Системотехническое проектирование домофона

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Системотехническое проектирование

1.1 Обзор предметной области

Домофон - электронная система состоящая из устройств, передающих сигнал от вызывного блока к переговорному устройству.

Домофонная система является разновидностью систем ограничения доступа. Подразделяется на одно-абонентное и много-абонентное устройства. Может быть оборудовано автоматически запирающими устройствами (АЗУ) как электромеханического так и электронного типа. По способу передачи связи: проводной или по радиосигналу. Наиболее сложные по оснащению домофоны служат для обеспечения безопасности проживающих граждан и сохранности их имущества и устанавливаются на подъезды многоквартирных домов. Современные домофоны оснащены следующими устройствами и функциями:

- аудиосвязь и видеосвязь вызывного блока на подъезде с переговорным устройством в квартире;

- подключение АЗУ к входной двери;

- постановка систем охранной и пожарной сигнализаций с выводом на пульт МВД или МЧС;

- экстренный вызов с переговорного устройства службы 112;

- обеспечение связи с вызывной панелью служб 112, МЧС, МВД, Скорой помощи, Диспетчерской и т. д.;

- голосовое информирование от служб МЧС и УК ЖКХ как через вызывную панель так и через переговорные устройства;

- ведение мониторинга с системой распознавания лиц через систему видеонаблюдения в вызывном блоке.

Наглядная демонстрация организации видеодомофона указана на рисунке 1.1.



Рисунок 1.1 Организация видеодомофона

RFID - способ автоматической идентификации объектов, в котором посредством радиосигналов считываются или записываются данные, хранящиеся в так называемых транспондерах, или RFID-метках.

Любая RFID-система состоит из считывающего устройства (считыватель, ридер или интеррогатор) и транспондера (он же RFID-метка, иногда также применяется термин RFID-тег).

По дальности считывания RFID-системы можно подразделить на системы:

- ближней идентификации;

- идентификации средней дальности;

- дальней идентификации.

Большинство RFID-меток состоит из двух частей. Первая - интегральная схема (ИС) для хранения и обработки информации, модулирования и демодулирования радиочастотного (RF) сигнала и некоторых других функций. Вторая - антенна для приёма и передачи сигнала.

Принцип работы RFID меток заключается в том, что RFID-метка посылает уникальный код путем модулирования несущей частоты. Большинство меток являются пассивными: они не содержат собственных источников питания и только передают идентификатор в ответ на запрос. Обычные метки используют протокол EM4100 (формат бесконтактных радиочастотных идентификационных карт). Многие EM4100-совместимые метки используют одну и ту же микросхему-транспондер и существуют в нескольких конфигурациях, которые отличаются протоколами кодирования и скоростью передачи данных. Транспондер обычной метки имеет следующие характеристики:

- несущая частота (125 кГц, 13,56 МГц, 433 МГц), обычно с амплитудной модуляцией;

- кодирование: манчестерский код, двухфазная (Biphase) или фазовая манипуляция (PSK);

- скорость передачи;

- вшитый неперезаписываемый идентификатор, опционально - перезаписываемая память;

- подсчет контрольных сумм с помощью четности и CRC.

Транспондер EM4100 работает на частоте 125 кГц с амплитудной модуляцией. Встречаются все виды кодирования, но чаще используется манчестерское на скорости двух кбит/с. Транспондер шлет 64 бита данных, которые включают в себя: девятибитный заголовок, восьмибитный код изготовителя/версии, 32-битный идентификатор, 14-битную контрольную сумму и один стоп-бит. Данные в метке кодируются так, что в них содержится уникальный паттерн для синхронизации. EM4100 отправляет последовательность из девяти единиц, которая не может встретиться нигде, кроме как в начале пакета данных. Главной особенностью транспондера является то, что он получает энергию из электромагнитного поля считывателя.

RFID-считыватель передает энергию к транспондеру (метке) путем создания электромагнитного поля. Когда метка хочет передать логический ноль '0' в считыватель, она прилагает "нагрузку" к своей линии источника питания для получения большей энергии из считывателя. Это вызывает небольшое падение напряжения на стороне RFID-считывателя. Этот уровень напряжения является логическим нулем '0' (смотрите рисунок 1.2). Одновременно с передачей считывателем сигнала частотой 125 кГц, он считывает напряжение передаваемого сигнала. Когда метка снижает напряжение, как было сказано ранее, считыватель считывает данное падение напряжение как логический ноль '0'. Если метка не требует дополнительной энергии, она не вызывает падение напряжения. Это соответствует логической единице '1'.

Рисунок 1.2 Снимок экрана передаваемых данных

RFID-метка передает 64 бита, ее структура показана на рисунке 1.3



Рисунок 1.3 Структура данных RFID-метки

Первые девять бит - стартовые биты передачи (всегда '1').

Следующие четыре бита - младшие биты идентификатора (D00 - D03).

Следующий один бит (P0) - бит контроля четности предыдущих четырех бит.

Следующие четыре бита - старшие биты идентификатора (D04 - D07).

Следующий один бит (P1) - бит контроля четности предыдущих четырех бит.

Следующие четыре биты - части 32-битного серийного номера метки.

Бит PC0 - бит контроля четности битов D00, D04, D08, D12, D16, D20, D24, D28, D32 и D36 (биты располагаются в одной колонке).

Биты PC1, PC2, PC3 представляют собой биты четности следующих трех колонок.

Верификация данных выполняется с помощью микроконтроллера, путем вычисления бита контроля четности каждой строки и каждой колонки с битами четности, которые получены в передаваемых данных RFID-метки.

RFID метки классифицируются по рабочей частоте, источнику питания, типу памяти, исполнению.

По типу источника питания RFID-метки делятся на:

- пассивные;

- активные;

- полупассивные.

Пассивные RFID-метки не имеют встроенного источника энергии. Электрический ток, индуцированный в антенне электромагнитным сигналом от считывателя, обеспечивает достаточную мощность для функционирования кремниевого КМОП-чипа, размещённого в метке, и передачи ответного сигнала.

Коммерческие реализации низкочастотных RFID-меток могут быть встроены в стикер (наклейку) или имплантированы под кожу.

Компактность RFID-меток зависит от размеров внешних антенн, которые по размерам превосходят чип во много раз и, как правило, определяют габариты меток. На практике максимальная дистанция считывания пассивных меток варьируется от десяти см до нескольких метров, в зависимости от выбранной частоты и размеров антенны. В некоторых случаях антенна может быть изготовлена печатным способом.

Некремниевые метки могут изготавливаться из полимерных полупроводников. В настоящее время их разработкой занимаются несколько компаний по всему миру. Метки, изготавливаемые в лабораторных условиях и работающие на частотах 13,56 МГц, были продемонстрированы в 2005 году компаниями PolyIC (Германия) и Philips (Голландия). В промышленных условиях полимерные метки будут изготавливаться методом прокатной печати (технология напоминает печать журналов и газет), в результате чего они будут дешевле, чем метки на основе ИС. В конечном счёте это может закончиться тем, что для большинства сфер применения метки станут печатать так же просто, как и штрих-коды, и они станут такими же дешёвыми.

Пассивные метки УВЧ и СВЧ диапазонов (860--960 МГц и 2,4-2,5 ГГц) передают сигнал методом модуляции отражённого сигнала несущей частоты. Антенна считывателя излучает сигнал несущей частоты и принимает отражённый от метки модулированный сигнал. Пассивные метки ВЧ диапазона передают сигнал методом модуляции нагрузки сигнала несущей частоты. Каждая метка имеет идентификационный номер. Пассивные метки могут содержать перезаписываемую энергонезависимую память EEPROM-типа. Дальность действия меток составляет от одного до двухсот см (ВЧ-метки) и от одного до десяти метров (УВЧ и СВЧ-метки).

Активные RFID-метки обладают собственным источником питания и не зависят от энергии считывателя, вследствие чего они читаются на дальнем расстоянии, имеют большие размеры и могут быть оснащены дополнительной электроникой. Однако, такие метки наиболее дороги, а у батарей ограничено время работы.

Активные метки в большинстве случаев более надёжны и обеспечивают самую высокую точность считывания на максимальном расстоянии. Активные метки, обладая собственным источником питания, также могут генерировать выходной сигнал большего уровня, чем пассивные, позволяя применять их в более агрессивных для радиочастотного сигнала средах: воде (включая людей и животных, которые в основном состоят из воды), металлах (корабельные контейнеры, автомобили), для больших расстояний на воздухе. Большинство активных меток позволяет передать сигнал на расстояния в сотни метров при жизни батареи питания до десяти лет. Некоторые RFID-метки имеют встроенные сенсоры, например, для мониторинга температуры скоропортящихся товаров. Другие типы сенсоров в совокупности с активными метками могут применяться для измерения влажности, регистрации толчков/вибрации, света, радиации, температуры и газов в атмосфере.

Активные метки обычно имеют гораздо больший радиус считывания (до 300 м) и объём памяти, чем пассивные, и способны хранить больший объём информации для отправки приёмопередатчиком.

Полупассивные RFID-метки, также называемые полуактивными, очень похожи на пассивные метки, но оснащены батареей, которая обеспечивает чип энергопитанием. При этом дальность действия этих меток зависит только от чувствительности приёмника считывателя и они могут функционировать на большем расстоянии и с лучшими характеристиками.

По типу используемой памяти RFID-метки делятся на:

- RO - данные записываются только один раз, сразу при изготовлении. Такие метки пригодны только для идентификации. Никакую новую информацию в них записать нельзя, и их практически невозможно подделать;

- WORM - кроме уникального идентификатора такие метки содержат блок однократно записываемой памяти, которую в дальнейшем можно многократно читать;

- RW - такие метки содержат идентификатор и блок памяти для чтения/записи информации. Данные в них могут быть перезаписаны многократно.

По рабочей частоте RFID-метки делятся на:

- метки диапазона LF (125 - 134 кГц);

- метки диапазона HF (13,56 МГц);

- метки диапазона UHF (860 - 960 МГц);

- радиочастотные UHF-метки ближнего поля.

Преимущества радиочастотной идентификации:

- возможность перезаписи. Данные RFID-метки могут перезаписываться и дополняться много раз;

- отсутствие необходимости в прямой видимости. RFID-считывателю не требуется прямая видимость метки, чтобы считать её данные. Взаимная ориентация метки и считывателя часто не играет роли. Метки могут читаться через упаковку, что делает возможным их скрытое размещение. Для чтения данных метке достаточно хотя бы ненадолго попасть в зону регистрации, перемещаясь, в том числе, и на довольно большой скорости;

- большее расстояние чтения. RFID-метка может считываться на значительно большем расстоянии. В зависимости от модели метки и считывателя, радиус считывания может составлять до нескольких сотен метров. В то же время подобные расстояния требуются не всегда;

- больший объём хранения данных;

- поддержка чтения нескольких меток. Промышленные считыватели могут одновременно считывать множество RFID-меток в секунду, используя так называемую антиколлизионную функцию;

- считывание данных метки при любом её расположении;

- устойчивость к воздействию окружающей среды. Существуют RFID-метки, обладающие повышенной прочностью и сопротивляемостью жёстким условиям рабочей среды. В тех сферах применения, где один и тот же объект может использоваться неограниченное количество раз (например, при идентификации контейнеров или возвратной тары), радиочастотная метка оказывается более приемлемым средством идентификации, так как её не требуется размещать на внешней стороне упаковки. Пассивные RFID-метки имеют практически неограниченный срок эксплуатации;

- многоцелевое использование. RFID-метка может использоваться для выполнения других задач, помимо функции носителя данных. Штрих-код же не программируем и является лишь средством хранения данных;

- высокая степень безопасности. Уникальное неизменяемое число-идентификатор, присваиваемое метке при производстве, гарантирует высокую степень защиты меток от подделки. Также данные на метке могут быть зашифрованы. Радиочастотная метка обладает возможностью закрыть паролем операции записи и считывания данных, а также зашифровать их передачу. В одной метке можно одновременно хранить открытые и закрытые данные.

Недостатки радиочастотной идентификации:

- работоспособность метки утрачивается при частичном механическом повреждении;

- сложность самостоятельного изготовления;

- подверженность помехам в виде электромагнитных полей.

Организация памяти микроконтроллера.

Большинство современных микроконтроллеров имеют Гарвардскую архитектуру и содержат 3 вида памяти:

- память программ FLASH;

- оперативная память (ОЗУ) SRAM (Static RAM);

- энергонезависимая память данных EEPROM.

Адресные пространства указанных видов памяти, как правило, разделены. Способы адресации и доступа к этим областям памяти также различны. Такая структура позволяет центральному процессору работать одновременно как с памятью программ, так и с памятью данных, что существенно увеличивает производительность. Каждая из областей памяти данных (SRAM и EEPROM) также расположена в своем адресном пространстве.

Память программ представляет собой электрически стираемое ППЗУ (FLASH) и может поддерживать команды с разрядностью больше восемь бит. В некоторых микроконтроллерах память программ разделена на две секции:

- секцию загрузчика (Boot Program);

- секцию прикладных программ (Application Program).

Память программ чаще всего является электрически перепрограммируемой, количество циклов перезаписи превышает десять тысяч.

Большинство микроконтроллеров поддерживают внутрисхемное программирование, т. е. загрузку программы в микроконтроллер можно осуществлять после монтажа на плату посредством специального разъема программирования.

В памяти программ также находится вектор сброса - в момент подачи питания микроконтроллер начинает выполнение программы с этого адреса, и здесь размещается команда перехода к началу исполняемой программы. Кроме того, память программ содержит таблицу векторов прерываний. При возникновении прерывания после сохранения в стеке текущего значения счетчика команд происходит выполнение команды, расположенной по адресу соответствующего вектора. Поэтому по данным адресам располагаются команды перехода к подпрограммам обработки прерываний.

Положение вектора сброса и таблицы векторов прерываний может быть перенесено из секции прикладных программ в секцию загрузчика.

В некоторых случаях память программ может использоваться не только для хранения кода программы, но и для хранения различных констант.

Оперативная память, как правило, содержит три области:

- регистры общего назначения;

- служебные регистры;

- память для хранения данных.

Регистры общего назначения (РОН) находятся в непосредственной близости к АЛУ. Однако в микроконтроллерах некоторых фирм (в частности, PIC фирмы Microchip) имеется только один рабочий регистр, играющий роль одного из операндов в командах.

Применение набора регистров общего назначения в сочетании с конвейерной обработкой позволяет АЛУ выполнять одну операцию (извлечение операндов из набора регистров, выполнение команды и запись результата обратно в регистр) за один такт.

Служебные регистры имеют свои имя, адрес и назначение. Они предназначены для конфигурации и обслуживания периферийных узлов микроконтроллера. Краткая характеристика служебных регистров должна быть приведена в руководстве по использованию микроконтроллера (Data Sheet).

Среди служебных регистров есть, как правило, один регистр, используемый наиболее часто в процессе выполнения программ. Это регистр состояния. Он содержит набор флагов, показывающих текущее состояние микроконтроллера. Большинство флагов автоматически устанавливаются в «1» или сбрасываются в «0» при наступлении определенных событий (в соответствии с результатом выполнения команд). Все биты этого регистра доступны как для чтения, так и для записи. Эта информация анализируется при выполнении условных переходов. При возникновении прерываний содержимое регистра состояния необходимо сохранять программно (чаще всего это является "заботой" компилятора).

Остальная часть оперативной памяти предназначена для хранения пользовательских данных.

Энергонезависимая память данных (EEPROM) организована таким образом, что содержимое каждого байта отдельно может быть считано или записано. Количество циклов перезаписи энергонезависимой памяти превышает 100 тысяч. Энергонезависимая память предназначена для хранения настроек и конфигурации программы, то есть тех данных, которые должны сохраняться при пропадании питания.

Чтение и запись данных в EEPROM, как правило, осуществляется посредством использования соответствующих регистров из области служебных регистров SRAM. Как правило, это:

- регистр адреса при обращении к EEPROM;

- регистр данных, считанных/записанных в EEPROM;

- регистр управления чтением-записью EEPROM.

1.2 Выбор используемого интерфейса

Под интерфейсом понимают совокупность средств и методов взаимодействия между элементами системы. Для корректной и правильной работы, узлы разрабатываемого устройства должны быть связаны через определённый интерфейс, с целью осуществления обмена информацией между собой.

Можно выделить три основных интерфейса, позволяющие эффективно, с разной степенью надёжности и приемлемой скоростью осуществить такой обмен:

- проводной интерфейс. Использование обычных медных проводов, для передачи цифрового сигнала;

- беспроводной интерфейс;

- использование в качестве интерфейса силовой проводки.

Все эти интерфейсы имеют свои достоинства и недостатки. Рассмотрим подробнее каждый из вышеперечисленных интерфейсов.

Преимуществами проводного интерфейса являются надёжность и защищённость соединения, а также возможность передачи информации на высокой скорости. Однако существует значительный недостаток - затраты. В первых - это затраты на кабельную сеть. Медные провода дорогие, и при необходимости передачи на большие расстояния такой интерфейс будет очень дорогим. Во вторых - затраты на монтаж такой системы. Тут всплывает проблема эстетики. Висящие пучки проводов на стенах или кабельные каналы смотрятся некрасиво и портят весь интерьер дома. Решить эту проблему можно путём закладки проводов под штукатурку.

Преимущества беспроводного интерфейса - легкий монтаж. Недостаток - необходимость учитывать множество внешних факторов. К ним относят:

- естественные препятствия. Иногда сигнал может глушиться различными бытовыми устройствами, например, микроволновой печью. Железобетонные перекрытия также могут затруднять его распространение и сокращать длину канала связи;

- мощность устройств;

- работа устройств на тех же частотах.

Использование в качестве интерфейса силовой проводки. В этом случае по силовым линиям одновременно проходит питающее напр. 220 В и цифровой сигнал.

В качестве примера могу привести подключение беспроводной видеокамеры (рисунок 1.4).



Рисунок 1.4 Подключение беспроводной видеокамеры

Достоинство такого интерфейса - простота монтажа. Нет необходимости закладывать дополнительную кабельную сеть, что существенно сокращает затраты. Основные проблемы, возникающие при обмене данными по электрическим сетям, связаны с выделением информационного сигнала из помех и сетевого напряжения. Распространение сигнала и, следовательно, качество его приема зависит от архитектуры электрической сети, которая хотя и имеет древовидную структуру, но может изменяться, поэтому аппаратура должна уметь динамически адаптироваться к постоянно меняющимся условиям распространения сигнала. Кроме того такой интерфейс очень медленный и позволяет осуществлять обмен информацией только на низких скоростях.

Проанализировав достоинства и недостатки предложенных интерфейсов можно сформировать критерии для определения наиболее оптимального интерфейса. Чтобы правильно выбрать интерфейс, необходимо определить следующие моменты:

- определение расстояния между конечным устройством и устройством управления;

- возможность прокладки кабеля связи.

1.3 Обобщенная структурная схема

Основными задачами видеодомофона являются передача видеосигнала и аудиосигнала, открытие дверей с помощью брелков с RFID-метками, запись в память микроконтроллера номера RFID-меток.

Видеодомофон был разработан для установки на вход коттеджа, частного дома или офиса. Основу устройства составляет два предмета -- старенький черно-белый телевизор с видео, аудио входами и выходом на головные телефоны, и черно-белая аналоговая видеокамера с встроенным звуковым каналом. Функционально схема состоит из трубки, входного блока и считывателя RFID-меток.

Трубка похожа на навесной телефонный аппарат, но у неё нет наборной клавиатуры. Внутри расположен электретный микрофон, микродинамик, микроакустический генератор, одна кнопка и рычажный переключатель.

Во входном блоке есть источник питания, видеокамера с каналом звука, низкочастотный усилитель с динамиком, реле, управляющее отпорным механизмом электрозамка, кнопка вызова а также микроконтроллер с антенной для считывания меток.

Питание на камеру поступает постоянно, поэтому на экране телевизора всегда видно что происходит у входной двери. Чтобы позвонить гость должен нажать кнопку вызова. При этом зазвучит микроакустический генератор. На экране телевизора будет виден гость, и если вы ждали этого человека, то можно его пустить. Если есть о чем поговорить с гостем - поднимается трубка, сигнал от микрофона будет проходить на усилитель. Когда будет говорить гость, его голос будет восприниматься встроенным микрофоном камеры, и далее будет поступать на аудиовход телевизора. К телефонному выходу телевизора подключен микродинамик, расположенный в трубке. Связь дуплексная, поэтому можно разговаривать одновременно.

После того как переговоры завершены можно пустить гостя, нажав на соответствующую кнопку или не пустить его и повесить трубку на место.

Для записи RFID-меток в память микроконтроллера ставится соответствующая перемычка на печатной плате. Если в память микроконтроллера записан номер ключа - открывается входная дверь.

Обобщённая структура входного блока видеодомофона со считывателем RFID-меток изображена на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 Обобщённая структура системы

Согласно обобщённой структуре на микроконтроллер от считывателя RFID-меток поступают данные идентификатора пользователя. В зависимости от управляющих сигналов микроконтроллер записывает данные RFID-меток или открывает дверной замок. Домофон в свою очередь состоит из входного блока видеодомофона и трубки.

домофон видеокамера транспондер радиочастотный

1.4 Разработка структурной схемы

При разработке структурных схем используются следующие методы:

- эвристический - основан на накопленном опыте, анализе литературы и интуитивных соображениях;

- математический - на основе исходных данных создается математическая модель внешних воздействий. Производится анализ модели. Затем создается несколько подобных моделей. Из этих моделей выбирается наиболее качественная, экономичная;

- метод функционального наращивания - на основании задания составляется перечень функций, которые должно реализовывать данное устройство.

При разработке структурной схемы входного блока видеодомофона использовался метод функционального наращивания.

Данное изделие выполняет следующие функции:

- передача видеосигнала и аудиосигнала по RCA кабелю;

- считывает данные брелков с RFID-метками;

- открытие дверного замка;

- запись данных RFID-меток в память микроконтроллера.

Микроконтроллер - (англ. Micro Controller Unit, MCU) - микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ или ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи.

Аналоговая видеокамера - устройство, предназначенное для преобразования оптического изображения в аналоговый видеосигнал в системах видеонаблюдения.

Аналоговые видеокамеры являются ключевым компонентом аналоговых систем видеонаблюдения. В современных аналоговых видеокамерах для преобразования оптического изображения в электрический сигнал используются специализированные интегральные микросхемы - ПЗС-матрицы. Монохромные видеокамеры, как правило, являются чувствительными не только к видимому, но и к невидимому - инфракрасному излучению. Основными параметрами, характеризующими аналоговую видеокамеру, являются:

- используемый телевизионный стандарт видеосигнала (обычно PAL или NTSC);

- наличие или отсутствие цветности изображения;

- разрешение (пространственная информативность изображения);

- чувствительность (минимальная допустимая освещённость наблюдаемых объектов);

- динамический диапазон (широта диапазона одновременно воспринимаемых яркостей);

- напряжение питания и потребляемая мощность;

- отношение сигнал/шум формируемого видеоизображения;

- наличие или отсутствие встроенного объектива;

- наличие различных режимов функционирования и коррекции изображения;

- тип исполнения корпуса.

На основе вышеизложенных описаний структурную схему разрабатываемого устройства можно представить на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 Структурная схема входного блока видеодомофона со считывателем RFID меток

Размещено на Allbest.ru