張京玲，王天雷，王　柱

(1.五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020； 2.五邑大學(xué) 計算機學(xué)院，廣東 江門529020)

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基于RS485總線的多機監(jiān)舍門智能控制系統(tǒng)研究

張京玲1，王天雷1，王柱2

(1.五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020； 2.五邑大學(xué) 計算機學(xué)院，廣東 江門529020)

依據(jù)監(jiān)舍門控制器、樓層控制室和遠(yuǎn)程總控制中心3個層面的主要功能，設(shè)計了一種由PC和多個單片機組成的監(jiān)舍門控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PC作為上位機，多臺STC12C5A32S2單片機作為監(jiān)舍門控制系統(tǒng)下位機。分析了中央計算機總控制終端、樓層控制端與門禁控制器之間的多機通信與控制，完成了硬件電路的設(shè)計和軟件的設(shè)計，并對安裝調(diào)試中的幾個問題進行了討論。實驗證明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠。

RS485總線；單片機；控制系統(tǒng)；多機通信；監(jiān)舍門

引用格式：張京玲，王天雷，王柱. 基于RS485總線的多機監(jiān)舍門智能控制系統(tǒng)研究[J].微型機與應(yīng)用，2016,35(18)：74-77.

0　引言

監(jiān)獄是一個安全性要求極高的特殊場所，其監(jiān)舍門的控制與管理是保證監(jiān)獄安全運行極為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。早期的門禁系統(tǒng)大都是基于機械結(jié)構(gòu)，采用簡單的控制電路實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)和功能單一，效率嚴(yán)重不足。隨著科技的不斷發(fā)展，現(xiàn)代監(jiān)舍門禁系統(tǒng)迫切需要具有較高靈活性、實時性和可靠性的智能控制門禁系統(tǒng)。

本文研究的多機監(jiān)舍門智能控制系統(tǒng)主要由中央計算機總控制終端、樓層控制端、單門門禁控制器、485-232通信轉(zhuǎn)換器、讀感器、電鎖和門禁管理軟件等組成。門禁系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，遠(yuǎn)程計算機終端所在的中央控制室通過TCP/IP協(xié)議與各個樓層控制端相連，實時對監(jiān)獄的各樓層的每個監(jiān)獄門進行遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時，各樓層控制器通過485總線與各監(jiān)舍門通信，能迅速可靠地實現(xiàn)對于各個門的控制，實現(xiàn)了門禁系統(tǒng)智能化、遠(yuǎn)程化和無人化。

圖1　門禁系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)

1　門禁系統(tǒng)的主要功能研究

為滿足用戶的要求，智能監(jiān)舍門管理系統(tǒng)應(yīng)具有權(quán)限確認(rèn)、群開群閉、自動布防、事件記錄、異常報警、日程表管理以及電動/手動功能。遠(yuǎn)程總控制中心和樓層控制室可根據(jù)用戶需要，定時劃分操作權(quán)限或同時實現(xiàn)控制的權(quán)利，實現(xiàn)遠(yuǎn)程或現(xiàn)場控制、計算機控制以及機械控制；可實時/定時操作。系統(tǒng)功能由門控制器、樓層控制室和遠(yuǎn)程總控制中心分別完成。

1.1監(jiān)舍門控制器功能

監(jiān)舍門控制器功能主要有：(1)變速運行。監(jiān)舍門的運行速度可進行調(diào)整，如低速啟動、恒速運行、低速關(guān)門，確保安全穩(wěn)定的狀態(tài)下正常工作。(2)堵轉(zhuǎn)可調(diào)。監(jiān)舍門控器具有防夾的功能，支持短時間連續(xù)5次堵轉(zhuǎn)，超過5次則報警。(3)狀態(tài)反饋?？刂破髂芗皶r將各監(jiān)舍門的5種狀態(tài)(已開啟、開啟中、已關(guān)閉、關(guān)閉中、故障)反饋給樓層控制室以及中心控制室。(4)監(jiān)舍門白天可將定點、定時自動控制改為電動控制，晚上可以定點、定時控制轉(zhuǎn)換為機械鎖控制。此外還有異常報警、斷電記錄以及監(jiān)舍門鎖機械-電聯(lián)合控制等功能。

1.2樓層控制室功能

樓層控制室主要功能為：(1)狀態(tài)顯示。樓層監(jiān)控室能夠?qū)崿F(xiàn)對于樓層所有門的5種狀態(tài)進行檢測，其中出現(xiàn)故障界面會有特殊顯示。(2)采用TCP/IP和485總線方式遠(yuǎn)程通信，將多個監(jiān)舍控制器連接成一個控制網(wǎng)絡(luò)。(3)日程表管理。系統(tǒng)可支持任意多的時間組，實現(xiàn)某一個時間自動開門或關(guān)門，每天可以設(shè)定多達(dá)32個時間段開關(guān)。(4)群開群關(guān)。系統(tǒng)支持一鍵全開、全關(guān)功能，也可根據(jù)不同需要，對任意監(jiān)舍門進行個別分組控制或錯開各門啟動時間。(5)事件記錄。本系統(tǒng)在樓層控制室端監(jiān)控本樓層監(jiān)舍門的開啟和關(guān)閉；同時記錄運行信息并同步上傳到中央控制室備份。(6)自動布防。可預(yù)先對各個監(jiān)舍門進行設(shè)置，當(dāng)發(fā)生緊急事件的時候，能迅速一鍵同時開啟/關(guān)閉對應(yīng)的監(jiān)舍門。此外還具有管理權(quán)限申請、異常報警、遠(yuǎn)程解除警報等功能。

1.3遠(yuǎn)程總控制中心功能

遠(yuǎn)程總控制中心能夠?qū)崿F(xiàn)對于所有樓層的所有門的狀態(tài)進行監(jiān)測和顯示，中央總控制室與各樓層監(jiān)控室之間設(shè)有專有線路，采用TCP/IP協(xié)議相連。主機帶有在線式不間斷電源，確保整個系統(tǒng)24小時正常工作。此外還具有日程表管理、群開群關(guān)、管理權(quán)限授予、事件記錄、異常報警等功能，當(dāng)發(fā)生緊急事件的時候，能夠迅速地一鍵同時開啟/關(guān)閉對應(yīng)的監(jiān)舍門實現(xiàn)自動布防以及遠(yuǎn)程解除警報。

2　硬件研究與設(shè)計

系統(tǒng)的硬件主要由單片機STCI2CSA32S2和RS485總線構(gòu)成。單片機根據(jù)傳感器檢測門的位置信息，驅(qū)動電機控制門開關(guān)及速度和門鎖的開關(guān)。RS485總線簡單節(jié)約成本，采用差分傳輸方式，提高了抗干擾能力和傳輸距離，可進行雙向通信，滿足門禁系統(tǒng)的控制和檢測要求。單片機通過RS485總線接收上位機的開關(guān)命令，并把當(dāng)前門的狀態(tài)發(fā)送給上位機進行顯示。硬件框圖如圖2所示。

2.1單片機電路

本系統(tǒng)控制器采用高速、低功耗、超強抗干擾的STC12C5A32S2單片機，工作電壓為直流5 V。該單片機內(nèi)含有EEPROM功能，2路PWM，8路高速10位ADC，同時還有內(nèi)部集成MAX810的專用復(fù)位電路以及針對電機控制和強干擾場合的專門設(shè)計。利用EEPROM功能可保存該門的ID號，保證在掉電后再上電可還原門ID號。利用PWM來驅(qū)動電機速度，ADC檢測設(shè)定的門速。單片機電路設(shè)計如圖3所示。

圖3　單片機電路設(shè)計

STCI2CSA32S2單片機工作于1個時鐘/機器周期，且有增強型8051內(nèi)核，故其速度比普通8051快8～12倍。該單片機有8通道10位高速ADC，速度可達(dá)25萬次/秒[1]。此外，由于該單片機價格比較便宜，故采用此單片機作為核心控制芯片，大大降低了成本。

2.2RS485通信電路

系統(tǒng)采用RS485構(gòu)成總線型通信網(wǎng)絡(luò)。RS485總線不僅允許一對多的數(shù)據(jù)傳輸，而且由于采用差分傳輸，抗干擾能力強，因此很適合門禁系統(tǒng)的通信控制。本系統(tǒng)中采用兩套RS485通信，使發(fā)送和接收在各自獨立的物理通道上，保證系統(tǒng)發(fā)送和接收可以同時進行互不干擾。并且由主機分時按一定的順序依次給從機發(fā)送命令，從機只能回復(fù)命令不能主動發(fā)送數(shù)據(jù)。在設(shè)計電路時，為了減少線路上傳輸信號的反射，保證信號傳輸無毛刺，需要在RS485網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端和末端各接一個120 Ω的匹配電阻[2-3]。RS485通信電路設(shè)計如圖4所示。

圖4　RS485通信電路設(shè)計

2.3驅(qū)動電機電路

電機采用60 W無刷直流電機，具有低電壓特性好、轉(zhuǎn)矩過載特性強、易調(diào)速、靜音等優(yōu)點。采用專用的驅(qū)動器，單片機控制驅(qū)動器時，為了提高抗干擾能力，進行了光耦隔離控制。驅(qū)動電機電路設(shè)計如圖5所示。

圖5　驅(qū)動電機電路設(shè)計

3　軟件部分

3.1軟件總設(shè)計

上位機系統(tǒng)初始化完成后，按順序查詢所有門的狀態(tài)，逐步發(fā)送查詢門的ID號和查詢命令，如果在固定時間內(nèi)沒有收到回復(fù)，就認(rèn)為該門出現(xiàn)故障，顯示該門不正常。如果收到回復(fù)，就根據(jù)回復(fù)更新門的當(dāng)前狀態(tài)，是打開或是關(guān)閉，又或是正在打開和正在關(guān)閉4種正常狀態(tài)和回復(fù)的故障狀態(tài)。為了保證用戶的命令能夠及時執(zhí)行，每查詢完一個門狀態(tài)后，就響應(yīng)用戶的開門或關(guān)門命令。處理完命令后再接著進行查詢命令。每查詢完所有門后，系統(tǒng)會自動進行下一輪的查詢，保證及時更新門的當(dāng)前狀態(tài)。上位機(PC)主程序流程如圖6所示。

圖6　PC主程序流程圖

STC12C5A32S2單片機初始化后，先從單片機的EPPROM中取得ID號，然后讀取當(dāng)前門的位置。如果有上位機命令就進行接收，并回復(fù)門當(dāng)前的狀態(tài)。為了縮短通信時間，單片機先回復(fù)命令再執(zhí)行命令。通過檢測門的狀態(tài)和門鎖的狀態(tài)，智能控制開門和關(guān)門的速度，完成上位機的命令。下位單片機主程序流程如圖7所示。

圖7　單片機主程序流程圖

3.2PC通信程序設(shè)計

PC軟件編程采用Visual C++系統(tǒng)，先進行初始化。選擇串口1，設(shè)定波特率為9 600 b/s。設(shè)定數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)長度一共由4幀數(shù)據(jù)構(gòu)成。每一幀數(shù)據(jù)由1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個檢驗位、1個停止位組成。初始化后進行事件的輪詢，主要包括下位機消息回復(fù)事件、發(fā)送控制命令事件和定時器溢出事件。如果串口接收緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)，則說明有下位機回復(fù)消息發(fā)送進來，此時進行串口數(shù)據(jù)的讀取并進行處理和顯示；如果有發(fā)送控制命令的操作則串口寫數(shù)據(jù)進行控制命令的發(fā)送；如果定時器溢出則報告下位機出錯。PC通信程序流程如圖8所示。

圖8　PC通信流程圖

圖9　單片通信流程圖

3.3單片機通信程序設(shè)計

STC12C5A32S2單片機的串口通信先設(shè)定串行口控制寄存器SCON中的控制位SM2為高電平，允許多機通信；再設(shè)定波特率9600 b/s和串口工作方式3[4]；最后設(shè)定數(shù)據(jù)格式與PC一樣。數(shù)據(jù)長度一共由4幀數(shù)據(jù)構(gòu)成。單片機串口通信流程圖如圖9所示。

3.4軟件運行環(huán)境

為保證門禁系統(tǒng)控制軟件正常運作，主機必須符合以下的要求：(1)CPU奔騰4以上，內(nèi)存1 GB及以上；(2)VGA彩顯和VGA顯示卡；(3)200 MB以上硬盤空間；(4)有線網(wǎng)卡；(5)支持外置調(diào)制解調(diào)器串口或一個直接的RS-232串口；(6)Windows XP、Windows 7或者更高版本的操作系統(tǒng)。

4　安裝調(diào)試中的幾個系統(tǒng)通信問題

安裝調(diào)試時，除了機械部分的故障外，對通信方面存在的幾個問題進行了分析研究和改進設(shè)計。

(1)總線沖突問題。本門禁系統(tǒng)采用兩套RS485通信，使發(fā)送和接收在各自獨立的物理通道上，并且保證系統(tǒng)發(fā)送和接收總線可以同時進行互不干擾。對于單條收發(fā)線，采用時分復(fù)用的方式，避免多個門控系統(tǒng)單元通信沖突。

(2)信號傳輸干擾問題。系統(tǒng)工作時，在位于總線兩端的差分端口A與B之間跨接120 Ω匹配電阻，以減少反射信號、吸收噪聲。

(3)瞬態(tài)干擾問題。本門禁系統(tǒng)采用了快恢復(fù)穩(wěn)壓管 TV接入系統(tǒng)總線，從而抑制瞬態(tài)高壓，實現(xiàn)通信接口的保護。

(4)共模干擾問題。采用光耦隔離方法使得總控制中心和各門控制器之間通信所用到的系統(tǒng)電源地和通信模塊地的隔離，從而消除共模干擾。

5　結(jié)論

本文討論了監(jiān)舍門控制器、樓層控制室和遠(yuǎn)程總控制中心三個層面的主要功能，實現(xiàn)了一種由PC和多個單片機組成的監(jiān)舍門控制系統(tǒng)的軟件及硬件設(shè)計與調(diào)試。該

系統(tǒng)以PC作為上位機，多臺STC12C5A32S2單片機作為監(jiān)舍門控制器下位機，通過TCP/IP協(xié)議與各個樓層控制端相連，實現(xiàn)了中央計算機總控制終端、樓層控制端與門禁控制器之間的多機通信與控制，可實時監(jiān)控各樓層以及每個監(jiān)舍獄門，并對安裝調(diào)試中的幾個問題進行了分析與改進。實驗證明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，有較好的應(yīng)用前景。

[1] 鄭利敏．用STC12C5410AD單片機實現(xiàn)多路信號的自校標(biāo)準(zhǔn)測量[J].無線電，2007(1):43-45.

[2] 龔建偉，熊光明．Visual C++/Turbo C串口通信編程實踐[M].北京:電子工業(yè)出版社，2005.

[3] 胡中功，黃波，江維.基于RS485總線的PC與單片機多機通信系統(tǒng)設(shè)計[J]．自動化與儀器儀表，2012(1)：30-31,35.

[4] 徐然，項小東．PC機與多單片機串行通信系統(tǒng)[J]．科學(xué)技術(shù)與工程，2005，5(12):815-818.

王柱 (1976-)，男，博士，系統(tǒng)分析師，講師，主要研究方向：系統(tǒng)分析和計算機軟件。

Design and implementation of multi-computer control system of prison dormitory doors access based on RS485 and MCU

Zhang Jingling1, Wang Tianlei1, Wang Zhu2

(1.School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China; 2.School of Computer, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

According to the main functions of the dormitory door controller, floor control room and remote control center three levels, this paper designs a dormitory door control system composed of PC and multiple single chips. The system takes PC as upper computer and multiple STC12C5A32S2 MCU as the lower computer of the dormitory door control system. It analyzes the multi-computer communication and control of the central computer control terminal, floor control terminal and the access controller, completes design of hardware circuit and software, and discusses several problems about installation and debugging. Experimental results show that the system is stable and reliable.

RS485; MCU; control system; multi-computer communication; prison dormitory door

TN915

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.18.022

2016-04-22)

張京玲(1978-)，通信作者，女，碩士，講師，主要研究方向：太陽能光伏系統(tǒng)和單片機控制。E-mail: zhangjl_2005@126.com。

王天雷(1981-)，男，博士研究生，講師，主要研究方向：通信與信號處理，電機驅(qū)動、無損檢測技術(shù)。