戶外LCD電子站牌的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃成甲

（廣西民族大學(xué)相思湖學(xué)院 廣西壯族自治區(qū)南寧市 530006）

在智慧城市的建設(shè)中，戶外LCD電子站牌有動(dòng)態(tài)性、高清性、互動(dòng)性等特點(diǎn)，取代了傳統(tǒng)的燈箱式戶外公交站牌。由于戶外LCD電子站臺(tái)在戶外使用時(shí)，處于炎熱，潮濕，灰塵大等環(huán)境下，且設(shè)備基本需24小時(shí)運(yùn)行，盡管有多項(xiàng)防護(hù)措施，長(zhǎng)時(shí)間處于惡劣環(huán)境難免會(huì)出現(xiàn)設(shè)備故障，從而造成屏幕不能正常顯示。維修過程中又常常以傳統(tǒng)方式進(jìn)行，即技術(shù)人員巡查故障，上報(bào)申請(qǐng)配件。此種維修方式不僅耗時(shí)長(zhǎng)，不及時(shí)修復(fù)有可能還會(huì)引起公共事件。針對(duì)上述出現(xiàn)的問題，筆者認(rèn)為需要設(shè)計(jì)出一種戶外LCD電子站牌的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)部設(shè)備的工作狀態(tài)，若出現(xiàn)故障能及時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)，后臺(tái)能準(zhǔn)確的獲悉故障點(diǎn)，方便服務(wù)中心快速安排維修人員，并匹配適合配件，加快維修速度。

1 系統(tǒng)的概述

戶外LCD電子站牌內(nèi)部主要由工業(yè)電腦、散熱風(fēng)扇、高亮度的LCD顯示屏、各種電源、圖形驅(qū)動(dòng)板、背光驅(qū)動(dòng)板卡、玻璃破碎探測(cè)器、門禁感應(yīng)開關(guān)、智能監(jiān)測(cè)板等這些主要單元組成。智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備中每個(gè)模塊單元的工作狀態(tài)，然后通過R2232串口發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī)（電腦），上位機(jī)再把數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到后臺(tái)服務(wù)器。如此一來(lái)，服務(wù)中心就能通過物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)到各個(gè)公交站臺(tái)的LCD電子站牌中設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)能及時(shí)收到故障報(bào)警及具體某個(gè)故障模塊信息數(shù)據(jù)。方便維護(hù)人員快速的處理維修，保證LCD電子站牌的正常運(yùn)行。

2 智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是采用ATmega16單片機(jī)作為主控芯片，充分利用其片上豐富的資源連接檢測(cè)外圍的模塊，其中包括8路的10位的逐次逼近型ADC，可編程的串行USART，一個(gè)16位和2個(gè)8位具有預(yù)分頻、比較功能和捕捉功能點(diǎn)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。

2.1 電源模塊和背光驅(qū)動(dòng)板卡的檢測(cè)硬件電路設(shè)計(jì)

LCD電子站牌使用LCD專用電源模塊，這種LCD專用電源主要分4路輸出。第一路是待機(jī)的5VSB輸出DC5V電壓，另外三路分別是DC5V、DC12V和DC24V輸出。采用電阻對(duì)輸出電壓進(jìn)行分壓，接到單片機(jī)的ADC，對(duì)3路電壓進(jìn)行測(cè)量。5VSB路電壓是提供給智能監(jiān)測(cè)板工作電壓和圖像驅(qū)動(dòng)板的待機(jī)工作電壓，不對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。LED背光驅(qū)動(dòng)板，是一種采用boost模式的升壓恒流板，將輸入的DC 24V電壓通過BOOST電路升壓80V后再恒流輸出給LED燈珠，輸出最大電流為800mA。對(duì)恒流板的監(jiān)測(cè)需測(cè)量其輸出的電流便可判斷其狀態(tài)。由于LED背光恒流板在設(shè)計(jì)中采用0.2歐姆的采樣電阻來(lái)控制恒流輸出，所以在硬件設(shè)計(jì)上，利用恒流板上的采樣電阻對(duì)輸出電流進(jìn)行采樣。同時(shí)保證不影響恒流板原性能，采樣電阻需一個(gè)電壓跟隨器及運(yùn)算放大器。運(yùn)算放大器放大后的電壓信號(hào)連接到單片機(jī)的ADC6接口。

2.2 溫度測(cè)量與散熱風(fēng)扇的狀態(tài)檢測(cè)硬件設(shè)計(jì)

圖1：LCD電子站牌內(nèi)部設(shè)備工作邏輯圖

溫度傳感器采用的是DS18B20，主要用于檢測(cè)設(shè)備內(nèi)部的溫度。DS18B20是一款常用的數(shù)字溫度傳感器，其輸出的是數(shù)字信號(hào)，具有體積小，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，只占用單片機(jī)的一個(gè)I/O口。散熱風(fēng)扇采用的是4線式是無(wú)刷風(fēng)扇，2根是電源線，1根用于調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，1根用于輸出風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的脈沖信號(hào)。通過查看該散熱風(fēng)扇的規(guī)格書，其最高轉(zhuǎn)速為每分鐘5700轉(zhuǎn)，單片機(jī)的16位計(jì)數(shù)器最大能計(jì)數(shù)到65535，滿足轉(zhuǎn)速計(jì)數(shù)需求。因風(fēng)扇數(shù)量多，轉(zhuǎn)速為均速，所以需要定時(shí)20秒計(jì)數(shù)，計(jì)算結(jié)果換算為一分鐘，可算出轉(zhuǎn)速。電子站牌設(shè)備中散熱風(fēng)扇有4個(gè)，而單片機(jī)僅有一路16位計(jì)數(shù)器，故需要采用CD4051芯片對(duì)其擴(kuò)展到8路通道。設(shè)計(jì)中把風(fēng)扇輸出的脈沖信號(hào)腳連接ATmega16單片機(jī)的輸入捕獲端ICP1，用 CD4051擴(kuò)展到8個(gè)通道，便可以輪流測(cè)量8個(gè)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。

2.3 圖形驅(qū)動(dòng)板卡狀態(tài)檢測(cè)的硬件設(shè)計(jì)

圖像驅(qū)動(dòng)板卡需要檢測(cè)POWER_ON（控制電源輸出及待機(jī)）信號(hào)、BL_ON（控制背光開關(guān)）的信號(hào)、雙色LED指示燈工作狀態(tài)。POWER_ON及BL_ON工作狀態(tài)是否高低電平，可用單片機(jī)I/O口讀取。雙色LED的工作狀態(tài)，在指示燈亮?xí)r電壓為0.7V，故I/O不能直接識(shí)別。因單片機(jī)的ADC管腳的端口有限，故采用電壓比較器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

3 LCD電子站牌智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

戶外LCD電子站牌智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)為主，程序采用模塊化子程序，每個(gè)被監(jiān)測(cè)模塊單元都有獨(dú)立的子函數(shù)程序。

3.1 LCD電子站牌內(nèi)部設(shè)備模塊單元的工作狀態(tài)及故障檢測(cè)邏輯

智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如何判斷某個(gè)模塊是否出故障，需了解LCD電子站牌內(nèi)部設(shè)備的工作邏輯。如圖1所示，首先LCD電子站牌使用LCD專用電源模塊，該電源有4路輸出。第一路是待機(jī)電源5VSB輸出，輸出電壓為5V。正常工作下只要外部有AC220V電源，該5VSB接口就能輸出DC5V/1A的電流。待機(jī)電源5VSB正常輸出后，需給電源POWER_ON提供一個(gè)高電平信號(hào)（主要由圖像驅(qū)動(dòng)板提供），剩下三路才有電壓輸出，輸出電壓分別是DC5V、DC12V和DC24V。電源輸出的DC24 V提供給背光恒流驅(qū)動(dòng)板，輸出的DC12V提供給圖形驅(qū)動(dòng)板和風(fēng)扇，輸出的DC5V提供給圖形驅(qū)動(dòng)板。LCD電源有三種狀態(tài)，分別為：第一種POWER_ON信號(hào)是低電平時(shí)，處于待機(jī)狀態(tài)；第二種POWER_ON是高電平時(shí)，DC5V、DC12V、DC24V都能正常輸出，處于正常工作狀態(tài)；第三種處于故障狀態(tài)，有可能某一路電壓沒有輸出或電源輸出不能正常關(guān)閉。圖形驅(qū)動(dòng)板也有三種狀態(tài)，分別為：第一種無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，處于待機(jī)狀態(tài)，其狀態(tài)為POWER_ON、BL_ON均為低電平，雙色LED指示燈是紅燈；第二種是有信號(hào)輸入時(shí)，處于正常工作狀態(tài)，其狀態(tài)為POWER_ON與BL_ON電平不一致，雙色LED指示燈不亮。風(fēng)扇也有三種狀態(tài)，分別為：第一種溫度低于啟動(dòng)溫度時(shí)，風(fēng)扇未啟動(dòng)；第二種溫度達(dá)到啟動(dòng)溫度，風(fēng)扇正常工作；第三種風(fēng)扇出故障時(shí)，有可能出現(xiàn)溫度低于到啟動(dòng)溫度，風(fēng)扇也啟動(dòng)或達(dá)到啟動(dòng)溫度時(shí)，某一個(gè)或多個(gè)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不正常。背光驅(qū)動(dòng)板也有三種狀態(tài)，分別為：第一種BL_ON信號(hào)是低電平時(shí)，背光恒流板沒有輸出，處于待機(jī)狀態(tài)；第二種BL_ON信號(hào)是高電平時(shí)，恒流板端有電流輸出，取樣電阻有電壓，處于正常工作狀態(tài)；第三種處于故障狀態(tài)，恒流板輸出的電流不受控，有可能BL_ON為高電平時(shí)，恒流板沒有輸出，或BL_ON為低電平時(shí)，恒流板還有輸出。

表1：智能監(jiān)測(cè)的通信協(xié)議內(nèi)容

3.2 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

設(shè)備模塊監(jiān)測(cè)采用模塊化的子程序設(shè)計(jì)，所包含的程序有：電源模塊狀態(tài)監(jiān)測(cè)子程序、圖像驅(qū)動(dòng)板工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)子程序、背光驅(qū)動(dòng)板工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)子程序、溫度與風(fēng)扇工作狀態(tài)檢測(cè)子程序。每個(gè)設(shè)備子程序均需測(cè)量信號(hào)并獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)判斷模塊工作狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)某個(gè)模塊有故障時(shí)，則將故障信息返回給主程序；無(wú)故障時(shí)，則將正常信息返回給主程序。

3.2.1 電源模塊狀態(tài)監(jiān)測(cè)子程序

電源模塊狀態(tài)檢測(cè)子程序在工作時(shí)，按以下步驟完成。首先通過I/O口讀取POWER_ON信號(hào)及采用ADC測(cè)量電源輸出。此程序僅使用ADC中的三個(gè)通道，每個(gè)通道分別測(cè)量DC5V、DC12V、DC24V電壓。在使用ADC測(cè)量電壓過程中，是通過電阻降壓進(jìn)行測(cè)量，故需乘以降壓系數(shù)來(lái)?yè)Q算正常電壓。換算出的電壓，由于在電源輸出及負(fù)載工作過程中，都存在一定的誤差，故換算得出的結(jié)果允許有±1V。例如：測(cè)量DC24V，只要測(cè)量換算出的電壓是23V～25V都算DC24V正常輸出。其次判斷POWER_ON是否為高電平狀態(tài)。如果是高電平狀態(tài)，同時(shí)3個(gè)電壓(DC5V/DC12V/DC24V)正常輸出，電源才能正常工作，子程序?qū)㈦娫礌顟B(tài)標(biāo)識(shí)POWER_FLAG=1返回主函數(shù)。如果低電平狀態(tài)，3個(gè)電壓不輸出，電源為待機(jī)狀態(tài)，子程序?qū)㈦娫礌顟B(tài)標(biāo)識(shí)POWER_FLAG=0返回主程序。如果是高電平狀態(tài)，但3個(gè)電壓(DC5V/DC12V/DC24V)不能正常輸出，電源為故障狀態(tài)，子程序?qū)㈦娫礌顟B(tài)標(biāo)識(shí)POWER_FLAG=2返回主程序。

3.2.2 圖像驅(qū)動(dòng)板工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)子程序

圖像驅(qū)動(dòng)板工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)子程序在工作時(shí)，按照以下步驟完成，首先通過I/O口分別讀取POWER_ON信號(hào)、BL_ON信號(hào)和通過比較器輸出雙色LED指示燈信號(hào)。其次判斷POWER_ON信號(hào)是否為高電平，如果POWER_ON是高電平狀態(tài)，同時(shí)BL_ON信號(hào)和比較器輸出的雙色LED燈中的綠色LED也為高電平，圖像驅(qū)動(dòng)板正常工作，程序?qū)D像狀態(tài)標(biāo)識(shí)AD_FLAG=1返回主程序。如果POWER_ON是低電平狀態(tài)，同時(shí)BL_ON信號(hào)和比較器輸出的雙色LED燈中的綠色LED也為低電平，紅色燈為高電平，圖像驅(qū)動(dòng)板待機(jī)狀態(tài)，子程序?qū)D像狀態(tài)標(biāo)識(shí)AD_FLAG=0返回主程序。如果以上兩種狀態(tài)不滿足，則說明圖像驅(qū)動(dòng)板故障，返回AD_FLAG=2給主函數(shù)。

3.2.3 恒流板工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)子程序

恒流板工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)子程序相對(duì)簡(jiǎn)單，通過I/O口讀取BL_ON信號(hào)、采用ADC測(cè)量恒流板輸出的電流。在使用ADC測(cè)量電流過程中，是通過電阻取樣并運(yùn)算器放大，故需除以放大的倍數(shù)和采樣電阻后換算出恒流板輸出的電流。公式如下：Iout=(Vi/n)/Ri。Vi表示ADC測(cè)量出來(lái)的電壓，n是運(yùn)算放大器放大的倍數(shù)，Ri是采樣電阻0.2歐姆，Iout是恒流板輸出的電流。其次判斷BL_ON信號(hào)是否為高電平，如是高電平狀態(tài)，同時(shí)電流大于10mA小于800mA（根據(jù)該恒流板實(shí)際負(fù)載核算）在正常范圍內(nèi)，說明該恒流板正常工作，子程序?qū)⒑懔靼鍫顟B(tài)標(biāo)識(shí)LED_Drive_FLAG=1返回主函數(shù)；如果沒有電流輸出或者電流超過800mA，說明恒流板出故障，將恒流板狀態(tài)標(biāo)識(shí)LED_Drive_FLAG=2返回主函數(shù)。如果低電平狀態(tài)且恒流板不輸出，電源為待機(jī)狀態(tài)，則把LED_Drive_FLAG=0返回主函數(shù)。

3.2.4 溫度與風(fēng)扇工作狀態(tài)檢測(cè)子程序

該子程序與以上幾個(gè)子程序工作模式相似，由于篇幅有限，不詳盡描述。

3.3 智能監(jiān)測(cè)的通信協(xié)議

智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的下位機(jī)需要把每個(gè)模塊通信狀態(tài)信息通過RS232發(fā)送給上位機(jī)。每個(gè)模塊狀態(tài)信息用通信協(xié)議來(lái)表示，協(xié)議內(nèi)容如表1所示。在每個(gè)模塊狀態(tài)信息數(shù)據(jù)中，除溫度傳感器模塊，其他模塊工作狀態(tài)都采用數(shù)字“0”表示待機(jī)狀態(tài)，數(shù)字“1”表示正常狀態(tài)，數(shù)字“2”表示故障狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)試驗(yàn)，智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的采集內(nèi)部戶外LCD電子站牌中設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，及時(shí)準(zhǔn)確的將故障信息反饋后臺(tái)，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，保障了智能公交站臺(tái)的正常運(yùn)行。該智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為智能公交站臺(tái)重要組成部分，已應(yīng)用在某個(gè)城市的智能公交站臺(tái)上。