怎樣設計博物館的智能防盜保護器系統(tǒng)

怎樣設計博物館的智能防盜保護器系統(tǒng)

摘  要：本設計的目的是實現(xiàn)博物館藏品防盜和保護的智能化。以微處理器為核心，利用美國國家半導體的彩色圖像傳感器LM9628和溫度傳感器LM19進行環(huán)境監(jiān)控，并控制報警系統(tǒng)和空調系統(tǒng)以及進行圖像處理。
關鍵詞：圖像傳感器；溫度傳感器；AVR單片機；CPLD

引言
    博物館內的藏品常常受到人為盜竊的威脅，周圍環(huán)境的變化也會對其造成破壞，因此需要極為可靠的防盜系統(tǒng)及完善的空調系統(tǒng)，本設計的目的就是實現(xiàn)對館藏品的智能化防盜和保護。博物館關閉時便可將此防盜保護器啟動，通過CMOS傳感器對博物館進行掃描，圖像信號在微處理器中進行處理篩選壓縮，并與被監(jiān)控信號(人形信號)進行比較，一旦出現(xiàn)類人形信號，便將數據進行存儲(這樣可以大大節(jié)省存儲空間)，并進行報警。被監(jiān)控信號可以增加，可以是其它任何可能對館藏品造成損害的動物，只不過在進行篩選比較處理時要復雜一些。另外，通過溫度傳感器對溫度信號進行采集監(jiān)控，通過控制館內空調來達到調節(jié)溫度的效果，以避免館內文物因為溫度的變化而造成損害。

圖1  系統(tǒng)功能框圖

硬件系統(tǒng)設計
器件的選擇
    本設計需要對博物館內的情況進行大范圍適時監(jiān)控并采集圖像數據和溫度數據進行處理，因此核心器件應包括圖像傳感器、溫度傳感器和微處理器。
圖像傳感器

    為了實現(xiàn)適時監(jiān)控，要求圖像傳感器的數據率(轉換速度)比較快、分辨率比較高，本文選用了彩色CMOS傳感器LM9628。

溫度傳感器
    本文采用了高精度溫度傳感器LM19，它具有以下主要特點：可檢測的溫度變化范圍最大為-55℃~+130℃；溫度變化呈良好的線性度；可預測的溫度曲線誤差。

AVR高速單片處理器
    本文采用了ATMEGA16單片機作為核心處理器，MEGA16可外接16MHz晶振，單位時鐘內可以執(zhí)行一條指令，內含RAM和EEPROM，并且含8通道10位ADC。基本可以達到本系統(tǒng)數據處理和控制的要求。

系統(tǒng)構成原理
    系統(tǒng)要具有采集、處理、傳輸、控制等功能，其組成功能框圖如圖1所示。在處理器的控制下，CMOS傳感器的圖像數字信號(8位，10位或者12位)通過并行數據線經接口電路存入存儲器，微處理器將存儲器內的數據取出并進行分析處理(同時檢測溫度數據), 然后控制訊響系統(tǒng)和相關空調接口。

圖像采集部分
    因為CMOS傳感器采集部分在使用過程中需要合適的安裝位置，因此單獨把它布線到了一塊小電路板上,稱之為采集頭板。 需要注意的是LM9628采用48引腳的LCC封裝，在焊接上有一定難度(本文用15W尖嘴小烙鐵，采用拖焊技術)。同時，為了便于焊接，在畫元件封裝圖時最好將引腳在數據手冊中給出的標準數據基礎上再延長2個毫米。 另外，為了能采集到完整的圖像，還需要在頭板CMOS傳感器的上方裝一個1/ 3”的光學成像透鏡，使投影到感光陣列上的圖像盡可能完整,在安裝時注意調整合適的焦距以及光柵的大小。由于采得的圖像數據恢復時需要定位輸出, 因此采用CMOS傳感器的主工作模式，同時檢測其輸出的像素時鐘、行時鐘、場時鐘，存儲時加入定位信息以保證數據的有效性以便正確恢復。由于MEGA16可以快速處理8位數據，因此通過設置CMOS內部寄存器PixDataSel 和PixDataMsb(將PixDataSel設置為10h，8位模式，數字視頻輸出d[11..3]有效；將PixDataMsb設置為11h，8位模式，內部視頻ADC的高8位有效)，將低4位數據進行屏蔽，直接輸出8位圖像數據。為了加快調試過程，可利用CMOS傳感器具有采集窗口大小可以調整的特點，將采集窗口的像素設置的比較小，從而減少了所要處理的數據量。這些功能的實現(xiàn)，都需要通過 I2C總線對內部控制寄存器進行設定，內部一些寄存器狀態(tài)的讀出也需要通過I2C總線，因此I2C總線的讀寫時序的實現(xiàn)很重要，必須嚴格按照數據手冊所給定時關系來實現(xiàn)。

溫度采集電路
    為了保證良好的線性度，必須給溫度傳感器LM19的輸入端提供穩(wěn)定的直流電壓，本設計采用的是3.3V穩(wěn)壓二極管，保證傳感器有最大的動態(tài)范圍，即-55℃~+130℃。傳感器輸出電流很小(幾十微安),因此需要加運放進行放大，否則會被處理器引腳電壓驅動為高電平或者低電平，以致于不能準確采集到電壓信號。本文采用的運放器件是LMC6035。調試時應該注意，LM19是負溫度系數的溫度傳感器，即溫度越高，輸出電壓越低；反之，溫度越低，電壓越高，因此要合理選擇運放的電阻參數，使輸出有合適的動態(tài)范圍。

存儲器及其接口電路
    為了避免系統(tǒng)突然掉電導致監(jiān)控數據的丟失，存儲器件采用了AM29F002，它是一款Flsah ROM，存取數據速度相當快，掉電后數據不會丟失。設計中用了兩塊存儲器，總存儲量為2¹⁸*2=524288，而一幀圖像的最大有效數據量為648*448=290304，基本上可以滿足存儲要求。因為圖像傳感器輸出的數字信號要直接存入存儲器，同時處理器也要對存儲器里的數據進行讀寫，而采用的處理器直接尋址范圍有限，只能進行8位尋址，因此需要較復雜的控制邏輯，本文采用CPLD器件EPM7128來解決這一問題，通過軟件編程簡化硬件設計。

處理器及外圍控制電路
    處理器部分是系統(tǒng)的核心，它具有控制和處理兩個功能。外圍控制接口電路包括訊響部分、空調控制顯示部分和串口電路。

電源電路設計
    以盡量減小功耗為目的，整個系統(tǒng)采用了兩種供電電源：3.3V 和 5V。3.3V穩(wěn)壓模塊采用的是CZ1585CT，5V穩(wěn)壓模塊采用的是MC7805T。由于現(xiàn)在穩(wěn)壓電源集成度比較高，電路組成也比較簡單，在此就不給出原理圖了。

軟件程序的設計
    由于整個系統(tǒng)有單片機的控制與數據處理，也有PC機的圖形處理，還有接口邏輯設計，因此軟件調試既包括AVR單片機程序調試，也包括PC機程序的調試，還有硬件邏輯的描述，前兩種程序的編寫均使用C語言，后一種采用硬件描述語言VHDL進行編寫紙漿測試儀·水份測量變送器·電極·。

    AVR單片機部分的程序設計要完成對CMOS器件的控制，溫度和圖像的采集與處理以及圖像數據的傳輸。

    PC機圖像處理程序主要完成圖像數據的接收、分析處理以及圖像的顯示，主要程序模塊有圖形顯示模塊，UART通信模塊，圖像恢復模塊等，程序相對來說比較復雜，程序段也比較長，在此就不給出了。

結語
    本系統(tǒng)具有實時性強、智能化、功耗低等特點。雖然是為專用用途而設計，實際上它適用于任何需要圖像和溫度監(jiān)控的場合，比如普通家庭的防盜及室內溫度調節(jié)，游泳館的水溫控制及防溺水等。由于時間有限，設計中還存在著很多缺陷與不足，在很多方面如圖像數據的傳輸、圖像的恢復等還需要進一步的改進與完善。