基于S3C2440和RFID技術的智能監控系統

摘要：為了實現實時監控，設計了一種以ARM9芯片S3C2440為核心的智能監控系統。Nordic公司的nRF24L01芯片解決主控模塊和電子標簽的互相通信，實現遠距離射頻識別，工作于2.45 G。在房間內有東西被移出后，OV9650攝像頭能夠實時采集房間內的視頻信息，并及時顯示在群創3.7英寸TFT LCD屏上。實驗結果表明，該設計運行穩定，是智能監控的一種有效解決方案。

視頻監控是安防系統中的重要環節。它的應用無處不在，無論是居民小區、校園，還是公司、企業，它能及時將現場情況反映給監控中心，有效的防止了犯罪的發生。但是，目前的監控系統都有它的局限性。由于監控中心監控畫的顯示面的數量限制，不能夠同時顯示監控網絡中所有的攝像頭所傳送的畫面。目前主要采用的措施是增加監控中心的監視器，要么定時輪流切換畫面。這些方案不夠智能且增加了運營成本。文中提出一種基于S3C2440的智能監控系統，以MSP430F2121、nRF24L01等為硬件基礎，結合射頻識別技術，實現對房間內物品的實時智能監控即房間內有物品被移出時，將房間的圖像信息在監控端實時顯示出來。

射頻識別技術是利用射頻信號通過空間耦合實現信息的傳遞并通過所傳遞的信息達到識別的目的的技術。本文采用的射頻通信模塊nRF24 L01能工作于2.45 G，讀寫距離遠，識別精度高，完全滿足實際要求。

1 系統整體架構

本文主要模擬實際監控環境，設計出一套硬件系統和與之相應的軟件系統，對房間內的各種物件實現實時監控，具體思想：給監控房間內每一件重要物品都貼上一張2.45 G射頻標簽，標簽每隔一定時間發送自己的信息(標簽號)給房間內的2.45 G讀卡器(主控模塊)，以證明所代表的物品還在房間。如果在規定時間內，讀卡器沒有讀到某張標簽，證明相應的物品已經不在監控區域，監控模塊立即打開房間內的攝像頭，采集現場視頻數據，并將數據顯示在LCD顯示屏上。系統整體架構圖如圖1所示。

2 智能監控系統硬件平臺

2.1 2.45G電子標簽

電子標簽是本系統的重要組成部分。采用3.7 V鋰電池供電，所以要求功耗盡可能低。MSP430F212是TI公司的一款典型低功耗混合信號處理芯片，它有一種正常工作模式(AM)，和五種低功耗模式(LPM0、LPM1、LPM2、LPM3和LMP4)。MSP430系列單片機各個模塊相互獨立。系統進入低功耗模式，讓CPU睡眠，而其它模塊(如定時器、A/D轉換和看門狗等)正常運行。需要CPU時，可以利用中斷將其喚醒，進入正常工作模式。喚醒時間約為1μs。本設計采用MSP430F2121作為電子標簽主控芯片，完全滿足低功耗要求。

目前，2.45G電子標簽的射頻通信部分有如下解決方案：WIFI、Bluetooth、Nordic公司的nRF24101和Cypress公司的wireless USB。本設計綜合考慮電路性能、功耗、成本、系統復雜性等各方面因素，選擇了Nordic公司的nRF24L01芯片作為射頻收發解決方案。nRF24L01是一款工作于2.4 G頻段的無線通信芯片，采用GFSK調制，支持跳頻，支持點對點和1對6的無線通信。在其內部，集成了Enhanced Short Burst協議，所以nRF24L01能夠自動處理幀頭和CRC校驗碼。并且其發射功率可以自動調節。

標簽主控芯片MSP430F2121與nRF24L01通過SH總線進行通信，SPI有SCLK、MOSI、MISO 3根線，加上使能CE、片選CS和IRQ信號線，總共6根線。在本設計中，標簽的主要任務是每隔一段實際發送自己的信息給讀卡器，所以可以省略MISO和IRQ兩個線。結構圖如圖2所示。

2.2 主控制模塊

主控制模塊的主要功能是讀取周圍的標簽信息，完成后，與內存中的標簽表進行比較，如果某些標簽沒有被讀到，證明與標簽所綁定的物品不在所讀范圍內，此時打開攝像頭，在LCD上實時顯示房間內的情況。

主控制模塊的主控芯片采用三星公司的S3C2440。該SOC是ARM9核，主頻高達400MHz，有獨立的指令cache和數據cache，有MMU控制器。并且集成了豐富的硬件資源，如PWM定時器、UART控制器、存儲器控制器、Nand Flash控制器、LCD控制器和攝像頭接口等等。完全滿足本設計對主控芯片的要求。

2.2.1 主控模塊的讀卡器部分

在電子標簽設計時，標簽一直發送模式。因此在主控制模塊端，配置nRF24L01處于接收模式，讓其一直讀取周圍標簽的信息。S3C2440有SPI控制器，所以配置nRF24L01比較方便，具體配置過程與電子標簽nRF24L01配置過程類似。需要注意的是相對于標簽端，主控制段用到了MISO和IRQ信號信，MISO接收標簽發來的信息，IRQ信號線與外部中斷0口相接。

2.2.2 主控模塊的視頻采集及顯示部分

S3C2440集成有SDRAM控制器，方便外接SDRAM。本設計采用三星公司的K4S561632N作為系統的SDRAM。K4S561632N組織形式為16M*16bit其線寬為16位，經兩塊K4S561632N并聯，得到32位的線寬，總容量為64MByte。之所以需要大內存，是因為經過攝像頭采集來的數據，需要存儲于內存中，以便于在LCD上顯示。查看數據手冊，K4S561632N有13根行地址線(RA0-RA12)、9根列地址線(CA0-CA8)、2根BANK選擇線(BA0-BA1)。SDRAM的行地址線和列地址線是分時復用的，先送行地址，然后送列地址，分別被鎖存于行地址鎖存器和列地址鎖存器中。

根據設計要求，當周圍環境中有物品被移出，主控制器讀不到某標簽時，需要實時采集房間的圖像數據。S3C2440集成了攝像頭控制接口，有13根信號線：CAMDATA[7：0](攝像頭輸入數據)、CAMPCLK(輸入像素時鐘)、CAMVSYNC(輸入幀同步時鐘)、CAMHRER(輸入水平同步時鐘)CAMCLKOUT(提供給攝像頭的時鐘)和CAMRESET(攝像頭復位)。S3C2440攝像頭接口支持ITU—R BT601/656數據輸入，并且支持的2個通道的攝像頭DMA，Preview通道和Codec通道，Preview通道將數據存放于Preview DMA分配的內存中，主要用于本地視頻顯示，本設計采用該通道。本系統中，攝像頭采用的是OmniVision公司的COMS攝像頭OV9650，它集成了SCCB總線接口，該總線包含兩根信號線，SIO_C時鐘線和SIO_D數據線。SCCB總線兼容IIC總線，所以，可以用S3C2440的IIC總線配置OV9650的寄存器，完成攝像頭的初始化。

S3C2440中集成了LCD控制器。支持單色灰色彩色LCD屏。對于LCD控制器的操作，需要注意3個時序信號，VSYNC(幀同步信號)、HSYNC(行同步信號)和VCLK(像素同步信號)。LCD顯示另外一個要注意的地方是顯示緩沖區，可以在內存中定義一個與屏幕尺寸大小相同的二維數組最為顯示緩沖區。本文使用的屏幕大小為320x240的LCD顯示屏，所以定義二維數組為LCD_BUFFER[240][320]。然后，將設置好的二維數組地址賦于LCDSADDR1和LCDSADDR2寄存器，初始化后的LCD顯示屏就能夠顯示緩沖區所存的數據。LCD控制有一個專用的DMA控制器，使用該DMA通道，能夠不需CPU的干預下，將視頻數據從幀緩沖區中傳送到LCD驅動。本設計顯示單元采用群創3.7英寸TFT LCD屏。

由OV9650采集的視頻數據通過DMA將數據存放到Preview DMA分配的內存中，使這段內存與LCD顯示緩存重合，就能夠實現攝像頭采集到的數據在LCD上實時顯示。視頻信息采集及顯示模塊如圖4所示。

2.3 主控制模塊程序的下載與運行

本設計的存儲系統為NAND FLASH，通過JTAG接口將程序下載到NAND FLASH，系統啟動時，NAND FLASH中不能夠運行程序，但是，S3C24 40自動將程序的前4K內容從NAND FLASH搬移到處理器內部的Stepping stone區域，這個區域成為Boot Internal SRAM，然后在其中運行程序，前4K程序中的搬移函數將整個程序從NAND FLASH中復制到SDRAM中，并從SDRAM中運行程序。至此整個系統正常啟動。之所以采用NAND FLASH作為存儲系統，是因為相對于NOR FLASH，NAND FLASH有存儲密度高，可擦寫次數高，價格低等優點，所以，是一種常見數據存儲設備。本設計采用NAND FLASH的型號是K9F2G08UOB，其容量為256M字節。通過S3C2440的NAND FLASH控制器可以很方便的控制NAND FLASH。

3 智能監控系統軟件設計

3.1 電子標簽上的軟件設計

MSP430F2121完成初始化：設置時鐘頻率、選擇工作模式、通過SPI總線配置nRF24L01。然而MSP430F2121不含SPI總線接口，就需要根據SPI協議用I/O口模擬SPI總線來配置nRF24L01。

在本設計中，電子標簽只要發送自己的信息，不要接收任何信息。通過SPI的MOSI接口，配置閱讀器地址寄存器TX_ADDR，自動重發寄存器SETUP_RETR，通信頻率寄存器RF_CH和發射參數配置寄存器RF_SETUP等。具體參數：通信頻率為2.45 G，不自動重發，1MHz發送速率和0 dBm發射功率等參數。

MSP430F2121配置完nRF24L01后，用定時器定時1s，打開定時器，并進入低功耗模式LPM3。當定時器時間到時，產生中斷，喚醒CPU，在中斷處理函數中，向TX FIFO里寫數據(標簽編號)，CE=1，保持10μs以上，nRF24L01由Standby-I模式進入Tx Mode，數據發完后，不檢測ACK自動回到Standbyr-I模式。中斷返回后，CPU再次休眠，定時器繼續計數如此往復。圖5為程序流程圖。

3.2 主控制模塊軟件設計

總控制模塊是本設計的核心，其軟件也是整個設計的重點。S3C2440主頻頻率高，硬件資源十分豐富。這使得對于外接設備的初始化和控制變得比較容易。

首先，在S3C2440啟動代碼中要設置工作頻率、建立好異常中斷向量表、初始化堆棧、初始化內存、初始化應用程序執行環境。

然后跳轉的主應用程序。在主應用程序中，初始化攝像頭和LCD控制器.通話SPI控制器配置nRF24L01，設置接收端地址RX_ADDR，選擇通信頻率，無線速率等參數。切換工作模式，nRF24L01從Standby-I模式進入RX Mode，在此模式下接收標簽發來的信息。

接著建立一個標簽是否存在的整型數組，如tag[n]，n為數組元素的個數，數組中每個元素的每位代表一個標簽的存在狀況，0表示存在，1表示不存在。數組tag[0]有32位可以表示32個標簽的存在狀況，本設計只有5個電子標簽，所以用tag[0]的低5位表示標簽的存在狀況，初始值各位全為1，即tag[0]=0x1f，當收到標簽發來的信息時，外部EINT0產生中斷，在中斷處理函數中，讀取標簽發來的信息，跳出中斷處理函數，將tag[0]中相應標簽的表示位清零，如此循環。若定時器溢出并產生中斷(本設計定為5 s)，判斷tag[0]是否等于0，若不等于0，表示有標簽沒有讀到，此時可能標簽所表示的物品已經不在房間，主控制器打開攝像頭，打開LCD顯示器，將房間內實時畫面顯示出來。管理人員清查現場，并手動重啟系統。軟件流程圖如下：

4 結論

經過測試，標簽發送功率設置在0 dBm時，在空曠場地里，主控制模塊的識別范圍在半徑15 m圓的范圍內。在空曠的操場上，主控模塊周圍15 m內的圓形范圍內隨機放置5件物品，每件物品上貼一個電子標簽。當拿上一件物品，走出識別距離時，主控模塊會在5 s內打開攝像頭，將現場畫面顯示在LCD上，實現了實時視頻監控功能。實驗結果基本符合預期。