控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖
2、軟件部分
軟件系統(tǒng)由μCLinux 操作系統(tǒng)、 嵌入式圖形用戶界面支持系統(tǒng) MiniGUI構(gòu)成。 μCLinux操作系統(tǒng)包括引導(dǎo)裝載程序、 嵌入式Linux 內(nèi)核、 必要的設(shè)備驅(qū)動程序、 文件系統(tǒng)J FFS2 等,具有高度模塊化、 易于定制、 可移植性好等優(yōu)點。引導(dǎo)裝載程序Boot Loader 是系統(tǒng)加電后運行的第一段軟件代碼。通過這段小程序,可以初始化硬件設(shè)備、 建立內(nèi)存空間的映射圖,從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài),以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。每種不同的 CPU 體系結(jié)構(gòu)都有不同的 Boot Loader ,Boot Loader 是嚴(yán)重依賴于硬件而實現(xiàn)的。本系統(tǒng)采用基于ARM920T核的Boot Loader ,且根據(jù)系統(tǒng)硬件設(shè)備的實際配置修改了Boot Loader 的源程序,使他能夠運行到我們的系統(tǒng)上。所設(shè)計的系統(tǒng)提供了最大128 M可選的 SDRAM和最大128 M可選的 FLASH存儲器,系統(tǒng)運行小型的,經(jīng)過裁剪的Linux 微內(nèi)核。微內(nèi)核由內(nèi)存管理、 進程管理和事務(wù)處理構(gòu)成,包括了所有核心的操作系統(tǒng)功能在內(nèi)。μCLinux 操作系統(tǒng)本身的微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡單,系統(tǒng)要求的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和文件系統(tǒng)以模塊形式置于微內(nèi)核的上層,驅(qū)動程序和其他部件可在運行時作為可加載模塊編譯或是添加到內(nèi)核,這為構(gòu)造定制的可嵌入系統(tǒng)提供了高度模塊化的構(gòu)件方法。用戶可以結(jié)合定制的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序來實現(xiàn)自己的附加功能,大大減小了內(nèi)核的體積,便于維護和移植。其中,采用J FFS2 日志閃存文件系統(tǒng)管理非易失性存儲中的結(jié)構(gòu)化文件數(shù)據(jù),J FFS2 是專門為像閃存芯片那樣的嵌入式設(shè)備創(chuàng)建的,所以他的整個設(shè)計提供了更好的閃存管理,為掉電或系統(tǒng)崩潰等突發(fā)事件提供了很好的數(shù)據(jù)保護機制。
MiniGUI 是一種面向嵌入式系統(tǒng)或?qū)崟r系統(tǒng)的圖形用戶界面支持系統(tǒng),是遵循 L GPL 條款的純自由軟件,提供了完備的多窗口機制,多字符集和多字體支持,BMP , GIF ,J PEG,PCX,TGA 等常見圖像文件的支持等。他是建立在比較成熟的圖形引擎之上的,比如 SVGALib 和 LibGGI ,系統(tǒng)開發(fā)的重點在于窗口系統(tǒng)、 圖形接口之上,MiniGUI提供了大量的圖形應(yīng)用編程接口,包含全部功能的庫文件大小僅為 300 k左右,特別適合用在嵌入式系統(tǒng)上開發(fā)控制臺圖形用戶界面的應(yīng)用程序。同時,由于圖形抽象層( GAL)和輸入抽象層( IAL)概念的引入,將底層圖形硬件和上層的圖形操作和輸入處理分離開來,大大提高了 MiniGUI 的可移植性。利用 GAL 和 IAL ,MiniGUI可以在許多圖形引擎上運行,可以很方便地移植到基于ARM920T核的S3C2440系統(tǒng)上。
3 、多媒體娛樂應(yīng)用軟件的方案設(shè)計
基于 MiniGUI的嵌入式娛樂系統(tǒng)軟件,應(yīng)該最大限度滿足視聽娛樂的要求。能提供視頻播放、 音頻播放等多媒體處理軟件,個人信息管理軟件及無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。其中,音頻應(yīng)能支持 MP3 ,WMA , WAV 等格式,視頻支持 AVI(XviD &DivX4. 0 &5. 0)格式。個人信息管理程序提供備忘錄、 記事本、 名片夾等多種功能。無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供全功能的 Web 瀏覽器。用戶通過觸摸屏與應(yīng)用軟件進行交互,提供了友好的人機界面。
圖2 基于 MiniGUI的多媒體處理軟件架構(gòu)
SHAPE \* MERGEFORMAT
基于 MiniGUI的多媒體處理軟件架構(gòu)該系統(tǒng)中的所有應(yīng)用程序都以J FFS2 進程的形式執(zhí)行,MiniGUI提供應(yīng)用程序管理功能。所有的應(yīng)用程序都運行在同一個地址空間,這樣大大提高了程序之間的通訊效率。當(dāng)應(yīng)用程序之間需要通訊時,可以通過 MiniGUI 提供的 request/ response 接口實現(xiàn)。我們使用消息驅(qū)動作為應(yīng)用程序的創(chuàng)建構(gòu)架,觸摸屏的按擊由 MiniGUI支持系統(tǒng),窗口管理器收集,將其以事先約定的格式翻譯為特定消息,每一個多媒體處理應(yīng)用程序都包含有自己的消息隊列,支持系統(tǒng)將消息發(fā)送到應(yīng)用程序的消息隊列中,應(yīng)用程序建立一個消息循環(huán),在這個循環(huán)中讀取消息,應(yīng)用程序同時提供一個處理消息的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù),在消息循環(huán)中,系統(tǒng)調(diào)用此函數(shù),在此函數(shù)中處理相應(yīng)的消息,完成用戶的請求。
關(guān)鍵詞：智能家居；Zigbee；3G網(wǎng)絡(luò)；安全監(jiān)控
引言
隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展及人們生活水品的提高，越來越多的人不再滿足于傳統(tǒng)的家居生活方式，開始期望出現(xiàn)一種依托現(xiàn)代科技的全新的家居體驗，智能家居技術(shù)應(yīng)運而生[1]，無論在傳統(tǒng)家居還是智能家居中，安全問題一直是人們關(guān)注的焦點問題之一。而一般的家居控制僅擁有家庭局域網(wǎng)絡(luò)，只能在家庭內(nèi)部進行監(jiān)控[2]。本文在此基礎(chǔ)之上研究并設(shè)計了一種基于Zigbee及3G網(wǎng)絡(luò)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對家居系統(tǒng)的遠程監(jiān)控，并且能夠通過移動終端實時的了解家庭內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，提高家居生活的安全系數(shù)。
1系統(tǒng)架構(gòu)
本文研究設(shè)計的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)采用Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)加3G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，家居內(nèi)部的各種環(huán)境數(shù)據(jù)例如溫度，濕度等以及各家用電器的節(jié)點數(shù)據(jù)通過Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳送至嵌入式主控芯片，由嵌入式系統(tǒng)進行綜合分析處理，在此基礎(chǔ)之上，添加視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過在大門，陽臺等存在安全隱患的地方安裝攝像頭，進行視頻監(jiān)控，進一步提高家居安全系數(shù)。視頻數(shù)據(jù)也一并送至嵌入式主控系統(tǒng)，進行壓縮、編碼等處理。為了方便人們在外出的時候可以實時的了解家庭情況，本文將嵌入式系統(tǒng)收集并處理之后的各家居數(shù)據(jù)通過3G網(wǎng)絡(luò)接入Internet，用戶可以通過聯(lián)網(wǎng)的手機、平板電腦等隨身攜帶的移動終端實時的了解家庭內(nèi)部環(huán)境，實現(xiàn)對家居系統(tǒng)的遠程控制。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 智能家居監(jiān)控系統(tǒng)
2硬件設(shè)計
2.1 Zigbee無線局域網(wǎng)設(shè)計
Zigbee又被稱為紫峰技術(shù)，是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。一般這個協(xié)議規(guī)定的通信技術(shù)是一種傳輸距離較短且功耗較低的無線通信技術(shù)。其主要特點是低復(fù)雜度、低功耗、近距離、低成本、自組織、低數(shù)據(jù)傳輸速率。主要適合應(yīng)用于各類自動控制和遠程控制系統(tǒng)，可以嵌入到各種設(shè)備中。簡而言之，ZigBee技術(shù)就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。
本文采用的Zigbee技術(shù)為CC2530片上系統(tǒng)解決方案，CC2530是由德州儀器開發(fā)的一種典型的Zigbee技術(shù)解決方案，眾所周知，Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)需要一系列的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點作為支撐，本文采用的CC2530能夠建立起一個強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，但是所需要的成本相對于其他解決方案來說有很大優(yōu)勢，同時CC2530具有一些不同的運行模式，切換不同的運行模式可以有效地降低系統(tǒng)功耗，對整個系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性有著重要意義。
2.1.1Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>
采用何種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將決定局域網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點之間消息的傳遞方式。常見的Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三種：星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹湫途W(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒕W(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｐ切途W(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x定一個中心節(jié)點作為協(xié)調(diào)器，其周圍的相鄰終端節(jié)點均只與中心節(jié)點相互通信，中心節(jié)點作為整個網(wǎng)絡(luò)的核心，需要分析處理所有的數(shù)據(jù)，必須連續(xù)不間斷供電。樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫抢寐酚善鲗π切途W(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥龅囊恍┭a充即底層的若干個終端節(jié)點連接至路由器，各路由器再連接至協(xié)調(diào)器。通信時各終端的數(shù)據(jù)首先匯集到路由器，再由路由器傳送至協(xié)調(diào)器。網(wǎng)狀拓?fù)浼礃湫屯負(fù)渲械穆酚晒?jié)點可以與其附近的其他路由節(jié)點相互通信，信息傳輸方式更加復(fù)雜多變。三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
通過對上述各拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析，結(jié)合本文設(shè)計需求可知本文更加適合采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
2.1.2無線傳感網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點設(shè)計
終端節(jié)點是整個智能家居系統(tǒng)最基礎(chǔ)的部分，由傳感器采集模塊和Zigbee精簡功能設(shè)備集成而成。終端節(jié)點接收到協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)采集命令之后，將傳感器采集到的家居環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點，再由具有全設(shè)備功能的協(xié)調(diào)器節(jié)點傳送至嵌入式系統(tǒng)。
常規(guī)的家居環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳感器如溫度傳感器，濕度傳感器，煤氣濃度檢測傳感器等都有成熟的電路，本文設(shè)計中只需將傳感器模塊與Zigbee模塊結(jié)合即可組成無線傳感器。無線傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。在本文的星型Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校瑹o線傳感器作為終端節(jié)點只需與協(xié)調(diào)器節(jié)點之間相互通信，接收協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送的命令，并將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳送至協(xié)調(diào)器節(jié)點。無線傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3無線傳感器結(jié)構(gòu)
2.2 監(jiān)控視頻采集處理
在大門、陽臺、客廳等室內(nèi)一些必要的地方安裝基于USB接口的數(shù)字?jǐn)z像頭，將采集到的視頻數(shù)據(jù)通過USB接口直接送到嵌入式系統(tǒng)中進行壓縮及編碼處理。數(shù)字?jǐn)z像頭可以直接將采集的模擬視頻信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。數(shù)字視頻信號與模擬視頻信號相比具有抗干擾能力強，頻譜效率高，圖像失真少等優(yōu)點。目前市場上的攝像頭基本以數(shù)字?jǐn)z像頭為主，購買及安裝使用非常方便。嵌入式主控系統(tǒng)在接收到攝像頭發(fā)送的數(shù)字信號并進行壓縮處理之后將視頻數(shù)據(jù)通過3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至用戶的移動終端，方便用戶隨時通過視頻圖像了解家居內(nèi)的安全狀況。
3監(jiān)控系統(tǒng)功能實現(xiàn)
本文系統(tǒng)平臺采用ARM-Linux系統(tǒng)，其內(nèi)核功能與Linux操作系統(tǒng)非常相似，并沒有本質(zhì)區(qū)別，驅(qū)動程序需要實現(xiàn)的功能也一樣。只是在內(nèi)核編譯時，需要移植到ARM上的Linux系統(tǒng)所采用的編譯器以及一些頭文件和部分庫文件會依賴于具體的ARM處理器結(jié)構(gòu)。解決這一問題只需在Makefile文件中制定即可。
3.1視頻采集壓縮功能實現(xiàn)
本文視頻采集功能的實現(xiàn)依靠USB攝像頭，其正常工作需要在ARM-Linux中配置相關(guān)的驅(qū)動程序。Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的驅(qū)動程序常用的是Video4Linux。它提供了一系列的接口函數(shù)供視頻設(shè)備編程時調(diào)用。
首先將驅(qū)動程序模塊編譯成.O目標(biāo)文件，放在內(nèi)核的/lib/modules/目錄下，使用depmod a命令將此模塊變成可加載模塊。在調(diào)用攝像頭功能時，使用insmod命令調(diào)用驅(qū)動程序中int init-module（void），設(shè)備驅(qū)動程序開始初始化，初始化結(jié)束，攝像頭便能正常工作。攝像頭被正常驅(qū)動之后，便是對視頻數(shù)據(jù)的采集工作。圖4為視頻采集工作流程圖。
圖4 視頻采集流程
完成對視頻的采集之后，為了便于視頻數(shù)據(jù)在3G網(wǎng)絡(luò)中傳輸，還需要對視頻數(shù)據(jù)進行壓縮，以適應(yīng)3G無線網(wǎng)絡(luò)帶寬。H.264視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)是JVT（Joint Video Team 視頻聯(lián)合工作組）提出來的一種新的視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，在圖像質(zhì)量相同的前提下，H.264數(shù)據(jù)壓縮比與MPEG-2相比高出2-3倍，比MPEG-4相比高出1.5倍到2倍。因此，經(jīng)過H.264標(biāo)準(zhǔn)壓縮后的視頻數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求更低，更適于帶寬非常緊張的無線網(wǎng)絡(luò)。
3.2 3G網(wǎng)絡(luò)傳輸功能實現(xiàn)
本文設(shè)計的3G網(wǎng)絡(luò)部分的主要功能是將嵌入式主控系統(tǒng)收集并處理之后的監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)及各類家居安全數(shù)據(jù)以無線的方式接入互聯(lián)網(wǎng)，并發(fā)送至用戶的手機等移動終端。3G模塊接入方式采用WCDMA制式，選用能夠滿足監(jiān)控視頻傳輸帶寬需求的華為E1750無線上網(wǎng)卡它支持上行最高速率HSUPA 5.76Mbps；支持下行最高速率HSDPA 7.2Mbps，數(shù)據(jù)傳輸非常快。
為使3G網(wǎng)卡在ARM-Linux下能夠正常工作，必須配置驅(qū)動信息。
首先在/driver/usb/serial/p12303.c
中加入3G無線網(wǎng)卡的ID信息：
{USB-DEVICE（HUAWEI_VENDORID），HUAWEI_PRODUCT_ID））
在/driver/usb/serial/p12303.h中加入：
#define HUAWEI_VENDOR_ID 0xl2dl
#define HUAWEI_PRODUCT_ID 0xl001
然后，將Linux內(nèi)核重新編譯。
在內(nèi)核/dev目錄下建立新的字符節(jié)點
Mknod/dev/ttyUSB0 c 188 0
Mknod/dev/ttyUSB1 c 188 1
Mknod/dev/ttyUSB2 c 1 88 2
接下來交叉編譯3G虛線網(wǎng)卡驅(qū)動的移植工具usb-modeswich，它是一種轉(zhuǎn)換USB設(shè)備工作模式的工具。usb-modeswich.setup文件中加入以下程序：
#Huawei E1750
#Contributor：Anders Blomdell，Ahmed Soliman
DefaultVendor=0x12dl
DefaultProduct=0x1446
TargetVendor=0xl2dl
TargetProduct=0x1001
#only for reference and0.x versions
MessageEndpoint=0x0l
MessageContent=”55534243123456780000000000000011060000000000000000000000000000”
HuaweiMode=0
運./usb_modeswitch即可切換3G網(wǎng)卡的工作模式，進行3G撥號上網(wǎng)。
實驗室條件下，在基于Linux操作系統(tǒng)的嵌入式平臺基礎(chǔ)之上連接USB攝像頭，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為實驗室的WCDMA3G網(wǎng)絡(luò)，終端為一個普通的安卓系統(tǒng)智能手機。測試了包括燈光控制、溫濕度采集等10個節(jié)點，最遠距離協(xié)調(diào)器13米，結(jié)果表明，在Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，沒有出現(xiàn)掉線的情況，能夠有效的采集并傳輸測試的數(shù)據(jù)。3G通信網(wǎng)中也能夠高效的傳輸視頻等信息數(shù)據(jù)。圖5為實驗室條件下手機終端接收到的監(jiān)控畫面。
圖5 移動終端監(jiān)控畫面
4 總結(jié)
本文研究設(shè)計了一個基于Zigbee及3G無線網(wǎng)絡(luò)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了Zigbee網(wǎng)絡(luò)采集的各種室內(nèi)安全數(shù)據(jù)和攝像頭采集的視頻監(jiān)控畫面一并通過3G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至用戶移動終端。為用戶提供了一個家居安全監(jiān)控平臺。3G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也契合了當(dāng)下高速發(fā)展的移動互聯(lián)網(wǎng)時代，具有很高的實際應(yīng)用價值。
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論文關(guān)鍵詞：卡水表,控制器,低功耗,邏輯加密卡
由于水資源的日益珍貴，社會越來越提倡節(jié)約用水。采用現(xiàn)在高科技術(shù)進行用水管理，已成為一種發(fā)展方向，并且已在很多城市得到應(yīng)用，取得很好的效果。智能IC卡水表及收費系統(tǒng)，是采用世界上最先進的科技技術(shù)，進行用水計量、控制和收費的系統(tǒng)。它實現(xiàn)先付費后使用的結(jié)算管理模式，徹底改變了傳統(tǒng)抄表付費的用水方式，該表特別適合新建城市以及舊城改造。采用智能IC卡水表進行收費管理，可以徹底解決過去用水收費難的問題，省去了管理部門上門抄表、收費等煩雜工作；可以方便用戶用水，買多少水用多少水，多買多用，不用管理部門進門抄表，免受打擾，滿足人們安寧家居的要求。
1、智能IC卡水表及售水管理系統(tǒng)的組成
智能IC卡水表是一種新型的計量表，智能IC卡水表是以帶有發(fā)信裝置的冷水水表為計量基表，以IC卡為媒體，加裝電子控制器和電控閥所組成的一種具有預(yù)付費功能的水量計量儀器。
IC卡水表售水管理系統(tǒng)，是要用戶先到用水管理單位購水，才能用水的系統(tǒng)。IC卡水表及售水管理系統(tǒng)是由：IC卡水表、IC卡、讀寫器、售水微機、售水管理系統(tǒng)組成。見圖1所示：
圖1智能IC卡水表及售水管理系統(tǒng)的組成
IC卡水表是整個系統(tǒng)的核心部件，也是系統(tǒng)中使用數(shù)量最多的部件。它安裝在用戶的用水管路中，主要起用水計量、顯示和控制的作用。IC卡，主要功能是記錄用戶從銀行或用水管理單位購買的水量信息，傳給IC卡水表。讀寫器主要是完成IC卡的讀寫操作及與計算機的通信功能。售水管理軟件是記錄用戶購水信息，完成計算機與讀寫器的通信等功能的軟件。
2、IC卡水表的組成及控制器的工作原理
【關(guān)鍵詞】高海拔覆冰 在線監(jiān)測 可視化高清視頻 無線組網(wǎng)技術(shù)
1 高海拔地區(qū)可視化背景
2008年初的冰災(zāi)導(dǎo)致電網(wǎng)大面積損毀事件使人們了解到，冰災(zāi)情發(fā)生前的防范、維護，災(zāi)情發(fā)生時預(yù)警、快速反應(yīng)以及災(zāi)后的應(yīng)急搶修、重建都非常的必要。在覆冰發(fā)生時，如何對重冰區(qū)、人煙稀少偏遠山區(qū)、積雪時無法人工巡視、無GPRS/3G/3G信號等重點區(qū)域現(xiàn)場線路的覆冰狀況進行及時準(zhǔn)確掌握，為提前抗冰融冰提供科技支撐，將是提高電網(wǎng)整體抗冰水平、防止冰災(zāi)倒塔大面積斷電事故發(fā)生的關(guān)鍵。本研究將采用先進可靠的OPGW光纖和WIFI混合通信技術(shù)、雙備份智能切換冗余電源技術(shù)和完善的遠程維護機制技術(shù)，對重冰區(qū)、無信號偏遠山區(qū)的輸電線路覆冰狀況進行實時監(jiān)控，及早發(fā)現(xiàn)覆冰事故隱患并及時予以排除，使輸電網(wǎng)始終以良好的狀態(tài)運行具有十分重要的意義。
目前投運的輸電線路覆冰監(jiān)測裝置，普遍存在運行不穩(wěn)定、現(xiàn)場維護工作量大等現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在冬季覆冰期設(shè)備電源供電不足而無法正常運行、嚴(yán)重覆冰時GPRS/3G無線通信基站終端而造成現(xiàn)場設(shè)備無法正常進行數(shù)據(jù)傳輸、線路維護人員頻繁到現(xiàn)場對故障設(shè)備進行維修而造成維護工作量大等問題。通過對本研究的研究，研究建立輸電線路智能監(jiān)測系統(tǒng)，著重對重冰區(qū)、無信號覆蓋區(qū)、人煙稀少偏遠山區(qū)、巡視難度大的崇山峻嶺高海拔山區(qū)等區(qū)域線路的覆冰狀況、線路走廊周圍環(huán)境狀況進行實時監(jiān)測，為重冰期高海拔輸電線路抗冰等日常維護技術(shù)支撐。
通過本次研究，將改變現(xiàn)有覆冰監(jiān)測裝置“覆冰關(guān)鍵期設(shè)備供電不足而冬眠”、“只能看圖像，無法看清晰視頻”的狀況，省局等各部門通過省網(wǎng)公司辦公網(wǎng)絡(luò)均可以隨時隨地登陸系統(tǒng)，實時瀏覽高海拔、重冰區(qū)輸電線路現(xiàn)場覆冰程度、線路走廊周圍環(huán)境狀況等，猶如親臨現(xiàn)場，為日常線路運行維護提供技術(shù)支持。
2 高海拔可視化管理現(xiàn)狀
我國部分區(qū)域高壓輸電線路運行在3500米以上的高海拔、無人區(qū)、無信號覆蓋區(qū)域，這些區(qū)域氣候環(huán)境極為惡劣，嚴(yán)重雨雪冰凍的天氣對輸電線路安全運行構(gòu)成極大威脅。在冬季覆冰期，由于這些高海拔區(qū)域山高坡陡、氣溫低，山上積雪覆冰不宜融化，使得在這段覆冰關(guān)鍵期內(nèi)無法對這些重覆冰區(qū)線路進行正常巡視，無法及時準(zhǔn)確掌握山上高海拔區(qū)域線路的覆冰狀況、線路走廊環(huán)境，迫切需要借助科技手段對這些高海拔、無人區(qū)、重覆冰區(qū)輸電線路覆冰狀況實現(xiàn)遠程可視化管理。在2008 年我國大面積冰災(zāi)之后，我國輸電網(wǎng)安裝投運了一批輸電線路覆冰在線監(jiān)測裝置，它能夠?qū)Ω脖谳旊娋€路導(dǎo)線、地線荷載變化狀況進行監(jiān)測，能夠在一定程度上幫助線路維護人員了解現(xiàn)場的覆冰狀況。目前在實際使用過程中，存在明顯不足，主要表現(xiàn)在“覆冰關(guān)鍵期設(shè)備供電不足而冬眠”、“只能看風(fēng)景，無法看覆冰”的狀況，裝置供電不可靠、覆冰圖像傳輸不清晰、只能看圖像而無法看視頻和進行錄像的不足，無法滿足高海拔重覆冰區(qū)、無信號區(qū)輸電線路可視化管理的應(yīng)用需求，主要體現(xiàn)在：
2.1 供電系統(tǒng)不可靠
目前投運的輸電線路覆冰監(jiān)測裝置，夏季運行良好，但是到冬季覆冰關(guān)鍵時期，普遍存在設(shè)備供電不足，設(shè)備無法運行，嚴(yán)重影響其實用性，難以發(fā)揮“覆冰監(jiān)測”的作用。據(jù)國家電網(wǎng)公司生計部初步統(tǒng)計，目前投運的輸電線路正常上線運行率為30%左右，其余70%的輸電線路在線監(jiān)測設(shè)備不能正常運行，其中50%設(shè)備不運行是由于供電中斷引起的。
2.2 通信手段主要依賴于GPRS/3G無線網(wǎng)絡(luò)
無法對無移動信號偏遠山區(qū)的線路桿塔進行監(jiān)測，而這些區(qū)域恰恰多是人煙稀少的偏遠山區(qū)，或者巡線難度大的高海拔山區(qū)，在嚴(yán)重覆冰期間，人員無法進行正常巡線的區(qū)域。
設(shè)備依靠GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)進行通信的通信鏈路薄弱，尤其是出現(xiàn)大面積覆冰時，移動GPRS/3G基站往往無法正常運行而造成現(xiàn)場覆冰監(jiān)測裝置通信鏈路中斷，造成線路維護人員在嚴(yán)重覆冰關(guān)鍵期無法及時掌握現(xiàn)場線路的覆冰狀況及發(fā)展趨勢。
由于依賴GPRS/3G無線網(wǎng)絡(luò)， 該網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率有限，傳輸帶寬受到限制，圖像壓縮比大，需要將傳輸信息打包并切割成小塊，分批發(fā)送，造成覆冰圖像清晰度不高且無法對現(xiàn)場覆冰狀況進行視頻監(jiān)控及錄像，是線路維護人員無法準(zhǔn)確掌握現(xiàn)場的覆冰程度。
2.3 GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制
由于GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，只能看圖像無法看視頻，且清晰度不高，圖像分辨率最大只能640*480，圖像清晰度非常有限，無法為線路維護人員提供準(zhǔn)確的現(xiàn)場線路狀況。
2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計存在缺陷
在覆冰關(guān)鍵期，攝像機鏡頭被覆冰遮擋造成關(guān)鍵期無法準(zhǔn)確掌握現(xiàn)場覆冰程度等不足之處，使得無法充分滿足線路維護人員對較長覆冰期、重冰區(qū)、無信號覆蓋區(qū)輸電線路覆冰狀況及時準(zhǔn)確掌握。
2.5 遠程維護機制不完善
目前投運的覆冰設(shè)備普遍存在無法遠程升級，設(shè)備自我診斷功能不完善、自愈性差的缺陷，設(shè)備在運行過程中發(fā)現(xiàn)缺陷時必須到現(xiàn)場進行維護，這樣不僅沒有減輕反而增加了線路維護人員的工作量。
鑒于目前覆冰監(jiān)測裝置的不足，本研究擬利用雙備份電源冗余供電技術(shù)進行供電，監(jiān)測裝置與監(jiān)測中心網(wǎng)絡(luò)通信上采用OPGW光纖和WIFI無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的混合數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、高清視頻等技術(shù)，研制具有一體化、低功耗、雙電源智能切換、OPGW與WIFI混合通信、冗余設(shè)計、高清視頻的覆冰視頻監(jiān)控裝置。利用本研究的成果，線路管理人員無需到現(xiàn)場，在后臺電腦上就可以看到清晰的現(xiàn)場線路覆冰視頻，切實實現(xiàn)對重冰區(qū)、無信號覆蓋區(qū)、無人區(qū)及巡視難度大高海拔區(qū)域線路的可視化管理，切實實現(xiàn)線路維護人員對重點線路、覆冰期重點區(qū)域線路的覆冰狀況、線路走廊環(huán)境和現(xiàn)場氣象狀況實時準(zhǔn)確掌握。
3 可視化管理設(shè)計
3.1 雙電源智能切換技術(shù)介紹
開展雙備份及智能切換穩(wěn)定供電技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)供電模塊能夠以智能判別自動切換和遠程后臺手動切換兩種方式切換到備用電源上，確保系統(tǒng)能夠在嚴(yán)重覆冰期、太陽能被冰雪覆蓋無法充電等情況下，系統(tǒng)電源充足，運行穩(wěn)定，能夠穩(wěn)定將現(xiàn)場的視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_：
具有喚醒與休眠功能的智能切換供電部分具有專屬CPU控制模塊，該CPU控制模塊通過一MOS管分別與主電源以及輔助電源相連；提供CPU監(jiān)測模塊，用于監(jiān)測電源的狀態(tài)；提供多個喚醒源電路，其分別與CPU控制模塊以及MOS管相連，所述的CPU控制模塊可以隨時進行待機喚醒功能；CPU控制模塊根據(jù)CPU監(jiān)測模塊監(jiān)測到電源的狀態(tài)，對主電源，輔助電源的無縫切換是通過硬件自動切換的；在備用電源供電的情況下，CPU控制模塊可以隨時切斷該備用電源供電，使雙電源切換系統(tǒng)進入完全待機狀態(tài)。
3.1.1 驅(qū)動控制部分
由邏輯控制電路和齒輪電機組成。電路控制核心采用CPU控制，電源部分采用開關(guān)電源穩(wěn)壓系統(tǒng)，供電可靠，電路具有良好的電磁兼容性，齒輪電機具有很強的耐濕熱性和耐高溫性，安全保護功能良好。
3.1.2 機械聯(lián)鎖部分
多重的機械聯(lián)鎖，確保兩路電源在任何情況下不能并列運行。
3.2 OPGW光纖與無線WIFI的混合組網(wǎng)
按照《輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)通信技術(shù)方案》，根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的特點，以及監(jiān)測信息點分布的情況，一般將通信系統(tǒng)分成四種部署方式和兩個網(wǎng)絡(luò)段。 四種部署方式包括基于公網(wǎng)的后端匯集方案、基于公網(wǎng)的前端匯集方案、基于專網(wǎng)的后端匯集方案、基于專網(wǎng)的前端匯集方案。
針對重冰區(qū)、無信號覆蓋區(qū)線路監(jiān)測裝置布點之間的距離較大，同時考慮到線路現(xiàn)場GPRS/3G/CDMA/3G的信號條件普遍偏弱，本研究在線監(jiān)測系統(tǒng)的通訊方式采用“OPGW光纖通信為主，無線WIFI接入為輔”的基于專網(wǎng)的后端匯集方案。兩個網(wǎng)絡(luò)段為現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)段和遠程傳輸段：
（1）現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)段負(fù)責(zé)將一定范圍內(nèi)的輸電線路和桿塔上的傳感器通過短距離無線網(wǎng)絡(luò)匯集接入；
（2）遠程傳輸段則負(fù)責(zé)將現(xiàn)場匯集的數(shù)據(jù)遠程傳輸送到數(shù)據(jù)網(wǎng)接入點，如圖1。
3.3 H.264視頻壓縮與傳輸
H.264視頻編碼壓縮處理技術(shù)，與其它H.26x、MPEG-X視頻編碼技術(shù)相比，具有圖像質(zhì)量優(yōu)異、編碼效率高的優(yōu)點。但是其編碼過程的計算復(fù)雜性很高，如何降低編碼過程的計算復(fù)雜性，提高編碼速度是H.264視頻處理技術(shù)實現(xiàn)的重點和難點。本研究將三個方面研究實現(xiàn)H.264網(wǎng)絡(luò)視頻編碼技術(shù)： H.264視頻編碼算法優(yōu)化；DSP系統(tǒng)中視頻編碼應(yīng)用的硬件加速；H.264視頻報文的網(wǎng)絡(luò)實時傳輸。
H.264視頻編碼算法優(yōu)化提出了啟發(fā)式預(yù)測模式確定算法，對幀間預(yù)測、幀內(nèi)預(yù)測和最佳預(yù)測模式的確定過程進行綜合優(yōu)化。該算法利用視頻序列在空間和時間上的相關(guān)性，以及相鄰的圖像單位在預(yù)測失真上的相似性，推測當(dāng)前宏塊中接近最佳性能的預(yù)測塊劃分方法和預(yù)測模式。算法提供了推測錯誤處理機制，能夠保證預(yù)測塊與原始圖像之間實現(xiàn)最佳匹配。實驗證明經(jīng)過優(yōu)化之后，以微小的編碼圖像失真為代價，較大幅度地提高了編碼速度，編碼器的性能得到顯著改善，如圖2。
本研究采用網(wǎng)絡(luò)開發(fā)工具包實現(xiàn)了RTP/RTCP實時網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，主要包括TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的配置與使用，以及實現(xiàn)基于RTP/RTCP協(xié)議的應(yīng)用服務(wù)。在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對視頻編碼器進行性能進行測試，檢驗視頻編碼器的實時效果；完成了進行數(shù)據(jù)完整性測試，驗證了視頻編碼器的正確性。測試結(jié)果表明本課題研究和實現(xiàn)的視頻編碼器具有良好的實時性和穩(wěn)定性。
3.4 裝置技術(shù)實現(xiàn)
針對目前覆冰監(jiān)測裝置普遍存在供電系統(tǒng)不可靠、GPRS/3G無線通信局限性大、現(xiàn)場設(shè)備維護工作量大等特點，本研究將研制具有一體化、低功耗、雙電源智能切換、OPGW與WIFI混合通信、冗余設(shè)計、清晰視頻監(jiān)控、完善遠程維護機制的視頻監(jiān)控裝置。
3.4.1 一體化設(shè)計
監(jiān)控裝置的主處理單元、數(shù)據(jù)采集單元、供電管理單元、控制單元、通信單元采用一體化的設(shè)計原則，杜絕部件間的簡單聯(lián)結(jié)而形成的離散性內(nèi)部結(jié)構(gòu)；
3.4.2 中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（ARM CORTEX）
ARM CORTEX 嵌入式技術(shù)能夠滿足汽車、工業(yè)控制及醫(yī)療監(jiān)測等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ρb置功耗與效能的嚴(yán)苛要求，它以高穩(wěn)定性、超低功耗、低成本三個技術(shù)特色在諸多電力、汽車等諸多工業(yè)控制領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。我司的氣象監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)終端的中央數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用Cortex處理器開發(fā)與設(shè)計，不僅具有ARM嵌入式技術(shù)穩(wěn)定性好、功能強大、抗干擾性能好、后期擴展性能好、遠程維護方便等優(yōu)點，同時也具備了MSP430單片機低功耗、低成本的優(yōu)點。
3.4.3 主備工作模式
監(jiān)測裝置的核心部分即中央處理器，是監(jiān)測裝置的大腦，如果發(fā)生故障將直接導(dǎo)致設(shè)備無法工作。從計算機服務(wù)器雙機備份的角度出發(fā)，將設(shè)備主處理單元等設(shè)計為主備智能的工作模式，當(dāng)核心主處理器發(fā)生故障時，智能切換到從處理單元，并且無縫切換，保障設(shè)備的正常運行。核心模塊的配置信息存儲在公共存儲器，當(dāng)后備模塊啟動時，自動裝載工作模塊的工作配置，無需重新配置工作參數(shù)。
3.4.4 完善的現(xiàn)場覆冰視頻監(jiān)控功能
采用H.264視頻處理技術(shù)實現(xiàn)現(xiàn)場清晰覆冰連續(xù)視頻和圖像的采集、錄像功能。
采用全方位無盲點工業(yè)攝像機，對導(dǎo)線、桿塔、線路走廊及周圍環(huán)境進行全方位監(jiān)控，能夠在后臺看到清晰、流暢線路視頻。
線路管理人員在后臺人員可遠程控制攝像機視覺方位，能夠?qū)ΜF(xiàn)場覆冰狀況進行遠程錄像和危險關(guān)鍵點圖像抓拍。
3.4.5 采用OPGW光纖通信為主、WIFI無線通信為輔的混合通信技術(shù)
針對重冰區(qū)、無信號覆蓋區(qū)線路覆冰監(jiān)測裝置布點之間的距離較大，同時考慮到線路現(xiàn)場GPRS/3G/CDMA/3G的信號條件普遍偏弱，本研究在線監(jiān)測系統(tǒng)的通訊方式采用“OPGW光纖通信為主，無線WIFI接入為輔”的基于專網(wǎng)的后端匯集方案。
3.4.6 雙電源供電系統(tǒng)
狀態(tài)監(jiān)測裝置的電源系統(tǒng)均采用太陽能雙路充電、充電管理模組雙路管理、蓄電池雙路供電；全部供電系統(tǒng)完全隔離，互不影響；當(dāng)一路供電裝置出現(xiàn)問題時，不會影響另一路供電裝置的可靠運行。
3.4.7 攝像機鏡頭防覆冰設(shè)計
對以前裝置中出現(xiàn)攝像機在雨、雪、冰、污中拍到的照片無法識別的現(xiàn)象，在攝像機結(jié)構(gòu)及鏡頭材料進行了改進。
3.4.8 低功耗設(shè)計
在全部采用工業(yè)級低功耗部件的同時，還設(shè)計有低功耗工作模式。
正常模式：所有的電源啟動設(shè)備處在正常工作狀態(tài)。
節(jié)能模式：關(guān)閉所有的通訊系統(tǒng)（本裝置的功耗主要產(chǎn)生在無線通訊設(shè)備中），采集數(shù)據(jù)保存到裝置，數(shù)據(jù)不上傳。
自動切換：在正常狀態(tài)下，裝置白天處于正常模式，晚上處于節(jié)能式。
3.4.9 遠程維護機制
遠程維護機制（增加遠程自動升級功能）、設(shè)備故障自我診斷及自我處理等方面的技術(shù)，提高重冰區(qū)、無信號偏遠山區(qū)等惡劣環(huán)境下設(shè)備運行穩(wěn)定可靠性。
3.5 可視化管理軟件平臺設(shè)計
平臺系統(tǒng)的建設(shè)應(yīng)遵循先進、實用、經(jīng)濟、高效的原則。
（1）采用開放式、一體化、可擴展的應(yīng)用平臺，在滿足當(dāng)前應(yīng)用需求的基礎(chǔ)上，能夠根據(jù)未來發(fā)展的需要擴展其他應(yīng)用功能。
（2）平臺系統(tǒng)應(yīng)采用先進的信息表現(xiàn)方式，為運行維護人員提供可視化運行界面。
（3）采用統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)和編碼體系。
（4）平臺系統(tǒng)應(yīng)預(yù)留和第三方應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)接口。
3.5.1 平臺基本功能模塊
具有終端基本信息建檔、終端安裝位置信息建檔、終端功能信息建檔、現(xiàn)場視頻瀏覽及遠程控制攝像機功能、終端運維記錄。
3.5.2 WEB 瀏覽
系統(tǒng)采用WEB瀏覽方式，滿足線路維護工作人員對輸電線路運行狀況、覆冰災(zāi)情嚴(yán)重程度等現(xiàn)場狀況掌握的應(yīng)用需求。省局等各部門通過省網(wǎng)公司辦公網(wǎng)絡(luò)均可以隨時隨地登陸系統(tǒng)，實時瀏覽高海拔、重冰區(qū)輸電線路現(xiàn)場覆冰程度、線路走廊周圍環(huán)境狀況等，猶如親臨現(xiàn)場，為日常線路運行維護提供技術(shù)支撐。
3.5.3 平臺數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計
在開放性和標(biāo)準(zhǔn)性的前題下，為提高數(shù)據(jù)及圖形訪問速度，數(shù)據(jù)處理的實時響應(yīng)性，在商用數(shù)據(jù)庫之上構(gòu)建實時數(shù)據(jù)庫，支持CLIENT/SERVER模式SQL訪問。
4 結(jié)論
本研究通過對OPGW光纖與WIFI混合組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、雙備份電源智能切換、H.264視頻壓縮處理技術(shù)、遠程免維護機制的研究，研制具有一體化、低功耗、雙電源智能切換供電、多重混合通信、多冗余、攝像頭防覆冰且高清晰視頻監(jiān)控、完善遠程維護機制的可視化裝置。
通過本次的研究及成果的應(yīng)用，將解決目前覆冰監(jiān)測裝置普遍存在供電系統(tǒng)不可靠、GPRS/3G無線通信鏈路不穩(wěn)定、只能傳輸不清晰圖像而無法實現(xiàn)高清視頻監(jiān)控、現(xiàn)場設(shè)備故障率高、維護工作量大等存在的一些問題，消除現(xiàn)有覆冰監(jiān)測裝置“無覆冰時運行良好、覆冰關(guān)鍵期設(shè)備斷電冬眠”、“只能用來看風(fēng)景、無法看覆冰”的狀況；彌補目前覆冰監(jiān)測裝置在重冰區(qū)、長覆冰期、無信號覆蓋區(qū)等線路上無法對線路運行狀況、線路走廊環(huán)境狀況實時監(jiān)控的不足，切實實現(xiàn)對重冰區(qū)、無信號覆蓋區(qū)、無人區(qū)及巡視難度大高海拔區(qū)域線路的覆冰狀況進行監(jiān)控，切實實現(xiàn)對重冰區(qū)、無信號覆蓋區(qū)、無人區(qū)及巡視難度大高海拔區(qū)域線路的覆冰狀況、線路走廊環(huán)境狀況和氣象狀況進行實時監(jiān)控，切實實現(xiàn)線路維護人員對重點線路、覆冰期重點區(qū)域線路運行狀況無盲點掌握。
參考文獻
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