非接觸式無線巡更系統(tǒng)的設計

非接觸式無線巡更系統(tǒng)能夠在規(guī)定的值勤時間按照嚴格的巡更路線和巡更時間段，在有效時間段采集、保存巡邏人員讀巡更點的時間和巡更點信息；在非有效時間內(nèi)，有人讀巡更點時檢驗巡更點是否有效、是否在允許的時間段，巡更點有效且在允許的時間段則進行相應的標記，并保存該巡更事件的良好情況，否則標記為違紀行為提示信息。它可識別不同類別的標簽（巡更點），控制不同值勤人員的巡邏時間及允許的值勤范圍和路線等；可以完成巡邏人員登記操作，也可對不同值勤人員的巡邏時間及允許的值勤范圍、路線等進行設定，以有效地控制巡邏有效性。系統(tǒng)配有便捷的上位機管理軟件，可完成設定、查詢、統(tǒng)計和自動生成報表等功能，方便管理人員按部門或日期查詢統(tǒng)計出勤、出差、請假等各種記錄,真正實現(xiàn)考勤巡更情況的自動化管理。擁有硬件管理員權限的人員可對巡更機進行各種硬件設置，通過按鍵和液晶顯示器上的菜單選項設置巡更機。另外，作為一個獨立的手持系統(tǒng)，巡更機能完成采集、保存和查詢數(shù)據(jù)等操作，并且耗電少、配有可重復充電的大容量電池，可持續(xù)長時間正常工作。

系統(tǒng)硬件設計

1 系統(tǒng)總體結構

非接觸式無線巡更系統(tǒng)由PC、巡更機、RS232/ 485及UART轉USB接口設備、巡更點標簽等部分組成。PC安裝數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和值勤人員考勤管理軟件，通過RS232、RS485或USB接口與巡更機相聯(lián)接,對巡更機進行各種設置，從巡更機上采集考勤數(shù)據(jù)，對考勤數(shù)據(jù)進行處理，包括設置巡邏點信息、修改和讀取巡更機內(nèi)記錄、進行數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計和查詢，以及生成各種報表等。巡更機的主要功能是記錄值勤人員信息和采集巡更點巡邏時采集的數(shù)據(jù)，由單片機、 存儲器、實時時鐘、讀巡更點接口模塊、按鍵輸入、液晶顯示等模塊組成。巡更機結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結構圖

2 控制模塊

巡更機的處理器采用AT89S52單片機，它具有價格低廉、功耗低等特點，非常適合用在該系統(tǒng)中。AT89S52的P0口與三態(tài)地址鎖存器形成地址總線的低8位A0～A7，以及數(shù)據(jù)總線D0～D7；AT89S52的P2口作為地址總線的高8位,即A8～A15。P1口和P3口用作其他I/O信號端，包括串行數(shù)據(jù)端口及SPI接口。

3 射頻無線接口模塊

射頻無線模塊是單片機與無線標簽之間的通信接口，用于發(fā)送控制命令并讀取無線標簽上的信息。無線模塊芯片采用 IA4421，IA4421是全集成的低功耗、多頻道FSK收發(fā)器，在無須申請注冊的433M、868M、915M頻段的設計應用完全符合FCC和ETSI認證相關規(guī)定。IA4421能夠產(chǎn)生一個時鐘信號給微控制器使用,從而避免使用兩個晶振。在低功率應用中，IA4421內(nèi)部的喚醒定時器支持低功耗工作，其待機（Standby）電流僅為0.3μA。IA4421與微控制器的接口電路如圖2所示。

圖2 無線模塊與微控制器接口圖

4 串口轉USB模塊

該模塊用于實現(xiàn)巡更機與PC之間的數(shù)據(jù)通信。本系統(tǒng)中采用了一片 CH341T，提供串口轉USB接口，方便無串口的PC通過USB接口進行數(shù)據(jù)交換，支持單機運行和聯(lián)機使用。其中RXD、TXD作為數(shù)據(jù)的I/O通道連接單片機串口，完成單片機與PC之間數(shù)據(jù)讀取操作。

5 存儲器模塊

本系統(tǒng)采用SST25VF040 Flash存儲器,其存儲空間為4Mb，主要存儲巡更機采集到的標簽數(shù)據(jù)、操作人員、采集時間等信息。由于采用雙向高速SPI總線進行傳輸，只需三根數(shù)據(jù)線加片選線就可進行數(shù)據(jù)讀寫操作，提供數(shù)十兆的總線速率，同I2C總線相比只再加幾根片選線，就可掛接更多的SPI接口器件，既大大節(jié)省了地址數(shù)據(jù)I/O，又提高了系統(tǒng)的總線效率。

6 時鐘鐵電存儲緩沖模塊

該模塊為系統(tǒng)提供可靠的時間和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)域。FM3316鐵電存儲器提供內(nèi)置的實時時鐘(RTC)模塊，只要設置好當前時間，就可以有效使用其內(nèi)部的日歷和周歷。FM3316內(nèi)部具有16Kb的非易失性鐵電存儲單元，可用來保存通信接口的地址、讀卡時間、讀標簽數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)。FM3316提供可編程定時周期控制信號以刷新LCD顯示器的時間顯示，觸發(fā)引腳接單片機外部中斷引腳，在外部中斷服務程序中刷新LCD顯示器的時間顯示。FM3316提供雙向SPI總線進行傳輸接口，只需增加一條片選線就能掛載在已有的SPI雙向總線上。FM3316通過SPI總線與單片機之間進行的地址和數(shù)據(jù)進行傳輸，通過SPI總線單片機可輕松設定和修改系統(tǒng)時間，將人員信息和讀標簽數(shù)據(jù)先保存起來，避免對Flash的頻繁操作，提高系統(tǒng)壽命和可靠性。

7 無線電子標簽

無線電子標簽是集單片機、射頻無線模塊接口、存儲單元、天線、電源電路等模塊為一體的小型無線射頻系統(tǒng)，是巡更機系統(tǒng)的簡化，其核心是射頻無線模塊接口。

系統(tǒng)軟件設計

單片機控制軟件由FM3316驅動模塊、Flash讀寫驅動模塊、LCD驅動模塊、鍵盤處理模塊、 串口轉USB通信模塊、無線通信控制模塊協(xié)議、命令處理以及菜單處理模塊組成。其中,設計鍵盤處理模塊和無線通信控制模塊協(xié)議控制軟件是難點,下面將對這兩個模塊的實現(xiàn)方法作具體的介紹。

1 鍵盤處理模塊

系統(tǒng)設置了16鍵的鍵盤用于實現(xiàn)人機交互。用戶可以通過鍵盤直接設置和查詢考勤機的相關參數(shù)。16個按鍵分為4排，在 P1口高4位和低4位的邏輯控制下輪流掃描。對應代表 0～9 十個數(shù)字鍵及“Set”等6個功能鍵。按鍵連接及分布如圖3所示。

圖3 44鍵盤接口圖

先從P1口的高4位輸出低電平，低4位輸出高電平，從P1口的低4位讀取鍵盤狀態(tài)。再從P1口的低4位輸出低電平，高4位輸出高電平，從P1口的高4位讀取鍵盤狀態(tài)。將兩次讀取結果組合起來就可以得到當前按鍵的特征編碼。使用上述方法可得到16個鍵的特征編碼。

將16個鍵的特征編碼按順序排成一張表，然后用當前讀得的特征編碼來查表，當表中有該特征編碼時，它的位置就是對應的順序編碼。鍵盤掃描程序流程圖如圖4所示。

圖4 鍵盤掃描程序流程圖

2 無線通信控制協(xié)議模塊

無線通信模塊用于實現(xiàn)巡更機與巡更點電子標簽的通信，巡更機可以通過天線發(fā)送無線信號命令對巡更點電子標簽進行操作，如設置和讀取電子標簽地址編碼、地點等信息。巡更機通過無線射頻信號發(fā)送控制巡更點電子標簽的命令包，等待電子標簽的確認信號，電子標簽收到巡更機發(fā)送來的信號立即返回確認信號，若巡更機沒有在規(guī)定的時間內(nèi)收到確認信號，則重新發(fā)送命令。電子標簽收到命令后立即可進行相應處理，再通過無線射頻信號將結果返回給巡更機并等待巡更機的確認信號，若電子標簽沒有在規(guī)定的時間內(nèi)收到確認信號，則巡更機重新發(fā)送命令和數(shù)據(jù)信息。

下面介紹無線射頻通信的實現(xiàn)。巡更機發(fā)送的命令數(shù)據(jù)包格式為：同步字節(jié)-命令字-標簽地址-參數(shù)長度-參數(shù)-校驗和。圖5為巡更機發(fā)送命令執(zhí)行結果時的命令及數(shù)據(jù)流程圖。

圖5 發(fā)送命令及數(shù)據(jù)流程圖

無線射頻電子標簽成功接收命令后立刻執(zhí)行，并向巡更機返回執(zhí)行結果狀態(tài)信息。返回的命令數(shù)據(jù)包格式為: 同步字節(jié)-命令字-標簽地址-命令執(zhí)行成功或失敗-返回命令執(zhí)行結果的長度-校驗和。圖6為電子標簽接收命令及數(shù)據(jù)包后響應狀態(tài)轉換過程。

圖6 接收命令及數(shù)據(jù)包響應狀態(tài)轉換過程

無線射頻電子標簽的處理程序有兩個：一個是設定標簽地址及標簽內(nèi)其他數(shù)據(jù)信息（Set Process），另一個是讀取標簽地址及標簽內(nèi)其他數(shù)據(jù)信息（Read Process）并將這些數(shù)據(jù)通過無線射頻信號發(fā)送給巡更機。這兩個程序的進入是通過命令字來判斷的，判斷處理過程對應為配置改寫設置（Set Config）和數(shù)據(jù)讀?。≧ead Data）。系統(tǒng)程序將這些操作結束后同樣要通過無線射頻信號將其狀態(tài)碼告知巡更機系統(tǒng)，以便于巡更系統(tǒng)進入下一工作狀態(tài)。標簽地址信息是為了區(qū)別在巡更機無線覆蓋范圍內(nèi)多個標簽而設定的區(qū)別碼，這樣可以有效避免誤碼和多個標簽競爭出錯的發(fā)生。

3 管理軟件設計

系統(tǒng)管理軟件是在Windows XP環(huán)境下，采用Visual Basic開發(fā)設計的，功能全面且用戶界面友好。功能模塊包括系統(tǒng)設置、巡更機控制、巡更記錄和考勤統(tǒng)計，其結構框圖如圖7所示。

圖7 管理軟件結構框圖

結束語

非接觸式無線巡更系統(tǒng)的設計與開發(fā)使得巡更過程中數(shù)據(jù)的采集、處理和維護更加簡單，手動設置巡更規(guī)則、對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計查詢和自動生成各種報表等巡邏人員的考勤管理工作變得方便迅捷。本文介紹的非接觸式無線巡更系統(tǒng)具有良好的性能，特別是在通用性、穩(wěn)定性方面表現(xiàn)突出，硬件設計可擴展性好，運行穩(wěn)定。實踐證明系統(tǒng)的功能完全滿足了設計要求。