非接觸式無(wú)線巡更系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

非接觸式無(wú)線巡更系統(tǒng)能夠在規(guī)定的值勤時(shí)間按照嚴(yán)格的巡更路線和巡更時(shí)間段，在有效時(shí)間段采集、保存巡邏人員讀巡更點(diǎn)的時(shí)間和巡更點(diǎn)信息；在非有效時(shí)間內(nèi)，有人讀巡更點(diǎn)時(shí)檢驗(yàn)巡更點(diǎn)是否有效、是否在允許的時(shí)間段，巡更點(diǎn)有效且在允許的時(shí)間段則進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)記，并保存該巡更事件的良好情況，否則標(biāo)記為違紀(jì)行為提示信息。它可識(shí)別不同類(lèi)別的標(biāo)簽（巡更點(diǎn)），控制不同值勤人員的巡邏時(shí)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(duì)不同值勤人員的巡邏時(shí)間及允許的值勤范圍、路線等進(jìn)行設(shè)定，以有效地控制巡邏有效性。系統(tǒng)配有便捷的上位機(jī)管理軟件，可完成設(shè)定、查詢、統(tǒng)計(jì)和自動(dòng)生成報(bào)表等功能，方便管理人員按部門(mén)或日期查詢統(tǒng)計(jì)出勤、出差、請(qǐng)假等各種記錄,真正實(shí)現(xiàn)考勤巡更情況的自動(dòng)化管理。擁有硬件管理員權(quán)限的人員可對(duì)巡更機(jī)進(jìn)行各種硬件設(shè)置，通過(guò)按鍵和液晶顯示器上的菜單選項(xiàng)設(shè)置巡更機(jī)。另外，作為一個(gè)獨(dú)立的手持系統(tǒng)，巡更機(jī)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(fù)充電的大容量電池，可持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間正常工作。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

非接觸式無(wú)線巡更系統(tǒng)由PC、巡更機(jī)、RS232/ 485及UART轉(zhuǎn)USB接口設(shè)備、巡更點(diǎn)標(biāo)簽等部分組成。PC安裝數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和值勤人員考勤管理軟件，通過(guò)RS232、RS485或USB接口與巡更機(jī)相聯(lián)接,對(duì)巡更機(jī)進(jìn)行各種設(shè)置，從巡更機(jī)上采集考勤數(shù)據(jù)，對(duì)考勤數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括設(shè)置巡邏點(diǎn)信息、修改和讀取巡更機(jī)內(nèi)記錄、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)和查詢，以及生成各種報(bào)表等。巡更機(jī)的主要功能是記錄值勤人員信息和采集巡更點(diǎn)巡邏時(shí)采集的數(shù)據(jù)，由單片機(jī)、 存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、讀巡更點(diǎn)接口模塊、按鍵輸入、液晶顯示等模塊組成。巡更機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2 控制模塊

巡更機(jī)的處理器采用AT89S52單片機(jī)，它具有價(jià)格低廉、功耗低等特點(diǎn)，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(hào)端，包括串行數(shù)據(jù)端口及SPI接口。

3 射頻無(wú)線接口模塊

射頻無(wú)線模塊是單片機(jī)與無(wú)線標(biāo)簽之間的通信接口，用于發(fā)送控制命令并讀取無(wú)線標(biāo)簽上的信息。無(wú)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(wú)須申請(qǐng)注冊(cè)的433M、868M、915M頻段的設(shè)計(jì)應(yīng)用完全符合FCC和ETSI認(rèn)證相關(guān)規(guī)定。IA4421能夠產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)給微控制器使用,從而避免使用兩個(gè)晶振。在低功率應(yīng)用中，IA4421內(nèi)部的喚醒定時(shí)器支持低功耗工作，其待機(jī)（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(wú)線模塊與微控制器接口圖

4 串口轉(zhuǎn)USB模塊

該模塊用于實(shí)現(xiàn)巡更機(jī)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(zhuǎn)USB接口，方便無(wú)串口的PC通過(guò)USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，支持單機(jī)運(yùn)行和聯(lián)機(jī)使用。其中RXD、TXD作為數(shù)據(jù)的I/O通道連接單片機(jī)串口，完成單片機(jī)與PC之間數(shù)據(jù)讀取操作。

5 存儲(chǔ)器模塊

本系統(tǒng)采用SST25VF040 Flash存儲(chǔ)器,其存儲(chǔ)空間為4Mb，主要存儲(chǔ)巡更機(jī)采集到的標(biāo)簽數(shù)據(jù)、操作人員、采集時(shí)間等信息。由于采用雙向高速SPI總線進(jìn)行傳輸，只需三根數(shù)據(jù)線加片選線就可進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)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(shí)鐘鐵電存儲(chǔ)緩沖模塊

該模塊為系統(tǒng)提供可靠的時(shí)間和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)域。FM3316鐵電存儲(chǔ)器提供內(nèi)置的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)模塊，只要設(shè)置好當(dāng)前時(shí)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(chǔ)單元，可用來(lái)保存通信接口的地址、讀卡時(shí)間、讀標(biāo)簽數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)。FM3316提供可編程定時(shí)周期控制信號(hào)以刷新LCD顯示器的時(shí)間顯示，觸發(fā)引腳接單片機(jī)外部中斷引腳，在外部中斷服務(wù)程序中刷新LCD顯示器的時(shí)間顯示。FM3316提供雙向SPI總線進(jìn)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(guò)SPI總線與單片機(jī)之間進(jìn)行的地址和數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，通過(guò)SPI總線單片機(jī)可輕松設(shè)定和修改系統(tǒng)時(shí)間，將人員信息和讀標(biāo)簽數(shù)據(jù)先保存起來(lái)，避免對(duì)Flash的頻繁操作，提高系統(tǒng)壽命和可靠性。

7 無(wú)線電子標(biāo)簽

無(wú)線電子標(biāo)簽是集單片機(jī)、射頻無(wú)線模塊接口、存儲(chǔ)單元、天線、電源電路等模塊為一體的小型無(wú)線射頻系統(tǒng)，是巡更機(jī)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化，其核心是射頻無(wú)線模塊接口。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制軟件由FM3316驅(qū)動(dòng)模塊、Flash讀寫(xiě)驅(qū)動(dòng)模塊、LCD驅(qū)動(dòng)模塊、鍵盤(pán)處理模塊、 串口轉(zhuǎn)USB通信模塊、無(wú)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(shè)計(jì)鍵盤(pán)處理模塊和無(wú)線通信控制模塊協(xié)議控制軟件是難點(diǎn),下面將對(duì)這兩個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)方法作具體的介紹。

1 鍵盤(pán)處理模塊

系統(tǒng)設(shè)置了16鍵的鍵盤(pán)用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。用戶可以通過(guò)鍵盤(pán)直接設(shè)置和查詢考勤機(jī)的相關(guān)參數(shù)。16個(gè)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(duì)應(yīng)代表 0～9 十個(gè)數(shù)字鍵及“Set”等6個(gè)功能鍵。按鍵連接及分布如圖3所示。

圖3 44鍵盤(pán)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(pán)狀態(tài)。再?gòu)腜1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(pán)狀態(tài)。將兩次讀取結(jié)果組合起來(lái)就可以得到當(dāng)前按鍵的特征編碼。使用上述方法可得到16個(gè)鍵的特征編碼。

將16個(gè)鍵的特征編碼按順序排成一張表，然后用當(dāng)前讀得的特征編碼來(lái)查表，當(dāng)表中有該特征編碼時(shí)，它的位置就是對(duì)應(yīng)的順序編碼。鍵盤(pán)掃描程序流程圖如圖4所示。

圖4 鍵盤(pán)掃描程序流程圖

2 無(wú)線通信控制協(xié)議模塊

無(wú)線通信模塊用于實(shí)現(xiàn)巡更機(jī)與巡更點(diǎn)電子標(biāo)簽的通信，巡更機(jī)可以通過(guò)天線發(fā)送無(wú)線信號(hào)命令對(duì)巡更點(diǎn)電子標(biāo)簽進(jìn)行操作，如設(shè)置和讀取電子標(biāo)簽地址編碼、地點(diǎn)等信息。巡更機(jī)通過(guò)無(wú)線射頻信號(hào)發(fā)送控制巡更點(diǎn)電子標(biāo)簽的命令包，等待電子標(biāo)簽的確認(rèn)信號(hào)，電子標(biāo)簽收到巡更機(jī)發(fā)送來(lái)的信號(hào)立即返回確認(rèn)信號(hào)，若巡更機(jī)沒(méi)有在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)收到確認(rèn)信號(hào)，則重新發(fā)送命令。電子標(biāo)簽收到命令后立即可進(jìn)行相應(yīng)處理，再通過(guò)無(wú)線射頻信號(hào)將結(jié)果返回給巡更機(jī)并等待巡更機(jī)的確認(rèn)信號(hào)，若電子標(biāo)簽沒(méi)有在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)收到確認(rèn)信號(hào)，則巡更機(jī)重新發(fā)送命令和數(shù)據(jù)信息。

下面介紹無(wú)線射頻通信的實(shí)現(xiàn)。巡更機(jī)發(fā)送的命令數(shù)據(jù)包格式為：同步字節(jié)-命令字-標(biāo)簽地址-參數(shù)長(zhǎng)度-參數(shù)-校驗(yàn)和。圖5為巡更機(jī)發(fā)送命令執(zhí)行結(jié)果時(shí)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(wú)線射頻電子標(biāo)簽成功接收命令后立刻執(zhí)行，并向巡更機(jī)返回執(zhí)行結(jié)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(biāo)簽地址-命令執(zhí)行成功或失敗-返回命令執(zhí)行結(jié)果的長(zhǎng)度-校驗(yàn)和。圖6為電子標(biāo)簽接收命令及數(shù)據(jù)包后響應(yīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程。

圖6 接收命令及數(shù)據(jù)包響應(yīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程

無(wú)線射頻電子標(biāo)簽的處理程序有兩個(gè)：一個(gè)是設(shè)定標(biāo)簽地址及標(biāo)簽內(nèi)其他數(shù)據(jù)信息（Set Process），另一個(gè)是讀取標(biāo)簽地址及標(biāo)簽內(nèi)其他數(shù)據(jù)信息（Read Process）并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線射頻信號(hào)發(fā)送給巡更機(jī)。這兩個(gè)程序的進(jìn)入是通過(guò)命令字來(lái)判斷的，判斷處理過(guò)程對(duì)應(yīng)為配置改寫(xiě)設(shè)置（Set Config）和數(shù)據(jù)讀取（Read Data）。系統(tǒng)程序?qū)⑦@些操作結(jié)束后同樣要通過(guò)無(wú)線射頻信號(hào)將其狀態(tài)碼告知巡更機(jī)系統(tǒng)，以便于巡更系統(tǒng)進(jìn)入下一工作狀態(tài)。標(biāo)簽地址信息是為了區(qū)別在巡更機(jī)無(wú)線覆蓋范圍內(nèi)多個(gè)標(biāo)簽而設(shè)定的區(qū)別碼，這樣可以有效避免誤碼和多個(gè)標(biāo)簽競(jìng)爭(zhēng)出錯(cuò)的發(fā)生。

3 管理軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)管理軟件是在Windows XP環(huán)境下，采用Visual Basic開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的，功能全面且用戶界面友好。功能模塊包括系統(tǒng)設(shè)置、巡更機(jī)控制、巡更記錄和考勤統(tǒng)計(jì)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 管理軟件結(jié)構(gòu)框圖

結(jié)束語(yǔ)

非接觸式無(wú)線巡更系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)使得巡更過(guò)程中數(shù)據(jù)的采集、處理和維護(hù)更加簡(jiǎn)單，手動(dòng)設(shè)置巡更規(guī)則、對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)查詢和自動(dòng)生成各種報(bào)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(wú)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(shè)計(jì)可擴(kuò)展性好，運(yùn)行穩(wěn)定。實(shí)踐證明系統(tǒng)的功能完全滿足了設(shè)計(jì)要求。