基于MSP430的長距離巡更系統(tǒng)的設(shè)計

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

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

1.引言

20世紀90年代初在美國產(chǎn)生了電子巡更產(chǎn)品，隨之傳人中國，它采用碰觸式鈕扣，自動記錄時間和卡號，屬于接觸式電子巡更產(chǎn)品[1]。20世紀90年代末期，隨著無線射頻識別技術(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。自2001年至今，電子巡更系統(tǒng)由巡檢器、信息鈕和微機管理系統(tǒng)3部分組成，在此模式下其產(chǎn)品不斷完善。該項技術(shù)廣泛地被應(yīng)用在煤礦、教育、部隊、糧庫、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線射頻識別技術(shù)、嵌入式、數(shù)據(jù)庫管理等綜合技術(shù)，由便攜式無線射頻巡更采集器、無線射頻通訊系統(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)計的便攜式無線射頻巡更采集器，接收巡查目標當時當?shù)鼗贛SP430單片機和nRF905組成的射頻節(jié)點發(fā)出的信息，通過USB接口把數(shù)據(jù)上傳到電腦終端中，進行信息的顯示、存儲和表格分析等，同時PC機能給單片機發(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)，并成為市場主流產(chǎn)品。設(shè)計者受技術(shù)的限制，舍去了在線式非接觸巡更系統(tǒng)具有的實時監(jiān)控的優(yōu)點，雖然淘汰了碰觸式鈕扣讀取信息方式，代之以無線射頻識別技術(shù)（RFID）的非接觸感應(yīng)讀取信息方式，但最大可識別距離僅在13cm以內(nèi)，給巡檢人員的正常工作帶來很大的不便。根據(jù)小型化、實時監(jiān)測和低功耗等要求，系統(tǒng)給出了一種以低功耗MSP430單片機為核心，以nRF905無線收發(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。該系統(tǒng)的工作頻率為2.4GHz，識別距離可達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)由無線標簽、采集器、中繼器和計算機系統(tǒng)管理系統(tǒng)4大部分組成[3]。

3.1 無線標簽。巡視點由無線標簽組成，無線采集器可接收無線標簽發(fā)來的數(shù)據(jù)代碼。為保證通信數(shù)據(jù)的可靠性，實際要小于最大發(fā)射距離。無線標簽和無線采集器之間采用點到點的通信方式，由軟件編寫通信協(xié)議，無線標簽是有源器件，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，通?？稍O(shè)在5-10m距離范圍內(nèi)，無方向性要求。電子標簽使用的低功耗的單片機MSP430F2001，射頻芯片是nRF905。圖2為無線標簽的硬件原理圖。

圖2 無線標簽的硬件原理圖

3.2 無線采集器。無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)無需取出便可識別所巡視點的信息。無線采集器通過主從式無線通信方式接收各無線標簽發(fā)送來的數(shù)據(jù)，這是由巡檢人員代碼，巡檢的無線標簽代碼和當時的時間3部分組成，并將數(shù)據(jù)保存在閃存（FLASH MEMORY）內(nèi)，與微機通過USB接口進行通信。無線采集器也采用低功耗MSP430F135單片機作為核心控制器，nRF905無線收發(fā)射頻芯片為接受單元。圖3為無線采集器的硬件原理圖。

圖3 無線采集器的硬件原理圖

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

圖4 無線中繼器的硬件原理圖

3.4 微機管理系統(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USB接口進行數(shù)據(jù)傳輸，并以數(shù)據(jù)庫的形式保存在文件系統(tǒng)中?？筛鶕?jù)巡更的班次和時間間隔，對每條記錄逐項比較以確認是否有效。將每條記錄的結(jié)果進行多種方法的查詢，統(tǒng)計并做出供管理者使用的各種報表，也可根據(jù)需要實時監(jiān)控各無線標簽的情況。

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鐘下運行，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功耗可以通過開關(guān)狀態(tài)寄存器的控制位來控制，正常工作時電流為160uA，備用時為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，僅當有外部中斷發(fā)生時喚醒進入終端服務(wù)程序，完成后重新進入低功耗模式，照此循環(huán)往復(fù)，可以最大的實現(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，只有當監(jiān)測和接收頻率相同的載波的時候并且地址匹配的情況下才進入接收模式，當傳感器采集到數(shù)據(jù)需要發(fā)送的時候才喚醒nRF905進入發(fā)射模式，其他情況nRF905進入掉電模式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，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。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，短時間電流較大）；短時間高速發(fā)射，數(shù)據(jù)在空中停留時間短，抗干擾性高；低的系統(tǒng)費用（低速微處理器也能進行高速射頻發(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 無線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)型連接示意圖

5.無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[6]

各無線標簽通過射頻電波相互之間組成了無線通信網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)采用無線網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)，即點一點一點的通信方式。由于各個接點都有微處理器，無需無線路由器便可實現(xiàn)一點與另一點間的無線互連，每個無線接點不僅可以收發(fā)數(shù)據(jù)，而且還可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到相鄰的無線接點，多個無線接點相互的連接，可使傳輸距離更遠。當無線網(wǎng)絡(luò)中一個接點出現(xiàn)故障時，相臨的接點會自動取代出現(xiàn)故障的接點，使網(wǎng)絡(luò)通信保持正常。圖6為無線網(wǎng)形連接示意圖。

6.無線信標，采集器，中繼器之間的通訊協(xié)議

6.1 采集器和無線信標通信

（1）采集器和信標采用如下數(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

當信標設(shè)置為遠距離工作時，信標采用如下數(shù)組初始化nRF905

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

0x08--433MHz頻段，6dBm

（2）采集器和信標通信時數(shù)據(jù)格式

信標每次發(fā)送4個字節(jié)數(shù)據(jù)，第1、2個字節(jié)代表卡號，比如卡號是1000，則第1、2個字節(jié)的內(nèi)容為0x03，0xe8；第3個字節(jié)如果內(nèi)容為0x25，說明信標電池電壓低，否則為0；第4個字節(jié)為前3個字節(jié)的異或校驗碼，當?shù)?個字節(jié)內(nèi)容為0x03，第2個字節(jié)內(nèi)容為0xe8，第3個字節(jié)內(nèi)容為0x25，則第4個字節(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.巡檢過程

無線標簽軟件流程如圖7所示。

圖7 無線標簽射頻發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖

如圖1，當巡檢人員攜無限采集器在規(guī)定的巡視路線到達a點時，無線標簽收到無限采集器發(fā)來的標識代碼，傳送給下一探頭進行接力傳送，同時發(fā)送一信號給標簽，使該的收發(fā)電路處于休眠狀態(tài)（節(jié)省電源）。當巡檢人員到達b點時，標簽可能不到信號，（標簽仍處于休眠狀態(tài)），也可能收到信號，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）。當巡檢人員到達c點時，標簽和6均可能收到信號，但標簽應(yīng)判斷b探頭起作用，標簽仍以第一次收到的數(shù)據(jù)為準，每個標簽收到和傳送的數(shù)據(jù)最終傳送到采集器中保存在閃存中。

8.無線標簽，中繼器和采集器的軟件流程

無線中繼器軟件流程如圖8所示。

圖8 無線中繼器軟件流程圖

無線采集器軟件流程如圖9所示。

9.結(jié)束語

對本系統(tǒng)首先進行了硬件驗證實驗，然后又進行了軟件設(shè)計實驗，達到了預(yù)想的結(jié)果。采用VB6.0進行串口通信編程，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用C#來設(shè)計可視化的圖形界面、數(shù)據(jù)庫訪問和實時監(jiān)控界面。在數(shù)據(jù)庫中需要對巡更人員的基本資料表、執(zhí)勤安排表和工作記錄表進行設(shè)計。該系統(tǒng)是基于RFID技術(shù)，利用無線信道進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，目前廣泛使用的手機技術(shù)也是利用無線信道進行數(shù)據(jù)傳輸，其使用方便，靈活是眾所周知的。

圖9 無線采集器軟件流程圖

無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格的場所采用無線通信信道無疑具有很強的競爭力。安裝方便，其易于擴充，是較為理想的通信方案。工作在2.4GHz的無線通信，對設(shè)計者在硬件和軟件的設(shè)計上提出了較高的要求。在高頻環(huán)境下，設(shè)計經(jīng)驗變得非常重要。無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，無線語音，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，加上計算機網(wǎng)絡(luò)功能，形成新一代的電子巡更巡檢系統(tǒng)。

參考文獻：

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