智能化小区中摄像头控制系统设计【字数：11730】
摘 要小区安防数据一般通过监控摄像头采集，摄像头监控范围有限，因此传统视频监控中往往存在“盲区”，当突发事件发生在监控“盲区”时，无法采集到安防数据。异常情况的发生往往有相应的声音伴随。有鉴于此，设计了一种可对声源进行定位从而控制摄像头旋转对准目标位置的摄像头控制系统。此系统以三个呈中心对称的驻极体电容话筒阵列为声音信号采集设备，将其输出电压信号大小作为反应声音幅值与变化的依据；采集到的声音信号通过放大、整形与A/D转换等信号处理后，由单片机接收数字量参数并存储；使用SPSS数据分析软件对数据进行拟合，单片机根据此拟合函数结合三个声音参数计算出声源方位并控制电机旋转使摄像头对准声源方位。各模块以单片机为控制核心实现功能联结。
目 录
1. 绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2课题研究现状及趋势 1
1.3课题主要研究内容 2
2. 系统方案设计 3
2.1 系统总体方案设计 3
2.2 A/D转换方案选择 4
2.3 舵机驱动方案选择 4
3. 硬件设计 5
3.1声音信号采集电路 5
3.2声音信号处理电路 6
3.2.1 放大电路 6
3.2.2 整形电路 8
3.2.3 A/D转换电路 9
3.3 电机选型及驱动 11
3.4 数码管显示电路 13
3.5 单片机集成系统设计 14
4. 软件设计 17
4.1主程序设计 17
4.2 数码管显示程序设计 18
4.3 I2C总线驱动程序设计 19
4.4 舵机驱动程序设计 20
5. SPSS软件函数拟合 22
5.1 SPSS软件简介 22
5.2 SPSS函数拟合 22
5.3 拟合函数功能测试 28
6. 系统调试运行 30
7. 总结与展望 32
7.1 课题总结 32
7.2 对环境及社会可持续发展的影响 32
参考文献 33
致谢 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
35
附录 36
绪论
1.1课题研究背景及意义
进入21世纪后，我国城市化水平快速提高，各种安全突发事件也随之增多，人们对城市安全问题越来越重视，安防产业也因此迅速发展起来。视频监控系统是安防系统中重要一环，它具有直观、方便、信息内容翔实等特点，从而大量应用在各小区、银行、学校等易发生突发事件地点。
当今普遍使用的视频监控系统虽然能够在绝大部分场合满足监控需求，但随着人们对安防系统的要求越来越高，仅使用视频处理技术的监控系统有时无法满足需要[2]。例如视频监控中往往存在多处的“死角”，无法覆盖整个监控现场，若增加摄像头的个数扩大监控范围则大大增加了投入成本。因此如何扩大摄像头监控范围、提高监控系统对异常情况判断准确度是目前急需解决的问题。
本课题研究构建了一种结合音频和视频的小区摄像头控制系统。此系统通过对声音信号的智能检测，准确定位异常情况发生的位置，根据此位置信息将摄像头调转至目标位置，在一定程度上减少监控“死角”，有利于监控者能够实时掌握异常情况的发生，处理突发状况。由此可见，视频监控与音频监控的结合有着诸多的积极意义，尤其在无人职守环境下的视频监控系统中具有潜在的应用价值。
1.2课题研究现状及趋势
上世纪八十年代中后期到九十年代初，美国罗格斯大学的Flanagan教授和布朗大学的Silverman教授开启了声源定位技术的大门，随后由于广泛的应用前景和巨大的经济价值，该技术成为一门非常热门的研究课题[11]。
声源定位系统通过麦克风阵列接收声源信息，然后对声音信号进行数字信号处理，得到声源的位置信息。相对于传统的单个麦克风，麦克风阵列具有抗干扰能力强、拾音范围大等优点，从而可以大大提高声音信号处理质量。
当前，监控领域研究的主要方向是智能视频监控。智能视频监控相对于传统视频监控具有高稳定性、可扩展性、高集成度等优点。国外在智能视频监控领域的研究起步较早，已形成了相对成熟的产品并成功应用于实际安防工程系统，如美国的Vidient、Verint、ObjectVideo，以色列的Mate，日本的NICE等[1]。国内的智能视频监控研究与国外还有很大差距，还未出现实际应用产品。
1.3课题主要研究内容
本课题基于实验室环境深入研究声音信息采集、声音信号处理和以单片机为控制核心实现摄像头识别声源方位。针对当前全球恐怖袭击与意外事件的滋生显著增多的社会现状，以国际反恐形势日益严峻和复杂为背景，根据国内外监控摄像设备的研究现状，基于实验室研究环境，设计了一种可对声源进行定位从而控制摄像头旋转对准目标位置的摄像头控制系统。
本课题的主要研究内容如下：
（1）确定摄像头控制系统的声音信号采集模块方案，设计以驻极体电容话筒为核心的声音信号采集电路；
（2）确定摄像头控制系统的声音信号处理模块方案，设计放大电路、整形电路与A/D转换电路；
（3）设计STC89C51单片机控制电机实现监控摄像头任意角度旋转的方案；
（4）使用SPSS软件拟合得到角度与三声音参数比值之间函数关系；
（5）编写软件代码；
（6）对本系统进行功能测试。
系统方案设计
2.1 系统总体方案设计
本系统以三个呈中心对称的驻极体电容话筒阵列为声音信号采集设备，采集到的声音信号通过放大、整形与A/D转换等信号处理后，由单片机接收数字量参数并由数码管显示；使用SPSS数据分析软件对数据进行拟合，单片机根据此拟合函数结合三个声音参数计算出声源方位并控制电机旋转使摄像头对准声源方位。各模块以单片机为控制核心实现功能联结。系统总体设计框图如图21所示：
图21 系统总体框图
由图21可知，本系统主要由两大模块构成：声音参数采集模块与单片机控制摄像头旋转模块。驻极体电容话筒采集到声源信号后，经放大、整形、A/D转换处理后得到声源数字量参数。此数字量参数传输至单片机并由八位数码管显示。当声源变换角度时，驻极体电容话筒采集到的三个声音参数以一定的规律随之变化。使用统计分析软件SPSS进行拟合得到角度与三声音参数比值之间函数关系，利用此拟合函数结合采集到的三个声音参数即可计算出角度值。单片机根据此角度值控制电机旋转，使摄像头对准声源方位。
目 录
1. 绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2课题研究现状及趋势 1
1.3课题主要研究内容 2
2. 系统方案设计 3
2.1 系统总体方案设计 3
2.2 A/D转换方案选择 4
2.3 舵机驱动方案选择 4
3. 硬件设计 5
3.1声音信号采集电路 5
3.2声音信号处理电路 6
3.2.1 放大电路 6
3.2.2 整形电路 8
3.2.3 A/D转换电路 9
3.3 电机选型及驱动 11
3.4 数码管显示电路 13
3.5 单片机集成系统设计 14
4. 软件设计 17
4.1主程序设计 17
4.2 数码管显示程序设计 18
4.3 I2C总线驱动程序设计 19
4.4 舵机驱动程序设计 20
5. SPSS软件函数拟合 22
5.1 SPSS软件简介 22
5.2 SPSS函数拟合 22
5.3 拟合函数功能测试 28
6. 系统调试运行 30
7. 总结与展望 32
7.1 课题总结 32
7.2 对环境及社会可持续发展的影响 32
参考文献 33
致谢 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
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附录 36
绪论
1.1课题研究背景及意义
进入21世纪后，我国城市化水平快速提高，各种安全突发事件也随之增多，人们对城市安全问题越来越重视，安防产业也因此迅速发展起来。视频监控系统是安防系统中重要一环，它具有直观、方便、信息内容翔实等特点，从而大量应用在各小区、银行、学校等易发生突发事件地点。
当今普遍使用的视频监控系统虽然能够在绝大部分场合满足监控需求，但随着人们对安防系统的要求越来越高，仅使用视频处理技术的监控系统有时无法满足需要[2]。例如视频监控中往往存在多处的“死角”，无法覆盖整个监控现场，若增加摄像头的个数扩大监控范围则大大增加了投入成本。因此如何扩大摄像头监控范围、提高监控系统对异常情况判断准确度是目前急需解决的问题。
本课题研究构建了一种结合音频和视频的小区摄像头控制系统。此系统通过对声音信号的智能检测，准确定位异常情况发生的位置，根据此位置信息将摄像头调转至目标位置，在一定程度上减少监控“死角”，有利于监控者能够实时掌握异常情况的发生，处理突发状况。由此可见，视频监控与音频监控的结合有着诸多的积极意义，尤其在无人职守环境下的视频监控系统中具有潜在的应用价值。
1.2课题研究现状及趋势
上世纪八十年代中后期到九十年代初，美国罗格斯大学的Flanagan教授和布朗大学的Silverman教授开启了声源定位技术的大门，随后由于广泛的应用前景和巨大的经济价值，该技术成为一门非常热门的研究课题[11]。
声源定位系统通过麦克风阵列接收声源信息，然后对声音信号进行数字信号处理，得到声源的位置信息。相对于传统的单个麦克风，麦克风阵列具有抗干扰能力强、拾音范围大等优点，从而可以大大提高声音信号处理质量。
当前，监控领域研究的主要方向是智能视频监控。智能视频监控相对于传统视频监控具有高稳定性、可扩展性、高集成度等优点。国外在智能视频监控领域的研究起步较早，已形成了相对成熟的产品并成功应用于实际安防工程系统，如美国的Vidient、Verint、ObjectVideo，以色列的Mate，日本的NICE等[1]。国内的智能视频监控研究与国外还有很大差距，还未出现实际应用产品。
1.3课题主要研究内容
本课题基于实验室环境深入研究声音信息采集、声音信号处理和以单片机为控制核心实现摄像头识别声源方位。针对当前全球恐怖袭击与意外事件的滋生显著增多的社会现状，以国际反恐形势日益严峻和复杂为背景，根据国内外监控摄像设备的研究现状，基于实验室研究环境，设计了一种可对声源进行定位从而控制摄像头旋转对准目标位置的摄像头控制系统。
本课题的主要研究内容如下：
（1）确定摄像头控制系统的声音信号采集模块方案，设计以驻极体电容话筒为核心的声音信号采集电路；
（2）确定摄像头控制系统的声音信号处理模块方案，设计放大电路、整形电路与A/D转换电路；
（3）设计STC89C51单片机控制电机实现监控摄像头任意角度旋转的方案；
（4）使用SPSS软件拟合得到角度与三声音参数比值之间函数关系；
（5）编写软件代码；
（6）对本系统进行功能测试。
系统方案设计
2.1 系统总体方案设计
本系统以三个呈中心对称的驻极体电容话筒阵列为声音信号采集设备，采集到的声音信号通过放大、整形与A/D转换等信号处理后，由单片机接收数字量参数并由数码管显示；使用SPSS数据分析软件对数据进行拟合，单片机根据此拟合函数结合三个声音参数计算出声源方位并控制电机旋转使摄像头对准声源方位。各模块以单片机为控制核心实现功能联结。系统总体设计框图如图21所示：
图21 系统总体框图
由图21可知，本系统主要由两大模块构成：声音参数采集模块与单片机控制摄像头旋转模块。驻极体电容话筒采集到声源信号后，经放大、整形、A/D转换处理后得到声源数字量参数。此数字量参数传输至单片机并由八位数码管显示。当声源变换角度时，驻极体电容话筒采集到的三个声音参数以一定的规律随之变化。使用统计分析软件SPSS进行拟合得到角度与三声音参数比值之间函数关系，利用此拟合函数结合采集到的三个声音参数即可计算出角度值。单片机根据此角度值控制电机旋转，使摄像头对准声源方位。
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