(揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引言

隨著城市的發(fā)展，各種通信、供電、供水、供氣網(wǎng)路越來越復(fù)雜，為了便于管理，節(jié)約地上空間，這些網(wǎng)路一般都布置在地下綜合管廊中，那么井蓋產(chǎn)生的安全隱患如井蓋被盜、通過井蓋入口盜取管廊內(nèi)的電線電纜等等，所以地下綜合管廊的井蓋安全就顯得極其重要。李志、徐文青等分別提出了基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的智能安全井蓋監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井蓋的實(shí)時(shí)監(jiān)測、精確定位、自動(dòng)報(bào)警[1-2]。王悅提出了基于綜合信息的一次編碼，對(duì)井蓋的位置及類型信息進(jìn)行規(guī)整，基于百度地圖對(duì)井蓋位置狀態(tài)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)井蓋與地圖的匹配、井蓋移動(dòng)軌跡顯示及移動(dòng)范圍設(shè)定，實(shí)現(xiàn)越界報(bào)警[3]。還有采用 Microsoft Silverlight 和 GIS 技術(shù)相結(jié)合，Rational統(tǒng)一過程(RUP)為軟件開發(fā)方法[4-5]，無線檢測等方法對(duì)井蓋實(shí)行檢測、報(bào)警[6-8]。本文對(duì)井蓋報(bào)警系統(tǒng)采用nRF24L01[9]無線通信和RS-485[10]通信方式，通過發(fā)送授權(quán)碼打開從機(jī)井蓋，并通過單片機(jī)實(shí)時(shí)檢測從機(jī)井蓋的行程開關(guān)信號(hào)，達(dá)到對(duì)井蓋的檢測、報(bào)警和打開的功能。

1 工作原理

整個(gè)井蓋檢測報(bào)警系統(tǒng)包括置于中心控制室的主機(jī)控制盒、安裝在井蓋上的從機(jī)控制盒以及無線遙控器。系統(tǒng)工作過程如下：當(dāng)需要打開井蓋時(shí)，主機(jī)控制盒(如圖1)通過nRF24L01無線模塊或RS-485將6位從機(jī)地址編號(hào)和2位動(dòng)態(tài)密碼發(fā)送給從機(jī)控制盒(如圖2)，nRF24L01無線通信和RS-485通信方式傳輸距離分別可達(dá)到1 km和 1.2 km，而城市井蓋間的距離大約50 m，從而可以保證通信的安全高效穩(wěn)定，從機(jī)控制盒接收動(dòng)態(tài)密碼，并在從機(jī)數(shù)碼管的后兩位顯示；工作人員在無線遙控器上設(shè)定從機(jī)控制盒上的8位授權(quán)碼，并發(fā)送給從機(jī)控制盒；從機(jī)控制盒接收無線遙控器(如圖3)發(fā)來的信號(hào)，并通過STC89C58RD+單片機(jī)程序控制打開井蓋上的電磁鐵，最后工作人員便可安全打開井蓋；此時(shí)，井蓋屬于正常打開，從機(jī)控制盒將地址編號(hào)通過nRF24L01無線模塊或RS-485反饋給主機(jī)控制盒，這時(shí)主機(jī)控制盒上會(huì)顯示被打開的井蓋的地址編號(hào)，并亮綠燈。當(dāng)井蓋被非法途徑被打開時(shí)，會(huì)觸發(fā)井蓋上的行程開關(guān)，從機(jī)控制盒會(huì)立即產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)并將該從機(jī)地址編號(hào)通過前一編號(hào)的從機(jī)反饋給主機(jī)控制盒，主機(jī)控制盒上會(huì)顯示被非法打開井蓋的地址編號(hào)，亮紅燈并觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。整個(gè)系統(tǒng)最主要的是通信，正常授權(quán)、反饋以及報(bào)警檢測都是通過nRF24L01無線模塊和RS-485雙回路完成井蓋之間，井蓋與主機(jī)之間的通信。

圖1 主機(jī)控制盒 圖2 從機(jī)控制盒

圖3 遙控器

圖4 控制系統(tǒng)主要硬件電路圖

另外，系統(tǒng)還采用短信報(bào)警檢測功能。每個(gè)從機(jī)都裝有短信模塊，可以接收并發(fā)送短信，工作人員可以通過指定手機(jī)向從機(jī)發(fā)送從機(jī)編號(hào)便可打開該編號(hào)井蓋；當(dāng)從機(jī)井蓋被非法打開時(shí)，該從機(jī)上的短信模塊會(huì)發(fā)送報(bào)警短信給指定手機(jī)，手機(jī)短信模塊功能的使用方便了工作人員隨時(shí)接收從機(jī)井蓋報(bào)警狀態(tài)并采取相應(yīng)措施。

2 硬件及軟件設(shè)計(jì)

2.1 電路設(shè)計(jì)

圖4為地下綜合管廊井蓋檢測報(bào)警系統(tǒng)主要硬件電路圖。

主控芯片是STC89C58RD+單片機(jī)，該款單片機(jī)具有內(nèi)存容量大、超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，其指令代碼與傳統(tǒng)的8051單片機(jī)完全兼容，但速度是8051單片機(jī)的8～12倍，能夠?qū)崟r(shí)接收主機(jī)、從機(jī)或者遙控器發(fā)出的信號(hào)，超強(qiáng)抗干擾能力和大容量內(nèi)存可保證系統(tǒng)持續(xù)長時(shí)間工作。數(shù)碼管配合ULN2003驅(qū)動(dòng)模塊和三極管電路完成顯示工作，其中引腳接三極管電路的S4-2，由三極管電路控制。無線通信電路和有線通信電路是通過各自的nRF24L01無線模塊和RS-485實(shí)現(xiàn)從機(jī)與主機(jī)以及從機(jī)之間的通信，能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。遙控器內(nèi)部配有nRF24L01無線模塊實(shí)現(xiàn)遙控器與從機(jī)的通信，經(jīng)測試，該模塊通信響應(yīng)速度快，傳輸速率可達(dá)8 Mbps，穩(wěn)定可靠，而且此模塊發(fā)射模式下發(fā)射功率為0 dBm 時(shí)電流消耗為11.3 mA ，接收模式時(shí)為12.3 mA，掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低，具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)，降低了本系統(tǒng)的主要功耗。報(bào)警狀態(tài)響應(yīng)的外部特征之一就是發(fā)出報(bào)警聲音，由此設(shè)計(jì)了三極管蜂鳴器電路。若使用單片機(jī)內(nèi)部晶振，可能會(huì)導(dǎo)致時(shí)序的不穩(wěn)定，因此設(shè)計(jì)的外部晶振電路，保證了在主機(jī)、從機(jī)和遙控器之間通信時(shí)有一個(gè)穩(wěn)定的波特率，提高整個(gè)系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 無線通信模塊

此系統(tǒng)的無線通信硬件選擇了nRF24L01模塊，用于從機(jī)向主機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)、主機(jī)向從機(jī)發(fā)送授權(quán)碼以及遙控器向從機(jī)發(fā)送的動(dòng)態(tài)密碼，該模塊是用ISM頻段接收發(fā)送信號(hào)的通信芯片，工作頻率為2.4～2.5 GHz，通用性高，適合大多數(shù)控制系統(tǒng)的信號(hào)接收發(fā)送無線通信方式。nRF24L01通信模塊的無線接收方式是通過SPI接口進(jìn)行調(diào)試設(shè)置的，設(shè)置內(nèi)容包括：信號(hào)功率放大器、頻率發(fā)生器、調(diào)制調(diào)節(jié)器、晶體放大器、信號(hào)控制器、輸出功率和工作頻道的選擇以及相應(yīng)的工作協(xié)議。在使用過程中，nRF24L01無線通信模塊的工作電流極低，當(dāng)工作模式為發(fā)射時(shí)，模塊的發(fā)射功率為-6 dBm，相應(yīng)的工作電流為11 mA；當(dāng)工作模式為接收時(shí)，工作電流為12.5 mA；當(dāng)無線模塊既不發(fā)送也不接收，處于掉電模式時(shí)或待機(jī)模式時(shí)的工作電流更低，僅為900 nA；極低的工作電流保證了nRF24L01無線通信模塊可以在長時(shí)間工作環(huán)境中正常工作。當(dāng)無線通信模塊nRF24L01在通過SPI接口工作時(shí)，工作節(jié)點(diǎn)可以通過自動(dòng)組網(wǎng)的方式與主控制芯片進(jìn)行無線數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

2.2.2 數(shù)碼管顯示

本控制系統(tǒng)主機(jī)和從機(jī)的顯示部分采用數(shù)碼管顯示，主機(jī)和從機(jī)系統(tǒng)的數(shù)碼管顯示包括數(shù)碼管、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003、PNP三極管以及阻值為300 Ω和5 KΩ的電阻。數(shù)碼管顯示需要段碼和位碼組合控制要顯示的內(nèi)容，主控制芯片單片機(jī)P0位用于輸出段碼信號(hào)，單片機(jī)的P2位用于輸出位碼信號(hào)。段碼表示的是數(shù)碼管8位中哪一段顯示高亮，例如數(shù)碼管顯示的1,2,3等；位碼控制的是哪一個(gè)數(shù)碼管顯示(本系統(tǒng)有8個(gè)數(shù)碼管顯示)。本系統(tǒng)從機(jī)數(shù)碼管設(shè)定的工作方式分為兩種，前6個(gè)數(shù)碼管顯示的編號(hào)表示將要對(duì)某一井蓋控制的井蓋編號(hào)，最后2個(gè)數(shù)碼管顯示的內(nèi)容是打開此從機(jī)需要的動(dòng)態(tài)密碼，及授權(quán)碼。

2.2.3 電源模塊

圖6 系統(tǒng)程序流程圖

本系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)要滿足主控制芯片單片機(jī)和無線通信模塊nRF24L01的供電需求，其中主控制芯片所需工作電壓為5 V，無線通信模塊nRF24L01不同于一般的元器件，需要的工作電壓為3.3 V，其他元器件所需電壓均為5 V。主機(jī)和從機(jī)控制電路板都有無線通信模塊，電路板的輸入電源由穩(wěn)壓電源提供，電壓為24 V，原始24 V電源通過電壓轉(zhuǎn)換模塊將為5 V電壓電源，為控制芯片供電，另外將一路5 V電源通過電壓轉(zhuǎn)換模塊DC-DC降為3.3 V電源給給無線通信模塊供電。同樣，遙控器控制電路板也有無線通信模塊，電源部分的設(shè)計(jì)和主機(jī)從機(jī)控制電路板相同，將24 V電源降為5 V和3.3 V為主控制芯片和無線通信模塊供電。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

圖5是井蓋檢測報(bào)警系統(tǒng)主機(jī)和從機(jī)流程圖。

如圖5(a)所示主機(jī)的工作流程，主機(jī)在中心控制室一直處于接收模式，即檢測狀態(tài)，檢測從機(jī)井蓋是否被非法破壞，在整個(gè)系統(tǒng)中大部分時(shí)間都處于這種檢測狀態(tài)，由于是有線和無線雙回路通信方式，檢測功能非常穩(wěn)定，并且由于模塊的特性，檢測時(shí)功耗極低，節(jié)能環(huán)保。主機(jī)另一個(gè)重要功能即主動(dòng)發(fā)送授權(quán)碼給從機(jī)，從而可以合法打開井蓋。在程序中設(shè)計(jì)這一中斷，程序從檢測狀態(tài)到主動(dòng)發(fā)送授權(quán)碼命令再回到檢測狀態(tài)，程序條理清晰，可以及時(shí)準(zhǔn)確響應(yīng)這一中斷并返回檢測狀態(tài)。

如圖5(b)所示從機(jī)的工作流程，和主機(jī)一樣從機(jī)處于檢測狀態(tài)，即檢測井蓋上行程開關(guān)信號(hào)。從機(jī)工作流程與主機(jī)是相輔相成，配合使用的，通信系統(tǒng)即是二者聯(lián)系的重要橋梁。不同于主機(jī)的是從機(jī)配有短信模塊，這使得從機(jī)在此模塊工作狀態(tài)下通信數(shù)據(jù)只有單方向通信，例如使用手機(jī)短信控制正常打開井蓋時(shí)，從機(jī)接收到的信號(hào)并不是主機(jī)傳送的，而是短信信號(hào)，但將狀態(tài)反饋給主機(jī)仍是通過雙通信方式。

圖5 程序流程圖

整個(gè)系統(tǒng)的流程如圖6所示，如上述，主機(jī)和從機(jī)處于檢測狀態(tài)，即本系統(tǒng)檢測報(bào)警功能之一，主機(jī)和從機(jī)的工作過程相輔相成，二者不能分離，是一個(gè)整體，為對(duì)方服務(wù)。由此組成的系統(tǒng)最重要的是各部分之間的通信，雙回路通信配合短信通信使得系統(tǒng)檢測和報(bào)警功能穩(wěn)定、快速以及準(zhǔn)確。

下面著重介紹該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中中斷函數(shù)程序設(shè)計(jì)和主機(jī)軟件程序中nRF24L01無線通信的軟件程序設(shè)計(jì)。

主機(jī)和從機(jī)系統(tǒng)的中斷函數(shù)程序設(shè)計(jì)，主控制芯片單片機(jī)定時(shí)器0中斷服務(wù)于8個(gè)數(shù)碼管的顯示，設(shè)計(jì)50 ms中斷一次并刷新數(shù)碼管，保證了數(shù)碼管持續(xù)高亮，通過人眼感受不到數(shù)碼管亮度的跳動(dòng)。編寫該中斷程序時(shí)，定時(shí)器0每次循環(huán)需要重裝初值，采用的晶振頻率為11.059 2 MHz，代碼為TH0=0xFC;TL0=0x02;中斷程序過后即調(diào)用數(shù)碼管顯示子程序，顯示數(shù)碼管內(nèi)容。主控制芯片的外部中斷0服務(wù)于數(shù)碼管的按鍵調(diào)節(jié)，當(dāng)按下數(shù)碼管換位鍵時(shí)，第一位數(shù)碼管數(shù)字開始跳動(dòng)，準(zhǔn)備更改此位數(shù)碼管的內(nèi)容，當(dāng)再次按下數(shù)碼管換位鍵時(shí)，第二位數(shù)碼管數(shù)字開始跳動(dòng)，其他位數(shù)碼管保持高亮狀態(tài)，第二位數(shù)碼管內(nèi)容準(zhǔn)備更改，以此類推可以確定某位數(shù)碼管內(nèi)容需要被更改，程序代碼調(diào)用函數(shù)為void Int0ISR(void) interrupt 0。主控制芯片外部中斷1服務(wù)于數(shù)碼管增加減少按鍵的調(diào)節(jié)，當(dāng)確認(rèn)到第一位數(shù)碼管內(nèi)容需要被更改時(shí)，按下數(shù)碼管增加鍵或者減少鍵該位數(shù)碼管的數(shù)字相應(yīng)的增加或者減少，數(shù)字變化的范圍為0-9，無限循環(huán)，程序代碼調(diào)用函數(shù)為void Int1ISR(void) interrupt 2。數(shù)碼管換位鍵和數(shù)碼管增加減少鍵配合工作就可以設(shè)定數(shù)碼管內(nèi)容，及從機(jī)編號(hào)和動(dòng)態(tài)密碼等，其中斷是通過單片機(jī)的外部中斷0和外部中斷1實(shí)現(xiàn)的。

主機(jī)程序中無線通信nRF24L01模塊子程序的設(shè)計(jì)需要滿足其特定的條件，無線通信模塊nRF24L01的工作模式靈活多樣，配置寄存器的改變會(huì)影響到無線通信模塊的工作模式，另外某些引腳和FIFO緩沖器的狀態(tài)也會(huì)影響其工作模式。但是當(dāng)FIFO緩沖器不論出于何種狀態(tài)時(shí)，PWR_UP和PRIM_RX寄存器值為1且CE引腳狀態(tài)為高電平時(shí)，無線通信模塊nRF24L01的射頻收發(fā)芯片處于接收模式，時(shí)刻接收周圍的無線信號(hào)，接收狀態(tài)也是無線通信模塊最主要的工作模式。在發(fā)送模式下，根據(jù)主機(jī)系統(tǒng)的需求，通過無線通信模塊nRF24L01將8位授權(quán)碼發(fā)送給從機(jī)，8位授權(quán)碼中前六位是從機(jī)編號(hào)，表示的是目標(biāo)地址，后兩位是動(dòng)態(tài)密碼。在程序中將0Xcc作為發(fā)送的幀頭，加上目標(biāo)地址以及動(dòng)態(tài)密碼存入發(fā)送緩沖區(qū)Tx_Buf，再將指令發(fā)送到從機(jī)的接收緩沖區(qū)Rx_Buf。

3 結(jié)果與討論

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的井蓋檢測報(bào)警系統(tǒng)的性能，進(jìn)行了如下試驗(yàn)：準(zhǔn)備一個(gè)主機(jī)和三個(gè)從機(jī)，模擬實(shí)際情況將它們分隔10 m布置，接線并通電，按上述原理及工作流程，測試主機(jī)發(fā)送授權(quán)碼功能，從機(jī)隨即響應(yīng)，遙控器發(fā)送動(dòng)態(tài)密碼，行程開關(guān)(即井蓋)正常打開，更換從機(jī)產(chǎn)生對(duì)比，動(dòng)態(tài)密碼隨機(jī)更改，試驗(yàn)時(shí)每臺(tái)從機(jī)動(dòng)態(tài)密碼為27，35，68，每臺(tái)從機(jī)試驗(yàn)次數(shù)為10次，記錄每次結(jié)果，成功率為100%；同理，測試通過手機(jī)短信打開從機(jī)行程開關(guān)以及測試從機(jī)被非法打開，進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)并記錄，成功率均為100%。

除了測試系統(tǒng)的可行性，還對(duì)無線通信系統(tǒng)進(jìn)行了通信距離實(shí)驗(yàn)，將無線通訊模塊nRF24L01在空曠操場進(jìn)行等距離布置，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得到無線通訊模塊最遠(yuǎn)可接受信號(hào)距離為70 m；將無線通訊模塊nRF24L01布置在建筑物之間時(shí)，建筑物的阻礙使得無線通訊模塊接收距離明顯縮短，此時(shí)最優(yōu)的接收距離為20 m。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 nRF24L01在不同距離下通信的丟包情況

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知該系統(tǒng)在特定距離下通信時(shí)速度快并且非常穩(wěn)定，在雙回路通信并配合短信通信方式下，系統(tǒng)的檢測、報(bào)警及反饋功能可以可靠的實(shí)現(xiàn)，可以有效的對(duì)城市地下綜合管廊井蓋進(jìn)行監(jiān)控，從而保證了城市地下管廊的安全，保護(hù)了人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。但是也存在著不足，RS485通信雖然傳輸距離遠(yuǎn)，速度快，但其通信需要線路支撐，線路的連接使整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜化，存在較多隱患，之后的改進(jìn)中在保證檢測報(bào)警功能的前提下逐步淘汰有線通信方式，完全使用無線通信，主要從系統(tǒng)方案和程序中優(yōu)化，使檢測報(bào)警系統(tǒng)更加智能化，現(xiàn)代化。

由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)還不夠全面，本系統(tǒng)只實(shí)現(xiàn)了通訊的基本功能，外部環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響還很大，需要不斷完善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性，例如在實(shí)際情況中，需要研究道路井蓋被汽車碾壓振動(dòng)對(duì)從機(jī)的影響。此系統(tǒng)在工作時(shí)需要專業(yè)人員看護(hù)，浪費(fèi)了人工，在以后的改進(jìn)中需要添加手機(jī)APP控制，簡化操作；另外還需結(jié)合實(shí)際情況，研究道路井蓋被汽車碾壓振動(dòng)對(duì)從機(jī)的影響。