原创 SST39VF1601应用于以太网的智能楼宇安全监控系统

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基于以太网的智能楼宇安全监控系统

一、系统方案简介
本系统由一个 PC 端上位机和多个基于 STR710FZ2 的下位机节点组成，通过以太网
+TCP/IP协议栈的方式实现系统的组网与通信，可同时完成整个楼宇的监控。下位机主要负
责各个监控节点敏感信息的采集，并将它们传输给监控中心的PC端上位机，这些数据包括：
图像、温度、烟雾浓度等等。PC 端上位机能够同时显示多个节点的监控信息，并对这些信
息进行分析和处理，可根据一些预设的条件完成无人值守的报警功能。图 1所示为整个系统
的结构图：

二、系统实现原理 

1、基于STR710FZ2的下位机节点的实现
下位机的实现包括硬件和软件两个方面，其硬件系统由 3 个 PCB 电路板构成——核心
板、图像采集模块和LCD 显示模块。软件系统的构成为 uCOS/II操作系统、TCP/IP协议栈
和各任务程序。

（1）系统的供电
电源是一个电子系统正常工作的根本，一个实用化的系统首先必须在电源设计上加以高
度的重视和优化。对于像本设计方案这种由多节点组成的监控系统，每个节点都由独立的电
池供电是一种可能的办法，但若采用这种方法即使在功耗控制上花大力去优化也会给后期的
维护带来诸多不便，因为监控装置通常安装在常人不能轻易接触的地方，更换电池相当麻烦。
若采用市电供电，虽然能减轻维护难度但它仍有诸多不足，因为市电电压较高，若要将市电
延伸到各监控节点，其线路的铺设在安全方面要求极为严格，甚至需由专门的认证单位来施
工，否则将会有诸多安全隐患；再者，当市电意外中断时楼宇中需要有后备的发电机才能维
持监控节点的工作。PoE(Power over Ethernet)是诸如楼宇监控这类系统的最佳供电方案，它不仅为系统提供了高带宽的通信方式同时还有效的解决了节点供电问题，在市电中断时仅需一个 UPS 就能保证监控节点正常工作，其网络的铺设也比较简单。PoE 早在上世纪 90 年代就出现，但关
于PoE 的正式标准却一直到2003年 7 月才由 IEEE 正式颁布，标准代号为 802.3af。802.3af
标准的制定加速了PoE 的推广，目前 PoE 已经在很多案例中成功应用，图 2 是 PoE 供电方
法的典型结构图：

PoE中的受电端称为PD（Powered Device），供电端称PSE（Power Sourcing Equipment）。
PSE通常通过购买带有PoE功能的交换机或者在现有的交换机上加接PoE MidSpan来实现，
PSE 设备不是本系统中所需设计完成的内容，我们仅需要完成 PD 端的电路设计。
目前许多IC厂商都推出了实现PD端的集成芯片，如MAXIM公司的MAX5940、National
Semiconductor 公司的 LM5070、Linear Technology 公司的 LTC4267 等等，但是目前业界最
高整合度的PD端解决方案来自Silicon Laboratories 公司的 SI3400 芯片。SI3400 最大化的减
少了实现PD 端所需的外围器件，其芯片尺寸仅为 0.5cm×0.5cm，本系统中下位机节点的以
太网受电电路就是基于SI3400设计。
本系统中设计的以太网受电电路的输出电压为+5V，通过一个三端线性稳压器件后最终
得到供各芯片使用的+3.3V电源，三端线性稳压器件选择的是 Micrel公司 MIC29300-3.3BT。
由于MIC29xxx系列三端线性稳压器件采用了 Micrel公司的 Super Seta PNP工艺，它们具有
极高的转换效率，适合对功耗控制较严格的应用环境。

（2）系统的控制

STR710FZ2 处理器是各下位机节点的核心，它的工作重点在于控制和通信，它对各个
监控节点的视频图像和其他一些需要检测的敏感数据（温度、烟雾等等）进行采集，然后再
将这些数据不经过任何处理的通过以太网传送给 PC端上位机。
我们将使用一个小型的实时操作操作系统——uCOS/II 去控制各节点的这些多任务工
作，然而由于STR710FZ2处理器在片内仅集成了 64KB的 RAM和 256+16KB的 Flash存储
空间，这对于一个需要进行图像采集、以太网通信和运行嵌入式操作系统的应用环境来说显
然是不够的，所以我们需要外扩一定数量的 SRAM和 Flash存储器。
SRAM的扩展对于本系统是必须的，我们在 STR710FZ2 处理器 EMI接口的 BANK1上
扩展了1片ISSI公司的61LV25616异步 SRAM存储芯片，其容量为 256K×16bit，具有 16
位的数据总线。Flash存储器的扩展将视后期程序代码的容量而定，若 STR710FZ2 片内 Flash
存储器容量已能满足系统需要，将不再扩展 Flash存储空间。不过我们在进行系统硬件设计
时在EMI的BANK0上预扩了1片SST公司的 SST39VF1601 型 NOR Flash存储芯片，其容
量为1M×16bit，若后期需要可以直接加焊在 PCB上。

（3）系统的通信

各下位机节点需要实时的传输大量的数据到 PC上位机，以太网＋TCP/IP协议栈的通信
方式能在带宽、实时性和可靠性上很好的保证本系统的数据传输。为了让各节点具有以太网
通信的能力，本系统在 STR710FZ2 处理器的 EMI 上扩展了 1 个独立以太网控制器——
CS8900A。CS8900A的通信速率为10Mbps，数据总线为 16 位，能以 Memory或 I/O 两种模
式与各种处理器相连接，本系统中使用 I/O 模式将其与 STR710FZ2 处理器相连接。

（4）图像数据的采集

本系统的图像采集模块基于 OMNIVISION 公司的 OV6630 数字图像传感器设计。
OV6630将CMOS图像传感器和相应的视频 AD 转换及视频输出电路集成在一个芯片上，从
而在实现高保真数字图像的前提下显著地降低了成本和体积。356×292的 CMOS图像传感
器阵列扫描输出原始的Ｒ、Ｇ、Ｂ彩色图像信号，经模拟处理电路进行曝光、校正、白电平调整等处理后，根据输出要求还可转换成YUV等多种信号输出形式，其模拟视频信号经两
路８位视频AD 转换后由视频接口输出 YCrCb 4:2:2, GRB 4:2:2, RGB Raw Data 格式的标准
数字视频图像信号。OV6630 的视频时序产生电路用于产生行同步、帧同步等多种同步信号
以及象素时钟等多种内部时钟信号。
要使 OV6630 正常工作需对其进行一系列的初始化配置，OV6630 具有 1 个标准的 I2C
总线接口，通过将该接口能控制OV6630的各种工作状态、工作方式、数据输出格式和读取
内部状态信息等。
OV6630 与 STR710FZ2 之间的数据传输不通过 EMI 接口，我们需使用处理器的 GPIO
口来模拟OV6630的图像数据传输时序。在实际的硬件设计中，我们为图像采集模块单独设
计了一块PCB，该模块通过可插拔的排线与核心板相连。

（5）其他传感器

本系统中除了要采集各监控节点的图像信息以外还要采集诸如温度、烟雾、湿度等敏感
数据，这需要扩展各种传感器。其中对于温度的采集我们通过直接在 STR710FZ2 上连接一
个的I2C接口数字温度传感器实现。目前各大 IC厂商推出了很多各种型号的 I2C接口数字
温度传感器，这些传感器在使用方法和功能上都大同小异，本系统中选用的温度传感器为
Philips公司的LM75A。LM75A的温度采集范围为–55 °C to +125 °C，分辨率为 0.125 °C，
精度为1°C。其指标基本上可以满足大多数非专门的温度采集应用环境。而其他数据的采集
我们通过购买现成的传感器模块来实现。

（6）监控数据的显示

各节点的数据通过以太网传输到 PC 端上位机后在 PC 机的屏幕上统一显示，然而为了
更好的进行现场演示，我们在下位机上外扩了一彩色 LCD 显示模块，这样一来当单个节点
独立工作时也能观察到采集的图像、温度等各种信息。
LCD显示模块设计为一单独的PCB，通过预留的安装插座与核心板相连，其核心是一SHARP
公司的TFT彩色液晶模块——LS022Q8，该液晶模块的屏幕尺寸为 2.2英寸，分辨率为 240
×320，色彩为26万色，显示效果非常细腻、真实。

（7）软件系统

  下位机节点的软件系统需实现的主要功能包括系统的通信、图像数据的采集、其他传感
器数据的采集、监控数据的显示。图3 是整个软件系统的架构图：
  根据系统的功能，我们大致将软件系统分为如下几个模块：系统通信部分，网络协议部
分，数据采集部分，监控数据显示部分，以及负责处理各部分任务切换的操作系统部分。
操作系统部分主要是使用Micrium公司出品的轻量级操作系统 uC/OS-II，它具有实时性
好，并且代码比较小巧的特点，具备操作系统的基本功能如任务切换等，因此非常适合在本
设计中使用。
网络协议部分主要是使用Micrium公司出品的轻量级协议栈 uC/TCPIP协议，底层编写
好CS8900A网口驱动，就可以使用uC/TCPIP协议进行网络通信。uC/TCPIP协议实现了标
准的 TCP/IP 协议的基本功能，包括 ARP、ICMP、IP、UDP、TCP 这些基本协议，并提供
socket套接字接口。这为系统的通信和程序的调试提供了良好的基础。

  系统通信部分主要使用uC/TCPIP协议提供的socket编程接口，进行数据的发送和接收，
从而实现图像以及传感器数据的发送和主机端命令的接收。
  数据采集部分主要是通过外围接口完成图像数据采集的程序，其中因为图像数据采集要
求同步性和不间断性，所以将数据采集部分又划分为图像数据采集部分和其他传感器数据采
集部分。图像采集模块使用 I2C 总线进行配置，使用 IRQ 中断来进行数据帧的同步，并将
采集数据存放到片外扩展的 SRAM 中。传感器数据采集部分完成除图像之外的其他各种信
息的采集工作。
  监控数据显示部分主要是将采集到片外 SRAM的数据经过变换显示到 LCD 屏上。因为
LCD 的颜色显示与采集的图像格式并不一致，所以要进行转换。

2、基于PC的上位机实现

在整个系统中只有一台上位机，它负责的工作包括终端节点采集信息的显示和使用
GPRS Modem进行远程的报警。GPRS Modem通过直接购买现成设备的方式实现，它使用
RS-232接口与PC机相连。
PC端上位机的实现只包括软件系统的实现，图4 是其软件系统结构的示意图，它需要
实现的功能有：

（1）基于TCP/IP协议的以太网通信

上位机的通信是单对多的，它需要同时接收来自多个节点的数据，并且还必须识别出数
据源自哪个节点，TCP/IP 协议在功能和可靠性上能很好的满足这种通信的需求，各下位机
节点都具有的一个独一无二的IP地址成为了上位机辨别它们的依据。

（2）数据的显示

PC 端上位机应具有同时显示多个节点信息或聚焦突出显示某指定节点信息的功能。这
些信息包括视频图像、温度等等。其中视频图像的显示是本模块实现过程中的重点和难点。

（3）数据的分析

数据分析模块所要完成的工作包括两个方面：一是实现报警条件的输入设置，二是利用
当前数据判断是否满足预设报警条件。数据分析的预计目标是要能够对一些诸如过高温度、
火灾等危机情况做出正确的识别。

（4）GPRS Modem的控制

GPRS 无线报警能在系统无人值守时将一些危险情况的发生及时向负责人汇报。GPRS
Modem通信控制模块的实现原理是通过PC的串口编程，利用串口向 GPRS Modem发送 AT
命令完成相关的数据发送工作。

（5）其它待完善的功能

PC端上位机的软件系统在实现目前预计的这些基本功能后，进一步的完善工作可能有：
一、加入采集信息的录存功能，能回放之前各节点的采集信息；二、数据分析功能进一步加
强，对视频图像进行模式识别，能设置各种复杂的报警条件；三、能够在上位机完成对各节
点控制工作。 

三、系统预计指标

（1）STR710FZ2微控制器基本指标

STR710FZ2 处理器基于 ARM7TDMI 核心，核心工作频率为 48MHz，片内集成了容量
为 64KB 的全速 SRAM 和 256＋16KB 的 Flash存储器，同时还有丰富的特色外围电路，在
本系统中会使用到的这些外围电路有：

 1、EMI 接口。STR710FZ2 的 EMI 接口的数据总线宽度为 16bit，分为 4 个 BANK，
每个BANK 的寻址空间为16MB，其中只有 BANK0具有 Boot功能。4 个 BANK 的使用情
况为：
BANK0——1M×16bit的NOR Flash存储芯片
BANK1——256K×16bit的异步 SRAM存储芯片
BANK2——数据总线宽度为 16bit的以太网控制器
BANK3——数据总线宽度为 16bit的 TFT液晶显示模块

2、I2C总线接口。STR710FZ2具有 2 个 I2C接口，提供多主从(Multi-Master and Slave)
2
功能，支持普通和高速 I C 模式(400kHz)，提供 7 位或 10 位地址模式。系统中的数字温度
传感器和图像采集模块都将使用I2C总线方式与 STR710FZ2 进行通信，不过由于 I2C总线
协议具有在单总线连接多个设备能力，系统中的 2 个需要使用 I2C 总线的设备是连接在
STR710FZ2的同一个I2C接口上的，他们各自具有不同的 I2C总线协议地址。

3、AD 转换器。STR710FZ2 片内集成的 ADC 可进行单通道或 4 通道的单次及连续转

换，分辨率位12位，采样频率为0.5kHz(单通道模式下可达 2kHz)，输入电压范围为 0～2.5V。
系统中的一些其他传感器模块将会使用到 AD 转换功能。

4、UART。

STR710FZ2 的 4 个 UART 允许与外部设备间进行全双工异步传输，每个
UART的波特率可独立编程至高达625Kbps。在本系统中使用了2 个 UART，它们将用前期
系统调试和在线下载程序到Flash。

5、GPIO。

STR710FZ2具有三个16 位的 通用 I/O  端口，它们可编程为多种工作方式。
其中将会使用8个GPIO口来模拟图像采集模块的数据传输时序，从而实现图像数据的采集。

6、EIC。

STR710FZ2的EIC（Enhanced Interrupt Controller）提供了强大的中断功能，
用户可使用32个IRQ 和2个FIQ 资源，具有硬件级的中断优先级和中断嵌套功能。在本系
统的很多应用中都会使用到中断。

7、XTI。

STR710FZ2具有多达14 个外部中断可供应用程序使用，其中传统意义上的外
部中断只有GPIO2.8～GPIO2.11四个引脚。系统中将会使用 2 个 STR710FZ2 的外部中断，
一个用于图像采集模块的帧同步，另一个用于以太网控制器的通信控制。

8、TIM。

STR710FZ2提供的四个16 位定时器功能十分强大，可通过编程实现计数器、
输入捕获、输出比较、PWM输入输出、单脉冲等不同功能。

9、WDG。

STR710FZ2提供的16 位看门狗定时器在软硬件故障时以复位方式恢复系统，
同时也可以配置为通用定时器使用，为系统提供特定时间长度间隔的定时中断。本系统中将
会利用STR710FZ2的看门狗提高系统可靠性。

10、RTC。

STR710FZ2片内的实时钟模块具有内部 32kHz 低速振荡电路，能驱动一系
列持续运行的计数器。RTC可以被用于总的时间基准或时钟/日历/报警功能。同时也能提供
特定时间长度间隔的定时中断，在本系统中将会使用 STR710FZ2 的实时钟产生一个 10～
100Hz的定时中断作为 uC/OSII操作的时间节拍。

1、智能卡接口（Smart Card）。STR710FZ2 的 UART1 可被设置为普通用途的 UART
或者一个以 ISO 7816-3  定义的异步智能卡接口。具有智能卡时钟产生功能，并提供对异步
卡的支持。

2、USB 接口。STR710FZ2 的片内提供的 USB 控制器能够实现 USB Device 功能，它
支持 16 个双向终端或 31 个单向终端，速度可达 12Mb/s（全速），支持块传输和 USB 中断
续传功能。

3、CAN 接口。STR710FZ2的片内提供的 CAN 总线控制器遵守 CAN V2.0B规范，传
输速率可达1M波特( baud )。

4、HDLC 接口。STR710FZ2的HDLC（High Level Data Link Controller）接口提供全
双工操作，支持NRZ，NRZI，FM0 或者 MANCHESTER编码。

（2）片外扩展存储器指标

系统通过STR710FZ2的EMI接口在片外扩展了异步SRAM和NOR Flash两种存储器，
为了精简系统设计和减小PCB尺寸，我们在扩展片外存储器时都采用了单片 16 位数据总线
的方案。其中异步SRAM存储芯片的具体型号为 ISSI公司的 61LV25616AL，容量为 256K
×16bit，典型访问时间为 10纳秒，存取速度上完全能满足 STR710FZ2 的 EMI 接口的工作
速率；NOR Flash存储芯片的具体型号为 SST公司的SST39VF1601，由于 SST公司的 39VF
系列Nor Flash存储芯片采用了SuperFlash技术，其擦除速度非常快，典型情况下，擦除一
个Sector/Block的时间为18毫秒，整片擦除时间为 40毫秒。在编程时，编程 1 个字的时间
为7微妙，在读取时，访问时间为90纳秒。

（3）以太网受电（PD）模块指标

本系统的以太网受电电路基于 Silicon Laboratories 公司的 SI3400 设计。SI3400 所提供
的单芯片 PD 解决方案在最大化的减少外围电路所需器件的同时完全满足 802.3af 标准。它
能提供最大 11W 的功率输出，具有过压、欠压和器件过热等自动保护功能，完全能满足本
系统的设计需求。

（4）以太网通信指标

本系统通过在STR710FZ2的EMI接口上扩展独立以太网控制器的方式实现了以太网通
信功能，以太网控制器的具体型号为 CIRRUS LOGIC 公司的 CS8900A。CS8900A的通信速
率为10Mbps，片内具有大容量的缓冲 RAM，支持全双工模式。不过由于 CS8900A的接口
本身是基于PC机的ISA总线设计的，在将它连接到诸如本系统的嵌入式平台时它的很多特
性将会发挥不出来。

（5）图像采集指标

本系统中使用的图像传感器 OV6630 是 OMNIVISION 公司推出的一款集传感器、模数
转换器、数字图像格式化于一体的彩色数字图像传感器，它将图像信息经过一系列的处理后

（6）其他传感器指标

本系统中选用的温度传感器为 Philips 公司的 LM75A。LM75A 为 I2C 接口的数字温度
传感器，其温度采集范围为–55 °C to +125 °C，分辨率为 0.125 °C，精度为 1°C。而其他传
感器将通过购买现成的模块实现，其指标目前尚无法预计。

（7）液晶显示模块指标

本系统的LCD 显示模块基于SHARP公司的 TFT彩色液晶模块 LS022Q8设计，该液晶
模块的屏幕尺寸为2.2英寸，分辨率为 240×320，亮度 135Cd/㎡，垂直可视角度 85度，水
平可视角度80度，响应时间35毫秒，单点象素大小0.047mm×0.141mm，色彩为 26 万色，
显示效果非常细腻、真实。

直接输出为各种标准格式的数字图像数据。OV6630能实时输出分辨率为356 x 292，最高达
60 帧每秒的彩色视频流，同时还带有自动增益控制、自动白平衡控制和自动伽马校正等智
能功能调节功能。

STR710FZ2 还提供了一些其他的特色外围电路，这些功能在本系统不会被使用到，它