隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電梯在生活中已經(jīng)有了很廣泛的使用[1-2]。當(dāng)人們?cè)谑褂秒娞莸臅r(shí)候，難免遇到電梯故障，這時(shí)就需要呼叫系統(tǒng)來(lái)求救。常用的電梯呼叫系統(tǒng)是有線電話呼叫系統(tǒng)，但是由于其布線復(fù)雜和維修不便等問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中受到很大的限制[3-5]。

    本文設(shè)計(jì)了一種低功耗電梯呼叫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，其采用MSP430為控制核心，nRF24L01為無(wú)線收發(fā)模塊核心芯片，并配以相應(yīng)的輸入模塊和報(bào)警顯示模塊。該系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性、低功耗和高抗干擾性等優(yōu)點(diǎn)。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
    本系統(tǒng)由若干個(gè)發(fā)送端和一個(gè)接收端組成，發(fā)送端和接收端都是由超低功耗MSP430單片機(jī)為主控模塊，控制Nordic公司的無(wú)線收發(fā)芯片nRF24L01實(shí)現(xiàn)無(wú)線收發(fā)功能，在發(fā)送端配以按鈕作為信號(hào)輸入模塊，在接收端配以報(bào)警顯示模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的直觀顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    圖1中，每一部電梯中都安裝一個(gè)發(fā)送模塊，其中，電梯內(nèi)部安裝一個(gè)按鈕作為信號(hào)的輸入。無(wú)線接收模塊安裝在值班室，并配以報(bào)警顯示模塊以便信號(hào)的直觀顯示，供值班人員及時(shí)處理，配以復(fù)位電路對(duì)報(bào)警顯示模塊進(jìn)行復(fù)位。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一個(gè)“多對(duì)一”系統(tǒng)，即由若干個(gè)系統(tǒng)發(fā)送端和一個(gè)系統(tǒng)接收端組成。每一部電梯內(nèi)安裝一個(gè)發(fā)送端，而接收端只需要在值班室安裝一個(gè)。系統(tǒng)硬件由供電電路、輸入模塊、MSP430主控模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、報(bào)警顯示模塊和復(fù)位模塊這幾個(gè)部分組成。其中輸入模塊是由安裝在電梯內(nèi)部的按鈕構(gòu)成，復(fù)位模塊的功能由對(duì)應(yīng)的按鈕完成。本文重點(diǎn)介紹如下幾個(gè)部分。
2.1 供電電路
    MSP430單片機(jī)是一款超低功耗單片機(jī)，其工作電壓范圍為1.8 V~3.6 V，nRF24L01的供電電壓為1.9 V~3.6 V，故本系統(tǒng)中采用兩節(jié)5號(hào)干電池提供3.4 V電壓并配以穩(wěn)壓芯片LM1117即可正常工作。供電電路如圖2所示。

2.2 MSP430主控模塊
    系統(tǒng)主控模塊主要是由MSP430F149低功耗單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這款單片機(jī)擁有豐富的外圍功能模塊：包括采樣/保持功能ADC內(nèi)核的12位A/D轉(zhuǎn)換器ADC12、轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)邏輯、內(nèi)部參考電平發(fā)生器、多種時(shí)鐘源、采樣及轉(zhuǎn)換時(shí)序電路。有8個(gè)外通道，4個(gè)內(nèi)通道,高達(dá)200 kb/s的采樣速率，多種采樣方式。兩路USART通信串口，可用于UART和SPI模式；片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個(gè)16位定時(shí)器，6個(gè)并行口P1～P6，48條I/O口線，其具有64 KB的閃存，用于存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)。
2.3無(wú)線收發(fā)模塊
    本設(shè)計(jì)中無(wú)線收發(fā)功能主要依靠nRF24L01來(lái)實(shí)現(xiàn)，nRF24L01是一款2.4 GHz的無(wú)線單片收發(fā)芯片。主要特性：GFSK調(diào)制；硬件集成OSI鏈路層；具有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)再發(fā)射功能;片內(nèi)自動(dòng)生成報(bào)頭和CRC校驗(yàn)碼;數(shù)據(jù)傳輸率為1 Mb/s或2 Mb/s;SPI速率為0 Mb/s～10 Mb/s；125個(gè)頻道；與其他nRF24系列射頻器件相兼容；QFN20引腳4 mm×4 mm封裝；供電電壓為1.9 V～3.6 V。
    無(wú)線傳輸單元的電路設(shè)計(jì)主要是MSP430單片機(jī)與nRF24L01模塊的連接電路。本設(shè)計(jì)中，IRQ中斷與P2.6腳相連，CE使能與P2.7腳相連，CSN片選與P2.4腳相連，SOMI與P3.2相連，SIMO與P3.1腳相連，UCLK與P3.3腳相連。連接電路如圖3所示。

2.4報(bào)警顯示模塊
    在本系統(tǒng)中,電梯內(nèi)系統(tǒng)發(fā)送端發(fā)出的求救信號(hào)由值班室系統(tǒng)接收端接收后，需要將信號(hào)顯示，以便值班人員及時(shí)處理。在此處，設(shè)計(jì)一個(gè)蜂鳴器和LED指示燈，當(dāng)系統(tǒng)接收端接收到相應(yīng)的信號(hào)時(shí)，控制蜂鳴器發(fā)出蜂鳴，LED指示燈閃爍。為了更直觀地顯示接收到的信號(hào)，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了將接收端接收到的信號(hào)傳給屏幕進(jìn)行顯示。
    由于串行輸入輸出口是TTL電平信號(hào)，TTL電平在0～5 V之間，其邏輯1的電平在2 V以上，邏輯0的電平在0.8 V以下。而只有RS-232電平才能與PC機(jī)連接。RS232為全雙工通信，通信距離為15 m。RS-232電平:邏輯1的電平在-3 V～-25 V之間，通常為-12 V；邏輯0的電壓在+3 V～+23 V之間，通常為+12 V。所以要用到MAX3232轉(zhuǎn)換電平。轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端的主控模塊均采用MSP430單片機(jī)，為了使單片機(jī)正常工作，需要先對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，停止看門狗，設(shè)置時(shí)鐘頻率，電源上電復(fù)位。單片機(jī)MSP430與PC通過(guò)串口連接,要根據(jù)UART協(xié)議來(lái)編程。對(duì)串口的初始化：首先USART1控制寄存器UCTL中SWRST和CHAR位置位,即USART的狀態(tài)機(jī)構(gòu)和運(yùn)行標(biāo)志初始化成復(fù)位狀態(tài)，選擇字符以8位發(fā)送。
    主控單片機(jī)控制nRF24L01是通過(guò)配置其寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些配置寄存器可通過(guò)SPI口訪問(wèn)。nRF24L01的配置寄存器共有25個(gè)，其常用的寄存器如表1所示。

　當(dāng)按鈕按下時(shí)，啟動(dòng)配置PTX，數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)設(shè)格式編碼后，開(kāi)啟發(fā)送。編碼后的一幀數(shù)據(jù)共占9 B，幀格式如圖6所示。

    其中，幀頭采用0x14、0x6F，占用2 B，標(biāo)志著一幀數(shù)據(jù)的開(kāi)始，也即接收端識(shí)別到0x14、0x6F時(shí)，將識(shí)別接收的數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)，這樣可以一定程度地去除亂碼的干擾。
   設(shè)備號(hào)，占1 B，用來(lái)區(qū)分對(duì)傳感器的哪個(gè)電橋進(jìn)行操作。
    電梯號(hào)，占1 B，用來(lái)存放發(fā)送端的號(hào)碼，以供接收端識(shí)別接收的數(shù)據(jù)具體是哪個(gè)號(hào)碼的發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)，這樣能識(shí)別發(fā)出呼叫求救信息的具體是哪部電梯。
   樓層號(hào)，占1 B，用來(lái)存放按鈕按下輸入信號(hào)時(shí)發(fā)送端所處的樓層，也即發(fā)出呼叫求救信息的電梯所處的樓層，這樣接收端能夠準(zhǔn)確地定位發(fā)送端的具體位置。
    校驗(yàn)值字，占用兩個(gè)字節(jié)，為了提高無(wú)線通信的準(zhǔn)確度和抗干擾性。
    幀尾，占用2 B，標(biāo)志一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束，固定為0xeb,0x90。
    發(fā)送端將nRF24L01配置為增強(qiáng)型的ShockBurstTM發(fā)送模式，在該模式下，只要MCU有數(shù)據(jù)要發(fā)送，nRF24L01就會(huì)啟動(dòng)ShockBurstTM模式來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)。在發(fā)送完數(shù)據(jù)后nRF24L01轉(zhuǎn)到接收模式并等待終端的應(yīng)答信號(hào)。如果沒(méi)有收到應(yīng)答信號(hào)，nRF24L01將重發(fā)相同的數(shù)據(jù)包，直到收到應(yīng)答信號(hào)或重發(fā)次數(shù)超過(guò)SETUP_RETR_ ARC寄存器中設(shè)置的值為止，如果重發(fā)次數(shù)超過(guò)了設(shè)定值，則產(chǎn)生MAX_RT中斷。
3.2 系統(tǒng)接收端
    系統(tǒng)接收端安裝在值班室，本系統(tǒng)只需要一個(gè)系統(tǒng)接收端。接收端的MSP430主控模塊通過(guò)配置無(wú)線收發(fā)芯片nRF24L01的寄存器，使其總是處于接收模式，以便隨時(shí)接收發(fā)送端發(fā)送的信息。接收端在接收到發(fā)送端有效的信息后，主控單片機(jī)對(duì)信息進(jìn)行解碼，并將解碼后的信息顯示在屏幕上，同時(shí)控制蜂鳴器發(fā)出蜂鳴和LED燈閃爍，以便提醒值班人員有呼叫信息傳入。其具體流程如下。
    (1)nRF24L01的ShockBurstTM接收模式是通過(guò)設(shè)置寄存器中PRIM_RX位為高來(lái)選擇的。EN_RXADDR寄存器必須被使能，所有工作在增強(qiáng)型ShockBurstTM模式下的數(shù)據(jù)通道的自動(dòng)應(yīng)答功能是由EN_AA寄存器來(lái)使能的，有效數(shù)據(jù)寬度是由RX_PW_Px寄存器來(lái)設(shè)置的。
    (2)接收模式由設(shè)置CE為高來(lái)啟動(dòng)。
    (3)130 μs后nRF24L01開(kāi)始檢測(cè)空中信息。
    (4)接收到有效的數(shù)據(jù)包后(地址匹配、CRC檢驗(yàn)正確)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RX_FIFO中，同時(shí)RX_DR位置高，并產(chǎn)生中斷。狀態(tài)寄存器中RX_P_NO位顯示數(shù)據(jù)是由哪個(gè)通道接收到的。
   (5)如果使能自動(dòng)確認(rèn)信號(hào)，則發(fā)送確認(rèn)信號(hào)。
　(6)MCU設(shè)置CE腳為低，進(jìn)入待機(jī)模式I（低功耗模式）。
   (7)MCU將數(shù)據(jù)以合適的速率通過(guò)SPI口將數(shù)據(jù)讀出。
    接收端工作流程圖如圖7所示。接收端還加入了3個(gè)復(fù)位開(kāi)關(guān)，以便值班人員在識(shí)別到報(bào)警信息后，按下開(kāi)關(guān)，輸入信號(hào)，使MSP430單片機(jī)控制對(duì)LED燈、蜂鳴器和屏幕的復(fù)位。

    本文采用MSP430F149低功耗單片機(jī)為主控芯片，nRF24L01實(shí)現(xiàn)無(wú)線收發(fā)功能，并搭配報(bào)警顯示電路設(shè)計(jì)了多對(duì)一的低功耗電梯呼叫系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，本系統(tǒng)性能穩(wěn)定，抗干擾性好。在電梯呼叫端個(gè)數(shù)控制在一定范圍內(nèi)時(shí)，誤碼率為零，能夠有效地滿足實(shí)際應(yīng)用要求。
參考文獻(xiàn)
[1] 楊光祥,曹曉莉.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的樓層呼叫與層門自鎖系統(tǒng)研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2012,31(2):54-56.
[2] 葉萍. 組態(tài)監(jiān)控PLC控制的電梯系統(tǒng)[J]. 自動(dòng)化應(yīng)用,2011(10):29-31.
[3] 果爭(zhēng), 許麗艷, 馮一航, 程亞冰.無(wú)線病房呼叫系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].青島大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版),2012,27(2):32-35.
[4] 郝妍娜,洪志良.基于MCU和nRF905的低功耗遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2007，33(8):44-47.
[5] 余芬,林基明,關(guān)煒. 基于完全互補(bǔ)碼的DS-UWB無(wú)線通信系統(tǒng)性能[J].火力與指揮控制,2009,34(2):13-16.