廣東廣晟通信技術(shù)有限公司 邱文豐

1 引言

監(jiān)獄服刑人員存在著人數(shù)多，一般都在1000名犯人以上，而警力不足，這就需要采用技防實(shí)現(xiàn)服刑人員防脫逃管理，本文提出的人員定位腕表是監(jiān)獄服刑人員安防系統(tǒng)基礎(chǔ)硬件產(chǎn)品設(shè)計(jì)。是一款面向監(jiān)獄和重要安全單位和場(chǎng)合的高性能定位終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)。本文著重介紹監(jiān)獄人員定位管理系統(tǒng)中服刑人員腕表設(shè)計(jì)。電子標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)根據(jù)用戶的需求，需要制作成手環(huán)的樣子，因此產(chǎn)品需要非常的小巧；并且要在可以持續(xù)工作一年左右的時(shí)間，因此產(chǎn)品對(duì)于能量的需求非?？量獭＿@部分中產(chǎn)品的功耗和體積，以及多節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)男诺罌_突解決機(jī)制是關(guān)鍵和難點(diǎn)。

定位腕表的功能是與基站數(shù)據(jù)采集通訊，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。硬件平臺(tái)和基站基本一樣，只是由于定位器的位置固定，因此可以由有線電源供電。而且需要通過(guò)UART接口轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)口傳輸出去。本部分采用TI公司出品的CC1111Fx無(wú)線射頻芯片，其芯片具有高度的集成性，將RF和MCU設(shè)計(jì)到一個(gè)芯片中的SoC，減小的體積，提高了性能。系統(tǒng)使用315MHz的工作頻段進(jìn)行無(wú)線通訊，此款芯片其他特性請(qǐng)參照《CC111Fx數(shù)據(jù)手冊(cè)》。

圖1所示為腕表原理圖，腕表內(nèi)主芯片采用TI公司的CC1110無(wú)線射頻芯片。整個(gè)流程主要由腕表注冊(cè)、心跳上報(bào)、更新和腕表報(bào)警組成的工作流程結(jié)構(gòu)。基站啟動(dòng)或重啟后，系統(tǒng)上電向腕表發(fā)送注冊(cè)信息，加入到網(wǎng)絡(luò)中，并且在服務(wù)器中進(jìn)行登記。注冊(cè)成功后腕表會(huì)定時(shí)發(fā)送心跳信息，報(bào)告自己的位置。如果遇到突發(fā)事件，比如腕表電量過(guò)低和腕表被破壞等情況會(huì)優(yōu)先發(fā)送報(bào)警信號(hào)，通知服務(wù)端做出響應(yīng)。圖2所示為腕表電源原理圖。

腕表由于能量控制的要求，需要在不通訊的時(shí)候進(jìn)行睡眠，但有信息發(fā)送的時(shí)候，系統(tǒng)從睡眠狀態(tài)蘇醒開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)信道，如果信道空閑就進(jìn)入發(fā)送信息階段，如果信道繁忙將會(huì)重新監(jiān)聽(tīng)，反復(fù)4次監(jiān)聽(tīng)過(guò)程，如果信道始終繁忙，系統(tǒng)將進(jìn)入一個(gè)周期的隨機(jī)睡眠時(shí)間，醒來(lái)后再次監(jiān)聽(tīng)；信息發(fā)送出去之后，腕表將會(huì)等待ACK的回復(fù)，如果等到了相應(yīng)的ACK，則證明此次通訊成功，系統(tǒng)將再次睡眠一個(gè)周期，如果等待了一定時(shí)間后沒(méi)有收到ACK，系統(tǒng)則認(rèn)為此次通訊失敗，進(jìn)入一個(gè)周期的睡眠時(shí)間，等待醒來(lái)后重發(fā)。囚犯腕表采用的是防水耐磨ABS塑料，能夠有效的防止浸水和暴力拆卸。腕表物如圖3所示。

圖1 腕表原理圖Fig.1 Wristwatch schemati diagram

圖2 腕表電源原理圖Fig.2 Watch the principle diagram of the power supply

圖3 腕表實(shí)物圖Fig.3 carpal

圖4 PCB布局布線圖Fig.4 layout of the wiring diagram

射頻布局布線，根據(jù)圖4所示，陶瓷天線擺放于邊緣且與其他器件保持一定距離，天線部位不做敷銅處理，由于受腕表體積限制，PCB采用FR4材質(zhì)，板厚選擇0.8mm。CC1110供電引腳附近擺放104、103電容，并擺放47UF以上的退藕電容，增強(qiáng)抗干擾能力和避免死機(jī)。PCB布局布線如圖4所示。

2 無(wú)線數(shù)據(jù)處理過(guò)程

腕表的數(shù)據(jù)接收端一直處于接收監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，但接收到從基站發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)后會(huì)解析數(shù)據(jù)包，測(cè)量信號(hào)能量和解析數(shù)據(jù)包地址。然后將數(shù)據(jù)包上傳到DATA_SERVER模塊對(duì)其進(jìn)行處理，如果從數(shù)據(jù)地址得知其不屬于自己處理，只是將其上傳，則將數(shù)據(jù)內(nèi)容放入緩存中等待上傳發(fā)送。如果屬于自己處理，則組成ACK包，并且檢測(cè)命令緩沖區(qū)是否有命令信息，有命令信息的話將其添加到ACK包中。將ACK以單播的形式發(fā)送給相應(yīng)的電子標(biāo)簽后處于信道監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)。

3 系統(tǒng)出錯(cuò)處理設(shè)計(jì)

用戶角度：誤報(bào)和漏報(bào)；系統(tǒng)角度：服務(wù)器端錯(cuò)誤、中繼錯(cuò)誤、定位器錯(cuò)誤和標(biāo)簽錯(cuò)誤；開(kāi)發(fā)角度：硬件錯(cuò)誤、軟件錯(cuò)誤和環(huán)境影響瞬態(tài)錯(cuò)誤；業(yè)務(wù)角度：低電量報(bào)警、腕帶破壞報(bào)警和進(jìn)入警戒區(qū)域報(bào)警。以下說(shuō)明故障出現(xiàn)后可能采取的變通措施，包括：

a.后備技術(shù)說(shuō)明準(zhǔn)備采用的后備技術(shù)，當(dāng)原始系統(tǒng)數(shù)據(jù)萬(wàn)一丟失時(shí)啟用的副本的建立和啟動(dòng)的技術(shù)，例如周期性地把磁盤信息記錄到磁帶上去就是對(duì)于磁盤媒體的一種后備技術(shù)；

b.降效技術(shù)說(shuō)明準(zhǔn)備采用的后備技術(shù)，使用另一個(gè)效率稍低的系統(tǒng)或方法來(lái)求得所需結(jié)果的某些部分，例如一個(gè)自動(dòng)系統(tǒng)的降效技術(shù)可以是手工操作和數(shù)據(jù)的人工記錄；

c.恢復(fù)及再啟動(dòng)技術(shù)說(shuō)明將使用的恢復(fù)再啟動(dòng)技術(shù)，使軟件從故障點(diǎn)恢復(fù)執(zhí)行或使軟件從頭開(kāi)始重新運(yùn)行的方法。

4 腕表軟件的更新

[1]李文仲,段朝玉.CC1110/CC2510無(wú)線單片機(jī)和無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)入門與實(shí)踐[J].

[2]沈建華,.姜寧.STR71x系列ARM微控制器原理與應(yīng)用[J].

[3]李文仲,段朝玉.C8051F系列單片機(jī)于短距離無(wú)線數(shù)據(jù)通信[J].

[4]datasheet Low-Poweer SoC(System-on-Chip)with MCU,Memery,Sub-1GHz RF Transceiver,and USB Controller.

[5]datasheet True System-on-Chip with High Power RF Transceiver and 8025 MCU.

[6]黃智偉.無(wú)線發(fā)射于接收電路設(shè)計(jì)[J].

[7]李緝熙,王志功.射頻電路與芯片設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].