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(mén) 529020； 2.五邑大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,，廣東 江門(mén)529020）

       摘要：依據(jù)監(jiān)舍門(mén)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(mén)控制系統(tǒng),。該系統(tǒng)以PC作為上位機(jī),，多臺(tái)STC12C5A32S2單片機(jī)作為監(jiān)舍門(mén)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(mén)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(duì)安裝調(diào)試中的幾個(gè)問(wèn)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(mén)

0引言

　　監(jiān)獄是一個(gè)安全性要求極高的特殊場(chǎng)所,，其監(jiān)舍門(mén)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(mén)禁系統(tǒng)大都是基于機(jī)械結(jié)構(gòu),，采用簡(jiǎn)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(mén)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(mén)禁系統(tǒng),。

　　本文研究的多機(jī)監(jiān)舍門(mén)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(mén)門(mén)禁控制器,、485232通信轉(zhuǎn)換器,、讀感器、電鎖和門(mén)禁管理軟件等組成,。門(mén)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(guò)TCP/IP協(xié)議與各個(gè)樓層控制端相連，實(shí)時(shí)對(duì)監(jiān)獄的各樓層的每個(gè)監(jiān)獄門(mén)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控,。同時(shí),，各樓層控制器通過(guò)485總線與各監(jiān)舍門(mén)通信，能迅速可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)于各個(gè)門(mén)的控制,，實(shí)現(xiàn)了門(mén)禁系統(tǒng)智能化,、遠(yuǎn)程化和無(wú)人化。

1門(mén)禁系統(tǒng)的主要功能研究

　　為滿足用戶(hù)的要求,，智能監(jiān)舍門(mén)管理系統(tǒng)應(yīng)具有權(quán)限確認(rèn),、群開(kāi)群閉、自動(dòng)布防,、事件記錄,、異常報(bào)警、日程表管理以及電動(dòng)/手動(dòng)功能。遠(yuǎn)程總控制中心和樓層控制室可根據(jù)用戶(hù)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(chǎng)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(mén)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(mén)控制器功能

　　監(jiān)舍門(mén)控制器功能主要有：(1）變速運(yùn)行。監(jiān)舍門(mén)的運(yùn)行速度可進(jìn)行調(diào)整,，如低速啟動(dòng),、恒速運(yùn)行、低速關(guān)門(mén),，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(mén)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(guò)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(mén)的5種狀態(tài)（已開(kāi)啟、開(kāi)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(mén)白天可將定點(diǎn),、定時(shí)自動(dòng)控制改為電動(dòng)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(mén)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(duì)于樓層所有門(mén)的5種狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，其中出現(xiàn)故障界面會(huì)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(dòng)開(kāi)門(mén)或關(guān)門(mén)，每天可以設(shè)定多達(dá)32個(gè)時(shí)間段開(kāi)關(guān)。（4）群開(kāi)群關(guān),。系統(tǒng)支持一鍵全開(kāi),、全關(guān)功能，也可根據(jù)不同需要,，對(duì)任意監(jiān)舍門(mén)進(jìn)行個(gè)別分組控制或錯(cuò)開(kāi)各門(mén)啟動(dòng)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(mén)的開(kāi)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(dòng)布防?？深A(yù)先對(duì)各個(gè)監(jiān)舍門(mén)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(kāi)啟/關(guān)閉對(duì)應(yīng)的監(jiān)舍門(mén),。此外還具有管理權(quán)限申請(qǐng),、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(duì)于所有樓層的所有門(mén)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和顯示,，中央總控制室與各樓層監(jiān)控室之間設(shè)有專(zhuān)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(kāi)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(kāi)啟/關(guān)閉對(duì)應(yīng)的監(jiān)舍門(mén)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(cè)門(mén)的位置信息，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制門(mén)開(kāi)關(guān)及速度和門(mén)鎖的開(kāi)關(guān),。RS485總線簡(jiǎn)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(mén)禁系統(tǒng)的控制和檢測(cè)要求。單片機(jī)通過(guò)RS485總線接收上位機(jī)的開(kāi)關(guān)命令,，并把當(dāng)前門(mén)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(zhuān)用復(fù)位電路以及針對(duì)電機(jī)控制和強(qiáng)干擾場(chǎng)合的專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì),。利用EEPROM功能可保存該門(mén)的ID號(hào),，保證在掉電后再上電可還原門(mén)ID號(hào)。利用PWM來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度,，ADC檢測(cè)設(shè)定的門(mén)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(wàn)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(duì)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(mén)禁系統(tǒng)的通信控制。本系統(tǒng)中采用兩套R(shí)S485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(dòng)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(hào)的反射,，保證信號(hào)傳輸無(wú)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(dòng)電機(jī)電路

　　電機(jī)采用60 W無(wú)刷直流電機(jī),，具有低電壓特性好、轉(zhuǎn)矩過(guò)載特性強(qiáng)、易調(diào)速,、靜音等優(yōu)點(diǎn),。采用專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)器，單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(xún)所有門(mén)的狀態(tài)，逐步發(fā)送查詢(xún)門(mén)的ID號(hào)和查詢(xún)命令,，如果在固定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到回復(fù),，就認(rèn)為該門(mén)出現(xiàn)故障，顯示該門(mén)不正常,。如果收到回復(fù),，就根據(jù)回復(fù)更新門(mén)的當(dāng)前狀態(tài)，是打開(kāi)或是關(guān)閉,，又或是正在打開(kāi)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(hù)的命令能夠及時(shí)執(zhí)行，每查詢(xún)完一個(gè)門(mén)狀態(tài)后,，就響應(yīng)用戶(hù)的開(kāi)門(mén)或關(guān)門(mén)命令,。處理完命令后再接著進(jìn)行查詢(xún)命令。每查詢(xún)完所有門(mén)后,，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行下一輪的查詢(xún),，保證及時(shí)更新門(mén)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(hào)，然后讀取當(dāng)前門(mén)的位置,。如果有上位機(jī)命令就進(jìn)行接收,，并回復(fù)門(mén)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(guò)檢測(cè)門(mén)的狀態(tài)和門(mén)鎖的狀態(tài)，智能控制開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)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(zhǎng)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(xún),，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(shuō)明有下位機(jī)回復(fù)消息發(fā)送進(jìn)來(lái),，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(xiě)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(zhǎng)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(mén)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(pán)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(wèn)題

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

　?。?）總線沖突問(wèn)題。本門(mén)禁系統(tǒng)采用兩套R(shí)S485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(duì)于單條收發(fā)線，采用時(shí)分復(fù)用的方式,，避免多個(gè)門(mén)控系統(tǒng)單元通信沖突,。

　　（2）信號(hào)傳輸干擾問(wèn)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(hào),、吸收噪聲,。

　　（3）瞬態(tài)干擾問(wèn)題,。本門(mén)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),。

　?。?）共模干擾問(wèn)題。采用光耦隔離方法使得總控制中心和各門(mén)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(mén)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(mén)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(tái)STC12C5A32S2單片機(jī)作為監(jiān)舍門(mén)控制器下位機(jī),，通過(guò)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(mén)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(mén),，并對(duì)安裝調(diào)試中的幾個(gè)問(wèn)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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