【摘 要】介紹了一種兼顧在線式與離線式巡更系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的電子巡更器方案，并基于RFID（無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)）技術(shù)、嵌入式技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等綜合技術(shù)建立了該系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)距離獲取信息和整套系統(tǒng)易于擴(kuò)充的優(yōu)點(diǎn)，而且價(jià)格低廉。實(shí)踐表明該無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)能可靠運(yùn)行，可以廣泛地應(yīng)用于各類無(wú)線數(shù)據(jù)通訊、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安防系統(tǒng)等領(lǐng)域。

【關(guān)健詞】無(wú)線射頻；巡更系統(tǒng)；單片機(jī)射頻收發(fā)器；USB接口

1.引言

20世紀(jì)90年代初在美國(guó)產(chǎn)生了電子巡更產(chǎn)品，隨之傳人中國(guó)，它采用碰觸式鈕扣，自動(dòng)記錄時(shí)間和卡號(hào)，屬于接觸式電子巡更產(chǎn)品[1]。20世紀(jì)90年代末期，隨著無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）的成熟，非接觸、感應(yīng)巡更產(chǎn)品產(chǎn)生，并逐漸占領(lǐng)市場(chǎng)。自2001年至今，電子巡更系統(tǒng)由巡檢器、信息鈕和微機(jī)管理系統(tǒng)3部分組成，在此模式下其產(chǎn)品不斷完善。該項(xiàng)技術(shù)廣泛地被應(yīng)用在煤礦、教育、部隊(duì)、糧庫(kù)、鐵路、電信、工廠、公安和住宅小區(qū)，從而形成了一門全新的技術(shù)。本文介紹了一種采用無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)、嵌入式、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等綜合技術(shù)，由便攜式無(wú)線射頻巡更采集器、無(wú)線射頻通訊系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)組成的巡更管理信息系統(tǒng)，巡查人員佩戴專門設(shè)計(jì)的便攜式無(wú)線射頻巡更采集器，接收巡查目標(biāo)當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)鼗贛SP430單片機(jī)和nRF905組成的射頻節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息，通過(guò)USB接口把數(shù)據(jù)上傳到電腦終端中，進(jìn)行信息的顯示、存儲(chǔ)和表格分析等，同時(shí)PC機(jī)能給單片機(jī)發(fā)送控制命令等功能。

2.基于RFID技術(shù)的電子巡更系統(tǒng)[2]

電子巡更系統(tǒng)發(fā)展僅lO多年，已形成了一種固定模式，即離線式、非接觸巡更系統(tǒng)，并成為市場(chǎng)主流產(chǎn)品。設(shè)計(jì)者受技術(shù)的限制，舍去了在線式非接觸巡更系統(tǒng)具有的實(shí)時(shí)監(jiān)控的優(yōu)點(diǎn)，雖然淘汰了碰觸式鈕扣讀取信息方式，代之以無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）的非接觸感應(yīng)讀取信息方式，但最大可識(shí)別距離僅在13cm以內(nèi)，給巡檢人員的正常工作帶來(lái)很大的不便。根據(jù)小型化、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和低功耗等要求，系統(tǒng)給出了一種以低功耗MSP430單片機(jī)為核心，以nRF905無(wú)線收發(fā)射頻芯片為傳輸單元建立了該系統(tǒng)，并能夠很好地兼有離線式和在線式兩者的優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)的工作頻率為2.4GHz，識(shí)別距離可達(dá)5-20m。圖1為該系統(tǒng)整體框圖。

圖1 電子巡更巡檢系統(tǒng)整體框圖

3.系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由無(wú)線標(biāo)簽、采集器、中繼器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)管理系統(tǒng)4大部分組成[3]。

3.1 無(wú)線標(biāo)簽。巡視點(diǎn)由無(wú)線標(biāo)簽組成，無(wú)線采集器可接收無(wú)線標(biāo)簽發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)代碼。為保證通信數(shù)據(jù)的可靠性，實(shí)際要小于最大發(fā)射距離。無(wú)線標(biāo)簽和無(wú)線采集器之間采用點(diǎn)到點(diǎn)的通信方式，由軟件編寫通信協(xié)議，無(wú)線標(biāo)簽是有源器件，需電源供電，采用3V的鈕扣電池供電，由于是有源發(fā)射，作用距離大大增強(qiáng)，通?？稍O(shè)在5-10m距離范圍內(nèi)，無(wú)方向性要求。電子標(biāo)簽使用的低功耗的單片機(jī)MSP430F2001，射頻芯片是nRF905。圖2為無(wú)線標(biāo)簽的硬件原理圖。

圖2 無(wú)線標(biāo)簽的硬件原理圖

3.2 無(wú)線采集器。無(wú)線采集器是由巡視人員隨身攜帶的一種有源器件，內(nèi)嵌3V鈕扣電池，攜帶在身上或放在包內(nèi)無(wú)需取出便可識(shí)別所巡視點(diǎn)的信息。無(wú)線采集器通過(guò)主從式無(wú)線通信方式接收各無(wú)線標(biāo)簽發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，這是由巡檢人員代碼，巡檢的無(wú)線標(biāo)簽代碼和當(dāng)時(shí)的時(shí)間3部分組成，并將數(shù)據(jù)保存在閃存（FLASH MEMORY）內(nèi)，與微機(jī)通過(guò)USB接口進(jìn)行通信。無(wú)線采集器也采用低功耗MSP430F135單片機(jī)作為核心控制器，nRF905無(wú)線收發(fā)射頻芯片為接受單元。圖3為無(wú)線采集器的硬件原理圖。

圖3 無(wú)線采集器的硬件原理圖

3.3 無(wú)線中繼器。無(wú)線采集器也采用低功耗MSP430F1232單片機(jī)作為核心控制器，nRF905無(wú)線收發(fā)射頻芯片為接受單元。圖4為無(wú)線中繼器的硬件原理圖。

圖4 無(wú)線中繼器的硬件原理圖

3.4 微機(jī)管理系統(tǒng)。具有將保存在巡檢控制器閃存（FLASH MEMORY）內(nèi)的數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式保存在文件系統(tǒng)中。可根據(jù)巡更的班次和時(shí)間間隔，對(duì)每條記錄逐項(xiàng)比較以確認(rèn)是否有效。將每條記錄的結(jié)果進(jìn)行多種方法的查詢，統(tǒng)計(jì)并做出供管理者使用的各種報(bào)表，也可根據(jù)需要實(shí)時(shí)監(jiān)控各無(wú)線標(biāo)簽的情況。

4.芯片的低功耗配置與ShockBurst TM收發(fā)模式[4]

4.1 芯片的低功耗配置

MSP430F135與低功耗：MSP430和通信模塊在不同時(shí)鐘下運(yùn)行，由于處理器的功耗與工作頻率成正比，工作在低頻方式下將大大降低處理器的功耗。MSP430功耗可以通過(guò)開關(guān)狀態(tài)寄存器的控制位來(lái)控制，正常工作時(shí)電流為160uA，備用時(shí)為0.1uA，為傳感器的極低功耗要求提供有力的條件。MSP430在初始化完成后，處于LPM3工作模式，僅當(dāng)有外部中斷發(fā)生時(shí)喚醒進(jìn)入終端服務(wù)程序，完成后重新進(jìn)入低功耗模式，照此循環(huán)往復(fù)，可以最大的實(shí)現(xiàn)低功耗。

nRF905與低功耗：nRF905具有接收、發(fā)射、掉電、等待4種工作模式，只有當(dāng)監(jiān)測(cè)和接收頻率相同的載波的時(shí)候并且地址匹配的情況下才進(jìn)入接收模式，當(dāng)傳感器采集到數(shù)據(jù)需要發(fā)送的時(shí)候才喚醒nRF905進(jìn)入發(fā)射模式，其他情況nRF905進(jìn)入掉電模式nRF905被禁止，電流消耗將最小，典型值為2.5uA，模式之間的切換將大大提高系統(tǒng)的工作時(shí)間。

4.2 ShockBurst TM收發(fā)模式[5]

nRF905設(shè)置在ShockBursta咖收發(fā)模式工作時(shí)，具有可以用低速的MCU傳送數(shù)據(jù)，暫存在片內(nèi)的先人先出堆棧（FIFO）中；然后以高速（1Mbps）速率向空中發(fā)射的特點(diǎn)。使用ShockBullstlM技術(shù)具有3大好處：降低了系統(tǒng)的平均工作電流（僅在發(fā)射時(shí)，短時(shí)間電流較大）；短時(shí)間高速發(fā)射，數(shù)據(jù)在空中停留時(shí)間短，抗干擾性高；低的系統(tǒng)費(fèi)用（低速微處理器也能進(jìn)行高速射頻發(fā)射。圖5為MCU使用ShockBurstlM技術(shù)傳送數(shù)據(jù)示意圖。

圈5 MCU用ShockBurst TM技術(shù)傳送數(shù)據(jù)

圖6 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)型連接示意圖

5.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[6]

各無(wú)線標(biāo)簽通過(guò)射頻電波相互之間組成了無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)采用無(wú)線網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)，即點(diǎn)一點(diǎn)一點(diǎn)的通信方式。由于各個(gè)接點(diǎn)都有微處理器，無(wú)需無(wú)線路由器便可實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)與另一點(diǎn)間的無(wú)線互連，每個(gè)無(wú)線接點(diǎn)不僅可以收發(fā)數(shù)據(jù)，而且還可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到相鄰的無(wú)線接點(diǎn)，多個(gè)無(wú)線接點(diǎn)相互的連接，可使傳輸距離更遠(yuǎn)。當(dāng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)接點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，相臨的接點(diǎn)會(huì)自動(dòng)取代出現(xiàn)故障的接點(diǎn)，使網(wǎng)絡(luò)通信保持正常。圖6為無(wú)線網(wǎng)形連接示意圖。

6.無(wú)線信標(biāo)，采集器，中繼器之間的通訊協(xié)議

6.1 采集器和無(wú)線信標(biāo)通信

（1）采集器和信標(biāo)采用如下數(shù)組初始化nRF905。

{0x01，0x04，0x44，0x04，0x04，0xcc，0xcc，0xcc，0x01，0x58}

0x01--CH_NO=1，fRF=（422.4+CH_NOd/10）*（1+HFREQ_PLLd）=422.5MHz

0x04--433MHz頻段，-2dBm

0x44--Tx，Rx address width is 4 Bytes

0x04--Rx payload width ：4bytes

0x04--Tx payload width ：4bytes

0xcc，0xcc，0xcc，0x01--Local address

0x58 --Disable Extern Clock；Fosc=16MHZ 8 Bits CRC And enable

當(dāng)信標(biāo)設(shè)置為遠(yuǎn)距離工作時(shí)，信標(biāo)采用如下數(shù)組初始化nRF905

{0x01，0x08，0x44，0x04，0x04，0xcc，0xcc，0xcc，0x01，0x58}

0x08--433MHz頻段，6dBm

（2）采集器和信標(biāo)通信時(shí)數(shù)據(jù)格式

信標(biāo)每次發(fā)送4個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，第1、2個(gè)字節(jié)代表卡號(hào)，比如卡號(hào)是1000，則第1、2個(gè)字節(jié)的內(nèi)容為0x03，0xe8；第3個(gè)字節(jié)如果內(nèi)容為0x25，說(shuō)明信標(biāo)電池電壓低，否則為0；第4個(gè)字節(jié)為前3個(gè)字節(jié)的異或校驗(yàn)碼，當(dāng)?shù)?個(gè)字節(jié)內(nèi)容為0x03，第2個(gè)字節(jié)內(nèi)容為0xe8，第3個(gè)字節(jié)內(nèi)容為0x25，則第4個(gè)字節(jié)的內(nèi)容為0xce。

6.2 采集器和中繼器通信

（1）采集器采用如下數(shù)組初始化nRF905

7.巡檢過(guò)程

無(wú)線標(biāo)簽軟件流程如圖7所示。

圖7 無(wú)線標(biāo)簽射頻發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖

如圖1，當(dāng)巡檢人員攜無(wú)限采集器在規(guī)定的巡視路線到達(dá)a點(diǎn)時(shí)，無(wú)線標(biāo)簽收到無(wú)限采集器發(fā)來(lái)的標(biāo)識(shí)代碼，傳送給下一探頭進(jìn)行接力傳送，同時(shí)發(fā)送一信號(hào)給標(biāo)簽，使該的收發(fā)電路處于休眠狀態(tài)（節(jié)省電源）。當(dāng)巡檢人員到達(dá)b點(diǎn)時(shí)，標(biāo)簽可能不到信號(hào)，（標(biāo)簽仍處于休眠狀態(tài)），也可能收到信號(hào)，經(jīng)判斷后也不做任何工作，（以第1次收到的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)）。當(dāng)巡檢人員到達(dá)c點(diǎn)時(shí)，標(biāo)簽和6均可能收到信號(hào)，但標(biāo)簽應(yīng)判斷b探頭起作用，標(biāo)簽仍以第一次收到的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，每個(gè)標(biāo)簽收到和傳送的數(shù)據(jù)最終傳送到采集器中保存在閃存中。

8.無(wú)線標(biāo)簽，中繼器和采集器的軟件流程

無(wú)線中繼器軟件流程如圖8所示。

圖8 無(wú)線中繼器軟件流程圖

無(wú)線采集器軟件流程如圖9所示。

9.結(jié)束語(yǔ)

對(duì)本系統(tǒng)首先進(jìn)行了硬件驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，然后又進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)想的結(jié)果。采用VB6.0進(jìn)行串口通信編程，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)采用C#來(lái)設(shè)計(jì)可視化的圖形界面、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)和實(shí)時(shí)監(jiān)控界面。在數(shù)據(jù)庫(kù)中需要對(duì)巡更人員的基本資料表、執(zhí)勤安排表和工作記錄表進(jìn)行設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)是基于RFID技術(shù)，利用無(wú)線信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，目前廣泛使用的手機(jī)技術(shù)也是利用無(wú)線信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其使用方便，靈活是眾所周知的。

圖9 無(wú)線采集器軟件流程圖

無(wú)線通信信道是所有通信介質(zhì)中最差的一種，傳輸特性不象采用RS485、CAN總線那樣成熟，在條件不是要求特別嚴(yán)格的場(chǎng)所采用無(wú)線通信信道無(wú)疑具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。安裝方便，其易于擴(kuò)充，是較為理想的通信方案。工作在2.4GHz的無(wú)線通信，對(duì)設(shè)計(jì)者在硬件和軟件的設(shè)計(jì)上提出了較高的要求。在高頻環(huán)境下，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)變得非常重要。無(wú)線通信信道在目前試用的巡更系統(tǒng)中，利用率是很低的，大部分都是處于閑置狀態(tài)，而巡檢系統(tǒng)多元化發(fā)展是必然趨勢(shì)，無(wú)線語(yǔ)音，攝像，圖像處理功能等將應(yīng)用到巡檢系統(tǒng)中去。巡檢探頭必將發(fā)展成為一種“智能”探頭，加上計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)功能，形成新一代的電子巡更巡檢系統(tǒng)。

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