張京玲1，王天雷1，王柱2

　?。?.五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020； 2.五邑大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，廣東 江門529020）

       摘要：依據(jù)監(jiān)舍門控制器、樓層控制室和遠(yuǎn)程總控制中心3個(gè)層面的主要功能，設(shè)計(jì)了一種由PC和多個(gè)單片機(jī)組成的監(jiān)舍門控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PC作為上位機(jī)，多臺STC12C5A32S2單片機(jī)作為監(jiān)舍門控制系統(tǒng)下位機(jī)。分析了中央計(jì)算機(jī)總控制終端、樓層控制端與門禁控制器之間的多機(jī)通信與控制，完成了硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件的設(shè)計(jì)，并對安裝調(diào)試中的幾個(gè)問題進(jìn)行了討論。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

　　關(guān)鍵詞：RS485總線；單片機(jī)；控制系統(tǒng)；多機(jī)通信；監(jiān)舍門

0引言

　　監(jiān)獄是一個(gè)安全性要求極高的特殊場所，其監(jiān)舍門的控制與管理是保證監(jiān)獄安全運(yùn)行極為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。早期的門禁系統(tǒng)大都是基于機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用簡單的控制電路實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)和功能單一，效率嚴(yán)重不足。隨著科技的不斷發(fā)展，現(xiàn)代監(jiān)舍門禁系統(tǒng)迫切需要具有較高靈活性、實(shí)時(shí)性和可靠性的智能控制門禁系統(tǒng)。

　　本文研究的多機(jī)監(jiān)舍門智能控制系統(tǒng)主要由中央計(jì)算機(jī)總控制終端、樓層控制端、單門門禁控制器、485232通信轉(zhuǎn)換器、讀感器、電鎖和門禁管理軟件等組成。門禁系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)終端所在的中央控制室通過TCP/IP協(xié)議與各個(gè)樓層控制端相連，實(shí)時(shí)對監(jiān)獄的各樓層的每個(gè)監(jiān)獄門進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時(shí)，各樓層控制器通過485總線與各監(jiān)舍門通信，能迅速可靠地實(shí)現(xiàn)對于各個(gè)門的控制，實(shí)現(xiàn)了門禁系統(tǒng)智能化、遠(yuǎn)程化和無人化。

1門禁系統(tǒng)的主要功能研究

　　為滿足用戶的要求，智能監(jiān)舍門管理系統(tǒng)應(yīng)具有權(quán)限確認(rèn)、群開群閉、自動布防、事件記錄、異常報(bào)警、日程表管理以及電動/手動功能。遠(yuǎn)程總控制中心和樓層控制室可根據(jù)用戶需要，定時(shí)劃分操作權(quán)限或同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制的權(quán)利，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程或現(xiàn)場控制、計(jì)算機(jī)控制以及機(jī)械控制；可實(shí)時(shí)/定時(shí)操作。系統(tǒng)功能由門控制器、樓層控制室和遠(yuǎn)程總控制中心分別完成。

　　1.1監(jiān)舍門控制器功能

　　監(jiān)舍門控制器功能主要有：(1）變速運(yùn)行。監(jiān)舍門的運(yùn)行速度可進(jìn)行調(diào)整，如低速啟動、恒速運(yùn)行、低速關(guān)門，確保安全穩(wěn)定的狀態(tài)下正常工作。(2）堵轉(zhuǎn)可調(diào)。監(jiān)舍門控器具有防夾的功能，支持短時(shí)間連續(xù)5次堵轉(zhuǎn)，超過5次則報(bào)警。(3）狀態(tài)反饋?？刂破髂芗皶r(shí)將各監(jiān)舍門的5種狀態(tài)（已開啟、開啟中、已關(guān)閉、關(guān)閉中、故障）反饋給樓層控制室以及中心控制室。(4）監(jiān)舍門白天可將定點(diǎn)、定時(shí)自動控制改為電動控制，晚上可以定點(diǎn)、定時(shí)控制轉(zhuǎn)換為機(jī)械鎖控制。此外還有異常報(bào)警、斷電記錄以及監(jiān)舍門鎖機(jī)械電聯(lián)合控制等功能。

　　1.2樓層控制室功能

　　樓層控制室主要功能為：(1）狀態(tài)顯示。樓層監(jiān)控室能夠?qū)崿F(xiàn)對于樓層所有門的5種狀態(tài)進(jìn)行檢測，其中出現(xiàn)故障界面會有特殊顯示。(2）采用TCP/IP和485總線方式遠(yuǎn)程通信，將多個(gè)監(jiān)舍控制器連接成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)。(3）日程表管理。系統(tǒng)可支持任意多的時(shí)間組，實(shí)現(xiàn)某一個(gè)時(shí)間自動開門或關(guān)門，每天可以設(shè)定多達(dá)32個(gè)時(shí)間段開關(guān)。（4）群開群關(guān)。系統(tǒng)支持一鍵全開、全關(guān)功能，也可根據(jù)不同需要，對任意監(jiān)舍門進(jìn)行個(gè)別分組控制或錯(cuò)開各門啟動時(shí)間。（5）事件記錄。本系統(tǒng)在樓層控制室端監(jiān)控本樓層監(jiān)舍門的開啟和關(guān)閉；同時(shí)記錄運(yùn)行信息并同步上傳到中央控制室備份。（6）自動布防。可預(yù)先對各個(gè)監(jiān)舍門進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)發(fā)生緊急事件的時(shí)候，能迅速一鍵同時(shí)開啟/關(guān)閉對應(yīng)的監(jiān)舍門。此外還具有管理權(quán)限申請、異常報(bào)警、遠(yuǎn)程解除警報(bào)等功能。

　　1.3遠(yuǎn)程總控制中心功能

　　遠(yuǎn)程總控制中心能夠?qū)崿F(xiàn)對于所有樓層的所有門的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和顯示，中央總控制室與各樓層監(jiān)控室之間設(shè)有專有線路，采用TCP/IP協(xié)議相連。主機(jī)帶有在線式不間斷電源，確保整個(gè)系統(tǒng)24小時(shí)正常工作。此外還具有日程表管理、群開群關(guān)、管理權(quán)限授予、事件記錄、異常報(bào)警等功能，當(dāng)發(fā)生緊急事件的時(shí)候，能夠迅速地一鍵同時(shí)開啟/關(guān)閉對應(yīng)的監(jiān)舍門實(shí)現(xiàn)自動布防以及遠(yuǎn)程解除警報(bào)。

2硬件研究與設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的硬件主要由單片機(jī)STCI2CSA32S2和RS485總線構(gòu)成。單片機(jī)根據(jù)傳感器檢測門的位置信息，驅(qū)動電機(jī)控制門開關(guān)及速度和門鎖的開關(guān)。RS485總線簡單節(jié)約成本，采用差分傳輸方式，提高了抗干擾能力和傳輸距離，可進(jìn)行雙向通信，滿足門禁系統(tǒng)的控制和檢測要求。單片機(jī)通過RS485總線接收上位機(jī)的開關(guān)命令，并把當(dāng)前門的狀態(tài)發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行顯示。硬件框圖如圖2所示。

　　2.1單片機(jī)電路

　　本系統(tǒng)控制器采用高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的STC12C5A32S2單片機(jī)，工作電壓為直流5 V。該單片機(jī)內(nèi)含有EEPROM功能，2路PWM，8路高速10位ADC，同時(shí)還有內(nèi)部集成MAX810的專用復(fù)位電路以及針對電機(jī)控制和強(qiáng)干擾場合的專門設(shè)計(jì)。利用EEPROM功能可保存該門的ID號，保證在掉電后再上電可還原門ID號。利用PWM來驅(qū)動電機(jī)速度，ADC檢測設(shè)定的門速。單片機(jī)電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

　　STCI2CSA32S2單片機(jī)工作于1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期，且有增強(qiáng)型8051內(nèi)核，故其速度比普通8051快8~12倍。該單片機(jī)有8通道10位高速ADC，速度可達(dá)25萬次/秒［1］。此外，由于該單片機(jī)價(jià)格比較便宜，故采用此單片機(jī)作為核心控制芯片，大大降低了成本。

　　2.2RS485通信電路

　　系統(tǒng)采用RS485構(gòu)成總線型通信網(wǎng)絡(luò)。RS485總線不僅允許一對多的數(shù)據(jù)傳輸，而且由于采用差分傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，因此很適合門禁系統(tǒng)的通信控制。本系統(tǒng)中采用兩套RS485通信，使發(fā)送和接收在各自獨(dú)立的物理通道上，保證系統(tǒng)發(fā)送和接收可以同時(shí)進(jìn)行互不干擾。并且由主機(jī)分時(shí)按一定的順序依次給從機(jī)發(fā)送命令，從機(jī)只能回復(fù)命令不能主動發(fā)送數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，為了減少線路上傳輸信號的反射，保證信號傳輸無毛刺，需要在RS485網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端和末端各接一個(gè)120 Ω的匹配電阻［23］。RS485通信電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

　　2.3驅(qū)動電機(jī)電路

　　電機(jī)采用60 W無刷直流電機(jī)，具有低電壓特性好、轉(zhuǎn)矩過載特性強(qiáng)、易調(diào)速、靜音等優(yōu)點(diǎn)。采用專用的驅(qū)動器，單片機(jī)控制驅(qū)動器時(shí)，為了提高抗干擾能力，進(jìn)行了光耦隔離控制。驅(qū)動電機(jī)電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

3軟件部分

　　3.1軟件總設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)系統(tǒng)初始化完成后，按順序查詢所有門的狀態(tài)，逐步發(fā)送查詢門的ID號和查詢命令，如果在固定時(shí)間內(nèi)沒有收到回復(fù)，就認(rèn)為該門出現(xiàn)故障，顯示該門不正常。如果收到回復(fù)，就根據(jù)回復(fù)更新門的當(dāng)前狀態(tài)，是打開或是關(guān)閉，又或是正在打開和正在關(guān)閉4種正常狀態(tài)和回復(fù)的故障狀態(tài)。為了保證用戶的命令能夠及時(shí)執(zhí)行，每查詢完一個(gè)門狀態(tài)后，就響應(yīng)用戶的開門或關(guān)門命令。處理完命令后再接著進(jìn)行查詢命令。每查詢完所有門后，系統(tǒng)會自動進(jìn)行下一輪的查詢，保證及時(shí)更新門的當(dāng)前狀態(tài)。上位機(jī)（PC）主程序流程如圖6所示。

　　STC12C5A32S2單片機(jī)初始化后，先從單片機(jī)的EPPROM中取得ID號，然后讀取當(dāng)前門的位置。如果有上位機(jī)命令就進(jìn)行接收，并回復(fù)門當(dāng)前的狀態(tài)。為了縮短通信時(shí)間，單片機(jī)先回復(fù)命令再執(zhí)行命令。通過檢測門的狀態(tài)和門鎖的狀態(tài)，智能控制開門和關(guān)門的速度，完成上位機(jī)的命令。下位單片機(jī)主程序流程如圖7所示。

       3.2PC通信程序設(shè)計(jì)

　　PC軟件編程采用Visual C++系統(tǒng)，先進(jìn)行初始化。選擇串口1，設(shè)定波特率為9 600 b/s。設(shè)定數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)長度一共由4幀數(shù)據(jù)構(gòu)成。每一幀數(shù)據(jù)由1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)檢驗(yàn)位、1個(gè)停止位組成。初始化后進(jìn)行事件的輪詢，主要包括下位機(jī)消息回復(fù)事件、發(fā)送控制命令事件和定時(shí)器溢出事件。如果串口接收緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)，則說明有下位機(jī)回復(fù)消息發(fā)送進(jìn)來，此時(shí)進(jìn)行串口數(shù)據(jù)的讀取并進(jìn)行處理和顯示；如果有發(fā)送控制命令的操作則串口寫數(shù)據(jù)進(jìn)行控制命令的發(fā)送；如果定時(shí)器溢出則報(bào)告下位機(jī)出錯(cuò)。PC通信程序流程如圖8所示。

　　3.3單片機(jī)通信程序設(shè)計(jì)

　　STC12C5A32S2單片機(jī)的串口通信先設(shè)定串行口控制寄存器SCON中的控制位SM2為高電平，允許多機(jī)通信；再設(shè)定波特率9600 b/s和串口工作方式3［4］；最后設(shè)定數(shù)據(jù)格式與PC一樣。數(shù)據(jù)長度一共由4幀數(shù)據(jù)構(gòu)成。單片機(jī)串口通信流程圖如圖9所示。

　　3.4軟件運(yùn)行環(huán)境

　　為保證門禁系統(tǒng)控制軟件正常運(yùn)作，主機(jī)必須符合以下的要求：（1)CPU奔騰4以上，內(nèi)存1 GB及以上；（2）VGA彩顯和VGA顯示卡；（3）200 MB以上硬盤空間；（4）有線網(wǎng)卡；（5）支持外置調(diào)制解調(diào)器串口或一個(gè)直接的RS232串口；（6）Windows XP、Windows 7或者更高版本的操作系統(tǒng)。

4安裝調(diào)試中的幾個(gè)系統(tǒng)通信問題

　　安裝調(diào)試時(shí)，除了機(jī)械部分的故障外，對通信方面存在的幾個(gè)問題進(jìn)行了分析研究和改進(jìn)設(shè)計(jì)。

　?。?）總線沖突問題。本門禁系統(tǒng)采用兩套RS485通信，使發(fā)送和接收在各自獨(dú)立的物理通道上，并且保證系統(tǒng)發(fā)送和接收總線可以同時(shí)進(jìn)行互不干擾。對于單條收發(fā)線，采用時(shí)分復(fù)用的方式，避免多個(gè)門控系統(tǒng)單元通信沖突。

　?。?）信號傳輸干擾問題。系統(tǒng)工作時(shí)，在位于總線兩端的差分端口A與B之間跨接120 Ω匹配電阻，以減少反射信號、吸收噪聲。

　　（3）瞬態(tài)干擾問題。本門禁系統(tǒng)采用了快恢復(fù)穩(wěn)壓管 TV接入系統(tǒng)總線，從而抑制瞬態(tài)高壓，實(shí)現(xiàn)通信接口的保護(hù)。

　　（4）共模干擾問題。采用光耦隔離方法使得總控制中心和各門控制器之間通信所用到的系統(tǒng)電源地和通信模塊地的隔離，從而消除共模干擾。

5結(jié)論

　　本文討論了監(jiān)舍門控制器、樓層控制室和遠(yuǎn)程總控制中心三個(gè)層面的主要功能，實(shí)現(xiàn)了一種由PC和多個(gè)單片機(jī)組成的監(jiān)舍門控制系統(tǒng)的軟件及硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試。該系統(tǒng)以PC作為上位機(jī)，多臺STC12C5A32S2單片機(jī)作為監(jiān)舍門控制器下位機(jī)，通過TCP/IP協(xié)議與各個(gè)樓層控制端相連，實(shí)現(xiàn)了中央計(jì)算機(jī)總控制終端、樓層控制端與門禁控制器之間的多機(jī)通信與控制，可實(shí)時(shí)監(jiān)控各樓層以及每個(gè)監(jiān)舍獄門，并對安裝調(diào)試中的幾個(gè)問題進(jìn)行了分析與改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，有較好的應(yīng)用前景。

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