长距离电子巡更系统设计分析

　　20世纪90年代初在美国产生了电子巡更产品，随之传人中国，它采用碰触式钮扣，自动记录时间和卡号，属于接触式电子巡更产品。20世纪90年代末期，随着无线射频识别技术（RFID）的成熟，非接触、感应巡更产品产生，并逐渐占领市场。自2001年至今，电子巡更系统由巡检器、信息钮和微机管理系统3部分组成，在此模式下其产品不断完善。该项技术广泛地被应用在煤矿、教育、*、粮库、铁路、电信、工厂、*和住宅小区，从而形成了一门全新的技术。
　　
　　1基于RFID技术的电子巡更系统
　　
　　电子巡更系统发展仅10多年，已形成了一种固定模式，即离线式、非接触巡更系统，并成为市场主流产品。设计者受技术的限制，舍去了在线式非接触巡更系统具有的实时监控的优点，虽然淘汰了碰触式钮扣读取信息方式，代之以无线射频识别技术（RFID）的非接触感应读取信息方式，但zui大可识别距离仅在13cm以内，给巡检人员的正常工作带来很大的不便。本文基于RFID技术设计的巡更系统，并使用nRF2401无线收发芯片建立了该系统，能较好地兼有两者的优点。该系统的工作频率为2．4GHz，识别距离可达5—20in。
　　　　
　　2系统构成
　　
　　系统由巡检探头、巡检卡、巡检控制器和计算机系统管理系统4大部分组成。
　　
　　（1）巡检探头。巡视点由巡检探头组成，巡检探头可接收巡检卡发来的数据代码，同时传送到下一个巡检探头，每2个探头之间由无线通信组成通信网络，信息数据zui终送至巡视控制器。巡检探头实际上是一个独立的无线接点，2个探头之间的通信距离受无线发射距离的限制。为保证通信数据的可靠性，实际要小于zui大发射距离。各巡检探头之间采用点到点的通信方式，由软件编写通信协议，实现接力传送。巡检探头是有源器件，需电源供电，采用稳压电源则需用220V电源，也可采用干电池或充电电池供电，安装较为方便。
　　
　　（2）巡检卡。巡检卡是由巡视人员随身携带的一种有源卡，也可做成钥匙链形式挂于腰间。内嵌3V钮扣电池，由于是有源发射，作用距离大大增强，通常可设在5—10In距离范围内，无方向性要求。携带在身上或放在包内无需取出便可识别。
　　
　　（3）巡检控制器。巡检控制器通过主从式无线通信方式接收各巡检探头发送来的数据，这是由巡检人员代码，巡检探头代码和当时的时间3部分组成，并将数据保存在闪存（FLASHMEMORY）内，与微机通过RS232接口进行通信。巡检控制器与巡检探头和巡检卡三者自成系统，平时无需与微机连机或通信，仅在需要通信和实时监控时由软件进行操作。
　　　　
　　（4）微机管理系统。具有将保存在巡检控制器闪存（FLASHMEMORY）内的数据通过RS232接口进行数据传输，并以数据库的形式保存在文件系统中。可根据巡更的班次和时间间隔，对每条记录逐项比较以确认是否有效。将每条记录的结果进行多种方法的查询，统计并做出供管理者使用的各种报表，也可根据需要实时监控各巡检探头情况。
　　
　　3芯片配置与ShockBurstM收发模式
　　
　　在进行无线通信前，无论芯片是进行发射还是接收，上电后需首*行配置，l4J4位的配置字规定了接收地址、收发频率、发射功率、无线传输速率、无线收发模式、CRC较验长度及有效数据长度。当nRF2401设置在ShockBurst。M收发模式工作时，具有可以用低速的MCU传送数据，暂存在片内的先入先出堆栈（FIFO）中；然后以高速（1Mbps）速率向空中发射的特点。使用ShockBurst技术具有3大好处：降低了系统的平均工作电流（仅在发射时，短时间电流较大）；短时间高速发射，数据在空中停留时间短，抗干扰性高；低的系统费用（低速微处理器也能进行高速射频发射。
　　　　
　　4无线网络结构
　　
　　各巡检探头通过无线电波相互之间组成了无线通信网络。本系统采用无线网形网络，即点一点一点的通信方式。由于各个接点都有微处理器，无需无线路由器便可实现一点与另一点问的无线互连，每个无线接点不仅可以收发数据，而且还可以转发数据到相邻的无线接点，多个无线接点相互的连接，可使传输距离更远。当无线网络中一个接点出现故障时，相临的接点会自动取代出现故障的接点，使网络通信保持正常。
　　　　
　　5硬件组成
　　
　　MCU与NRF2401DE1的连接见图7。单片机采用AT89CL51，无线收发芯片选用nRF2401芯片，这2种芯片均工作在+3V的低电压。单片机软件用KEILC51或汇编语言编写，可先设置ShockBurstTM收发模式，然后进行数据的收发。理论上可传送100nl，在实验中可达20—50nl，这取决于电路所用器件的高频性能、元件的排列以及电路板的接地。
　　　　
　　6巡检过程
　　
　　如图1，当巡检人员携卡在规定的巡视路线到达。点时，巡检探头收到巡检卡发来的标识代码，传送给下一探头进行接力传送，同时发送一信号给巡检卡，使该卡的收发电路处于休眠状态（节省电源）。当巡检人员到达b点时，巡检探头口可能收不到信号，（巡检卡仍处于休眠状态），也可能收到信号，经判断后也不做任何工作，（以第1次收到的数据为准）。当巡检人员到达c点时，巡检探头0和b均可能收到信号，但巡检探头应判断b探头起作用，巡检探头。仍以*次收到的数据为准，每个巡检探头收到和传送的数据zui终传送到巡检控制器中保存在闪存中。
　　
　　7巡检探头软件流程
　　　　
　　8通信协议
　　
　　无线通信不同于有线通信，无线通信出错的概率要高于有线通信系统。无线通信使用共同的传播媒介，这就决定了无线通信必须要设计大量的无线通信协议来解决在同一传播媒介中可靠收发数据，防止数据包在空中发生碰撞。使用nRF2401无线收发芯片，只需设计点到点、点到多点、多节点处理通信协议。
　　
　　（1）巡检卡与巡检探头之间采用点对点的通信方式，巡检探头与巡检控制器也采用点对点的通信方式，各巡检探头之间采用一点对多点的通信方式。
　　
　　（2）PC与巡检控制器之间由RS232串行通信方式进行数据交换。
　　
　　（3）nRF2401无线收发芯片在ShockBurstⅢ收发模式工作时，自动处理字头和CRC校验码，以保证收发数据的准确性。在接收数据时，自动移去字头和CRC校验码。发送数据时，自动加上字头和CRC校验码。发送完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发送完毕。
　　
　　9结束语
　　
　　对本系统首*行了硬件验证实验，然后又进行了软件设计实验。达到了预想的结果。
　　
　　采用VB6．0进行串口通信编程，数据库管理系统采用Delphi5．0来设计可视化的图形界面、数据库访问和实时监控界面。在数据库中需要对巡更人员的基本资料表、执勤安排表和工作记录表进行设计。该系统是基于RFID技术，利用无线信道进行数据传输的，目前广泛使用的手机技术也是利用无线信道进行数据传输，其使用方便，灵活是*的。无线通信信道是所有通信介质中zui差的一种，传输特性不象采用RS485、CAN总线那样成熟，在条件不是要求特别严格的场所采用无线通信信道无疑具有很强的竞争力。安装方便，其易于扩充，是较为理想的通信方案。
　　
　　工作在2．4GHz的无线通信，对设计者在硬件和软件的设计上提出了较高的要求。在高频环境下，设计经验变得非常重要。无线通信信道在目前试用的巡更系统中，利用率是很低的，大部分都是处于闲置状态，而巡检系统多元化发展是必然趋势，无线语音，摄像，图像处理功能等将应用到巡检系统中去。巡检探头必将发展成为一种“智能”探头，加上计算机网络功能，形成新一代的电子巡更巡检系统。