張曉丹，俞 侃，朱琳琳

（文華學(xué)院 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)部，武漢430074）

隨著物聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，智能小區(qū)和智能家居逐漸興起，人們對于居住環(huán)境的安全性提出了更高的要求。智能門鈴作為智能家居的重要組成部分，取代功能單一的傳統(tǒng)門鈴已成為不可避免的趨勢。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測，2020年我國智能家居產(chǎn)值將突破萬億元，潛在市場規(guī)模將達(dá)5.8 萬億元。國外調(diào)查機(jī)構(gòu)Technavio 發(fā)布的報(bào)告顯示，未來智能門鈴市場年復(fù)合增長率高達(dá)69%[1]。智能可視化WiFi 門鈴能有效地提升家居生活的便利感、科技感和安全感，具有廣闊的市場前景和較大的社會(huì)價(jià)值。

2014年美國德州儀器發(fā)布了業(yè)界第一款帶有片上WiFi 功能的單片機(jī)CC3200，通過Cortex-M4內(nèi)核可直接控制片上WiFi 模塊，無需外接無線射頻模塊即可連接網(wǎng)絡(luò)。在此，基于該單片機(jī)并配合使用攝像頭模塊、音頻模塊、蜂鳴器、OLED 屏、按鍵等外設(shè)，在IAR 集成開發(fā)環(huán)境下采用C 語言和CC3200SDK開發(fā)智能可視化、低功耗WiFi 門鈴系統(tǒng)。

1 智能門鈴系統(tǒng)研究進(jìn)展

早期的門鈴輔助安裝貓眼，通過貓眼去觀看門外的來訪者。傳統(tǒng)的貓眼依靠光學(xué)成像，視角范圍較小，在外界光線強(qiáng)度較弱時(shí)難以看清門外情況，且傳輸距離有限。

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，有線門鈴逐漸向無線門鈴過渡。文獻(xiàn)[2]基于W77E58單片機(jī)和GSM 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了具有語音合成功能的智能門鈴系統(tǒng)；文獻(xiàn)[3]在CPLD（complex programmable logic device）中實(shí)現(xiàn)了無線可視對講門鈴系統(tǒng)的幀同步，設(shè)計(jì)用于智能小區(qū)安全的無線可視對講門鈴系統(tǒng)；文獻(xiàn)[4]提出了遠(yuǎn)程控制集可視、語音對講、監(jiān)控及提醒等眾多功能于一體的移動(dòng)互聯(lián)門鈴解決方案；文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了基于ARM 的智能可視化電子門鈴系統(tǒng)，采用STM32F1 芯片為主控芯片，并對其移植了UCOS-II 操作系統(tǒng)；文獻(xiàn)[6]實(shí)現(xiàn)了一款無線編解碼遙控門鈴，最遠(yuǎn)空曠距離可達(dá)60 m；文獻(xiàn)[7]提出了基于Hadoop 云平臺的WiFi 移動(dòng)無線門鈴系統(tǒng)，解決用戶隨時(shí)隨地了解訪客信息的需求；文獻(xiàn)[8]以STC89C51 單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了基于51 單片機(jī)的無線音樂門鈴；文獻(xiàn)[9]提出了集智能手機(jī)和家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)功能于一體的物聯(lián)網(wǎng)門鈴，通過獲取閉路電視的證據(jù)來幫助識別入侵者； 文獻(xiàn)[10]針對專門的視頻顯示器攜帶不便的問題，設(shè)計(jì)了基于云服務(wù)的智能門鈴系統(tǒng)；文獻(xiàn)[11]引入Dashbell設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了廉價(jià)的家用智能門鈴系統(tǒng)，支持WiFi設(shè)備Amazon 儀表盤連接網(wǎng)絡(luò)；文獻(xiàn)[12]以AT89C51單片機(jī)為主控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了智能家庭語音無線對講門鈴系統(tǒng)。

以上研究大多聚焦于無線可視化方面，重點(diǎn)解決非法入侵、開門不便、家中無人訪客等待等問題，尚未著重考慮系統(tǒng)的功耗和節(jié)能問題。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能可視化低功耗WiFi 門鈴系統(tǒng)的門鈴端以CC3200 主控板為核心，搭載攝像頭、麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器、OLED 屏、蜂鳴器等外設(shè)，配有USB 轉(zhuǎn)串口、仿真器等接口，連接家庭WiFi，通過TCP、UDP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)與移動(dòng)終端之間的網(wǎng)絡(luò)通信，移動(dòng)終端采用具有Android 系統(tǒng)的智能手機(jī)。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 可視化低功耗WiFi 門鈴系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design of visual low-power WiFi door bell

2.1 無線視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

無線視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊主要實(shí)現(xiàn)無線語音對講和無線實(shí)時(shí)視頻播放功能。當(dāng)有訪客按下門鈴以后，攝像頭開啟工作發(fā)送采集的圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)JPEG編碼輸入CC3200 主控板，在客戶端App 與CC3200主控板建立TCP 連接后，單向地向手機(jī)客戶端傳輸實(shí)時(shí)圖像并顯示，用戶可通過手機(jī)App 界面進(jìn)行圖像捕獲、OLED 屏幕顯示回復(fù)消息、開啟語音對講功能。該模塊設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 無線視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊原理Fig.2 Schematic of wireless video real-time monitoring module

JPEG 是一種國際化的圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，不僅可以保證圖像的壓縮性能，還擁有良好的重建質(zhì)量，多應(yīng)用于圖像處理和視頻處理領(lǐng)域。JPEG 的編碼過程主要包括采集RGB 數(shù)據(jù)、YUV 轉(zhuǎn)換、提取8×8 數(shù)據(jù)塊、FDCT 變換、量化、Z 變換、霍夫曼編碼，輸出JPG 格式。

2.2 無線語音對講模塊設(shè)計(jì)

無線語音對講模塊原理如圖3所示。其基本原理是，當(dāng)開啟語音對講功能后，CC3200 主控板向客戶端發(fā)送訪客的語音消息，麥克風(fēng)將采集到的音頻數(shù)據(jù)經(jīng)由ADC 轉(zhuǎn)換、編碼過程后通過UDP 協(xié)議，端口號5001，發(fā)送給客戶端。與此同時(shí)，將接收到的音頻數(shù)據(jù)將經(jīng)過解碼、DAC 轉(zhuǎn)換后，經(jīng)喇叭播放供訪客接聽。

圖3 無線語音對講模塊原理Fig.3 Schematic of wireless voice intercom module

2.3 低功耗模塊設(shè)計(jì)

設(shè)置休眠模式，當(dāng)按動(dòng)門鈴后，CC3200 主控板從休眠模式被喚醒，初始化外圍設(shè)備進(jìn)行WiFi 網(wǎng)絡(luò)連接。從每次聯(lián)網(wǎng)成功開始計(jì)時(shí)，30 s 內(nèi)若未能成功與客戶端進(jìn)行TCP 連接，門鈴系統(tǒng)將再次進(jìn)入休眠模式。若與手機(jī)客戶端TCP 連接成功，用戶則可通過手機(jī)客戶端App 觀看視頻，回復(fù)消息至OLED屏，與來訪者進(jìn)行語音對講。結(jié)束時(shí)，可通過手機(jī)客戶端App 使設(shè)備立即進(jìn)入休眠模式，或關(guān)閉手機(jī)客戶端App，TCP 連接斷開后30 s 內(nèi)若未能重連，則自動(dòng)進(jìn)入休眠模式。該模塊設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 低功耗模塊原理Fig.4 Schematic of low-power module

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 WiFi 網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)

CC3200 可快速實(shí)現(xiàn)AP 模式或STA 模式的網(wǎng)絡(luò)連接，通過調(diào)用官方SDK 包中ConfigureSimple LinkToDefaultState（）函數(shù)完成配置，調(diào)用sl_Strat（）函數(shù)開啟網(wǎng)絡(luò)處理器，SwitchToStaMode（）函數(shù)將設(shè)備切換到STA 模式，使用WlanConnect（）函數(shù)連接至指定的WiFi 網(wǎng)絡(luò)。

3.2 實(shí)時(shí)視頻采集功能實(shí)現(xiàn)

初始化攝像頭，設(shè)置攝像頭輸出數(shù)據(jù)格式為YCbCr4：2：2，配置DMA 并啟動(dòng)捕獲圖片數(shù)據(jù)寫入sflash。以JFIF 的格式創(chuàng)建JPEG 文件頭，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)JPEG 壓縮后發(fā)送至手機(jī)客戶端，通過手機(jī)客戶端App 可以保存某時(shí)刻的圖片數(shù)據(jù)。當(dāng)手機(jī)發(fā)送停止信號時(shí)，視頻設(shè)備關(guān)閉并進(jìn)入休眠。實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵代碼如下：

3.3 無線語音對講功能實(shí)現(xiàn)

當(dāng)接收到來自手機(jī)客戶端發(fā)送的開啟語音對講命令后，CC3200 對外設(shè)音頻模塊進(jìn)行初始化，并設(shè)置麥克風(fēng)音量大小，分配Buffer 緩沖區(qū)存儲接收和發(fā)送的音頻數(shù)據(jù)，設(shè)置以DMA 方式搬運(yùn)ADC 采集到的數(shù)據(jù)。以輪詢的方式完成音視頻的采集、發(fā)送以及音頻播放。當(dāng)CC3200 接收到來自客戶端發(fā)送的關(guān)閉語音對講功能的命令后，關(guān)閉對外設(shè)音頻模塊的使用，只進(jìn)行視頻的傳輸。

音頻采集及發(fā)送的關(guān)鍵代碼如下：

音頻接收及播放的關(guān)鍵代碼如下：

3.4 低功耗模式

開機(jī)或由休眠狀態(tài)被喚醒后，定時(shí)器開始計(jì)數(shù)等待30 s。若30 s 過后仍無人接聽，設(shè)備立即再次進(jìn)入休眠；若在等待時(shí)間內(nèi)被接聽，則執(zhí)行音視頻通信、消息回復(fù)功能。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接異常時(shí)，設(shè)備自動(dòng)復(fù)位。當(dāng)CC3200 收到來自手機(jī)客戶端發(fā)送的休眠指令后，設(shè)備立即進(jìn)入Hibernate 模式。低功耗模式的關(guān)鍵代碼如下：

4 系統(tǒng)測試

4.1 系統(tǒng)測試環(huán)境搭建

系統(tǒng)測試環(huán)境包括門鈴端和手機(jī)客戶端兩部分，如圖5所示。各部分的硬件環(huán)境如下：

圖5 門鈴端的硬件環(huán)境Fig.5 Hardware of doorbell end

門鈴端德州儀器帶有片上WiFi 的MCU——CC3200 作為核心板，其具有USB 轉(zhuǎn)串口、仿真器接口等接口，外接Mt9d111 8 位并行攝像頭、32 mm OLED 顯示屏、音頻模塊等，在IAR 集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行程序編譯，燒錄至片上Flash 中。

手機(jī)客戶端手機(jī)小米4，搭載Android 6.0.1系統(tǒng)，內(nèi)置2 G RAM/16 G ROM，具備視頻觀看、語音對講、消息回復(fù)等功能。

4.2 音視頻測試

CC3200 主控板與Android 手機(jī)均連接家庭WiFi網(wǎng)絡(luò)，將Android 手機(jī)設(shè)定為固定IP：192.168.43.192，進(jìn)行音視頻測試。測試界面如圖6和圖7所示，測試結(jié)果音視頻均可正常工作。當(dāng)開啟采集音頻后，采集的音頻數(shù)據(jù)達(dá)到2 K，通過UDP 協(xié)議，端口號5001 發(fā)送至手機(jī)端播放音頻，通過端口號5002 對收到的音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼并播放。攝像頭采集的分辨率為640×480，并編碼為JPEG 格式，通過TCP 協(xié)議發(fā)送至手機(jī)端顯示，反復(fù)測試視頻播放流暢。

圖6 實(shí)時(shí)音頻測試Fig.6 Test of real time audio

圖7 實(shí)時(shí)視頻測試Fig.7 Test of real time video

4.3 網(wǎng)絡(luò)速度測試

采用TCP & UDP 測試工具測試網(wǎng)速，如圖8所示。此時(shí)TCP 接收速度為634880 B/s，足以滿足640×480 的圖片數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)傳輸，反復(fù)測試可知，平均網(wǎng)絡(luò)傳送速度與網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和CC3200 的處理速度成正比。

4.4 低功耗測試

圖8 接收TCP 數(shù)據(jù)Fig.8 Receive TCP data

系統(tǒng)休眠設(shè)定為Hibernate 模式，通過按鍵觸發(fā)（設(shè)定引腳GPIO13 為喚醒源）和定時(shí)喚醒（用于處理網(wǎng)絡(luò)連接出錯(cuò)時(shí)重啟）2 種方式喚醒設(shè)備。當(dāng)設(shè)備進(jìn)入休眠后，干路消耗電流為0.649 mA，如圖9所示。若使用5000 mA/h 電源供電，每天按動(dòng)1 次門鈴，每次工作時(shí)長1 min，則理論上可待機(jī)使用6 個(gè)月。

圖9 低功耗測試Fig.9 Test of low-power

5 結(jié)語

通過設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能可視化低功耗WiFi 門鈴，采用CC3200 自帶的片上WiFi 模塊，解決了傳統(tǒng)門鈴傳輸距離的問題，實(shí)現(xiàn)了無線傳輸、低功耗和音視頻通信功能。采用低功耗的芯片，當(dāng)無訪客時(shí)門鈴處于休眠狀態(tài)，大幅度降低對電源的消耗，從而可以使用內(nèi)置電源的方式供電，且不必頻繁更換電源；采用無線設(shè)計(jì)，通過連接WiFi 設(shè)備實(shí)現(xiàn)了門鈴與移動(dòng)設(shè)備之間的通信，且安裝簡單，節(jié)省人力物力。當(dāng)有訪客到來時(shí)，門鈴從睡眠模式被喚醒，自動(dòng)連接WiFi 設(shè)備，主人可以使用移動(dòng)設(shè)備，在App 上接收到音視頻流數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程查看來訪情況，并且可實(shí)時(shí)與來訪者語音對講，從而增強(qiáng)家庭的安全性和用戶體驗(yàn)。后續(xù)將進(jìn)一步考慮采用H264，H265 等更高的視頻數(shù)據(jù)壓縮率來避免網(wǎng)絡(luò)阻塞，開展音視頻數(shù)據(jù)上傳云端、人臉識別消息推送等研究。