基于ADSP-BF533的家庭安全系統(tǒng)設計策略

現(xiàn)代傳感器技術和網絡技術的發(fā)展，使得運用現(xiàn)代傳感器與計算機技術進行防盜，已成為家庭安全系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。文中設計了一種基于ADSP-BF533的家庭安全系統(tǒng)，該系統(tǒng)以BF533為核心處理器，采用MPEG-4視頻壓縮標準，通過紅外探測器檢測非法入侵，一旦檢測到異常情況，即以短信的形式向用戶報警，同時啟動視頻采集模塊獲取現(xiàn)場圖像信息，并將壓縮編碼后的視頻數據保存到存儲設備中，以便用戶回放、查看和編輯。與傳統(tǒng)的依靠安裝防盜門窗的防盜方式和以現(xiàn)場語音報警為手段，以阻嚇和告知為目的的報警器相比，本系統(tǒng)具有GSM遠程報警和現(xiàn)場圖像采集并存儲功能，提高了報警的及時陛、可靠性和警情處理的有效性。

1 系統(tǒng)整體方案
基于BF533的家庭安全系統(tǒng)設計方案，主要由4部分組成，分別為熱釋電紅外檢測、CMOS圖像采集、GSM報警和圖像存儲。系統(tǒng)結構框圖，如圖l所示。熱釋電紅外檢測模塊與BF533的PF口相連，對室內空間進行檢測，一旦檢測到非法入侵，立即向DSP發(fā)送中斷請求，將處于睡眠狀態(tài)的DSP喚醒工作。GSM短信報警模塊與UART接口相連，DSP通過UART口可以控制GSM模塊使其發(fā)送報警信息。CMOS攝像頭連接在PPI接口，PPI口以DMA方式將視頻數據搬移到SDRAM中，供DSP進行壓縮，存儲設備SD卡通過SPI接口與DSP連接，用于保存壓縮后的視頻碼流數據。

2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 熱釋電紅外檢測電路
熱釋電紅外檢測模塊采用BISS0001型熱釋電紅外控制專用芯片完成。當有人在熱釋電紅外傳感器的有效檢測區(qū)域內活動時，傳感器將接收到人體發(fā)出的紅外信號，并將其轉變成微弱的脈沖電壓信號，此電壓信號經BISS0001內部電路放大、鑒幅處理及定時控制后，從輸出引腳輸出高電平，該高電平連接到DSP的PF口，作為DSP的中斷請求信號，喚醒DSP進人工作狀態(tài)。
2．2 CMOS圖像采集電路
本系統(tǒng)采用Pixelplus公司的P03030K圖像傳感器完成圖像采集功能，P03030K輸出30萬像素圖像，支持多種輸出模式和輸出數據格式，此處采用QVGA輸出模式和YUV4：2：2輸出數據格式。P03030K與BF533的PPI口相連接，連接方式，如圖2所示，P03030K產生HREF，VSYNC，PCLK這3種同步信號，分別為行同步輸出信號、場同步輸出信號和輸出像素時鐘。Y[7：0]為P03030K輸出的圖像數據信號。BF533使用GPIO的PF0和PF1模擬I2C總線協(xié)議，從而實現(xiàn)對P03030K內部寄存器的讀寫操作。

2．3 GSM報警電路
GSM報警電路采用西門子公司的TC35模塊完成，TC35模塊通過MAX232串口接口芯片與DSP的UART口相連接。TC35模塊還提供了SIM卡接口，
插入注冊后的SIM卡，便能夠接入GSM通信網完成短信報警功能。
2．4 圖像存儲電路
本系統(tǒng)采用SD卡存儲壓縮編碼后的視頻數據，SD卡有兩種工作模式：SDIO模式和SPI模式。由于BF533支持SPI接口，故采用SPI模式。BF533的SPI接口數據傳輸速率最快可達到系統(tǒng)時鐘的1／4，按系統(tǒng)時鐘為118．8 MHz進行計算，SPI的最高數據率可達到29．7 MB／s，考慮到視頻流數據量較大，采用雙緩沖機制進行存儲，能夠滿足系統(tǒng)要求。SD卡接口電路，如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件可分為視頻采集及壓縮程序、GSM短信報警程序和圖像存儲程序3部分，軟件流程圖，如圖4所示。

3．1 視頻采集及壓縮程序
DSP通過I2C接口完成對P03030K圖像傳感器的初始化，并設置相應的寄存器完成對工作模式、數據輸出格式、分辨率、亮度和色度等的設置。P03030K與DSP的PPI口相連，輸出圖像數據以DMA方式傳輸到SDRAM中存儲，本系統(tǒng)采用乒乓緩沖區(qū)的方法傳輸數據，在內存中開辟兩個緩沖區(qū)，使用兩個頭尾相連的描述符鏈表控制PPI DMA一次傳輸數據到兩個緩沖區(qū)中。DMA每采集完一行圖像數據之后就產生一次中斷，在中斷服務程序中使用存儲器DMA將數據搬移到片外SDRAM，等待DSP對其進行MPEG-4壓縮處理。視頻采集流程圖，如圖5所示。

DSP對視頻數據進行壓縮編碼時采用MPEG-4標準，由于CMOS圖像采集模塊輸出YUV4：2：2圖像，而編碼模型的輸入為YUV4：2：0圖像，故需要對采集到的圖像進行色度重采樣。DCT和IDCT是編碼過程中被頻繁調用的兩個函數，故采用匯編語言實現(xiàn)且使用Chen的快速算法，此外根據BF533的硬件和編譯系統(tǒng)的特點，運用各種方法對MPEG-4編碼程序代碼進行大量的優(yōu)化工作，利用循環(huán)緩沖技術和DSP提供的各種像素操作指令和向量操作指令對PADDING算法、運動矢量預測、SAD最小搜索算法和半像素內插等需要反復執(zhí)行的過程進行匯編優(yōu)化，充分發(fā)揮BF533的并行處理能力。在內存分配方面，在SDRAM中開辟了4個幀緩沖器，分別用于保存當前編碼幀、當前參考幀、下一編碼幀和下一參考幀數據。DSP的片內RAM容量較小，但是訪問速度較快，而MPEG-4的最小編碼單元是宏塊，所以可以將宏塊從片外SDRAM轉移到片內RAM中進行處理，處理結束后再存到SDRAM中。另外為了加快數據塊搬移速度，充分利用BF533強大的DMA能力完成數據傳輸操作，同時將CPU頻繁訪問的程序和數據放在片上緩存中，并充分利用乒乓緩沖結構，提高編碼效率。
MPEG-4編碼流程，如圖6所示。

3．2 GSM短信報警程序
在紅外探測器檢測到有人入侵時，DSP將立即向戶主發(fā)送短信報警信息，以便用戶采取措施。BF533通過UART口發(fā)送AT指令，實現(xiàn)對TC35模塊的控制，發(fā)送“AT+CMGF=1”設置短信發(fā)送模式為文本模式，發(fā)送“AT+CREG?”查詢網絡注冊情況，發(fā)送“AT+CMGS=13572472507”再加上短信內容，即可以實現(xiàn)向目標手機發(fā)送報警信息的目的。由于采用文本發(fā)送模式，故不能發(fā)送中文文字，本系統(tǒng)選擇發(fā)送英文字符“Danger”。
3．3 圖像存儲程序
壓縮后的視頻流數據將以文件的形式寫入SD卡中。在進行寫卡操作前，先要對SD卡初始化，設置其為SPI工作模式。SD卡的尋址方式是按字節(jié)尋址的，為加快速度，將其設置為扇區(qū)尋址，每個扇區(qū)512 bit，寫一個扇區(qū)的函數部分程序段如下：

其中，sector為要寫的扇區(qū)號，buff指向需要保存的數據流，SPI_transfer_byte為通過SPI口向SD卡傳輸l bit的函數，SD_write_block為SD卡寫命令的編碼。

4 結束語
本系統(tǒng)依托目前覆蓋率較高的GSM公共網絡，利用現(xiàn)有的無線通信業(yè)務和短消息服務業(yè)務，實現(xiàn)了遠程報警功能，且不受地域和時間的限制，并采用CMOS攝像頭采集現(xiàn)場圖像，提高了警情處理的效率。經測試證明，該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，報警準確、及時，圖像采集的幀率為15 f·s-1，單幀圖像的分辨率為320×240，能夠滿足用戶需求。