1 基于RFID技術的電子巡更系統(tǒng)

　　電子巡更系統(tǒng)發(fā)展僅10多年，已形成了一種固定模式，即離線式、非接觸巡更系統(tǒng)，并成為市場主流產(chǎn)品。設計者受技術的限制，舍去了在線式非接觸巡更系統(tǒng)具有的實時監(jiān)控的優(yōu)點，雖然淘汰了碰觸式鈕扣讀取信息方式，代之以無線射頻識別技術(RFID)的非接觸感應讀取信息方式，但最大可識別距離僅在13 cm以內(nèi)，給巡檢人員的正常工作帶來很大的不便。本文基于RFID技術設計的巡更系統(tǒng)，并使用nRF2401無線收發(fā)芯片建立了該系統(tǒng)，能較好地兼有兩者的優(yōu)點。該系統(tǒng)的工作頻率為2.4 GHz，識別距離可達5—20 in。

圖1為電子巡更巡檢系統(tǒng)整體框圖

　　2 系統(tǒng)構成

　　系統(tǒng)由巡檢探頭、巡檢卡、巡檢控制器和計算機系統(tǒng)管理系統(tǒng)4大部分組成。

　　(1)巡檢探頭。巡視點由巡檢探頭組成，巡檢探頭可接收巡檢卡發(fā)來的數(shù)據(jù)代碼，同時傳送到下一個巡檢探頭，每2個探頭之間由無線通信組成通信網(wǎng)絡，信息數(shù)據(jù)最終送至巡視控制器。巡檢探頭實際上是一個獨立的無線接點，2個探頭之間的通信距離受無線發(fā)射距離的限制。為保證通信數(shù)據(jù)的可靠性，實際要小于最大發(fā)射距離。各巡檢探頭之間采用點到點的通信方式，由軟件編寫通信協(xié)議，實現(xiàn)接力傳送。巡檢探頭是有源器件，需電源供電，采用穩(wěn)壓電源則需用220 V電源，也可采用干電池或充電電池供電，安裝較為方便。

圖2為巡檢探頭內(nèi)部組成圖

 　　(2)巡檢卡。巡檢卡是由巡視人員隨身攜帶的一種有源卡，也可做成鑰匙鏈形式掛于腰間。內(nèi)嵌3 V鈕扣電池，由于是有源發(fā)射，作用距離大大增強，通?？稍O在5—10 In距離范圍內(nèi)，無方向性要求。攜帶在身上或放在包內(nèi)無需取出便可識別。

圖3為巡檢卡內(nèi)部組成圖 [nextpage]

　　(3)巡檢控制器。巡檢控制器通過主從式無線通信方式接收各巡檢探頭發(fā)送來的數(shù)據(jù)，這是由巡檢人員代碼，巡檢探頭代碼和當時的時間3部分組成，并將數(shù)據(jù)保存在閃存(FLASH MEMORY)內(nèi)，與微機通過RS232接口進行通信。巡檢控制器與巡檢探頭和巡檢卡三者自成系統(tǒng)，平時無需與微機連機或通信，僅在需要通信和實時監(jiān)控時由軟件進行操作。

圖4為巡檢控制器內(nèi)部組成圖。

　　(4)微機管理系統(tǒng)。具有將保存在巡檢控制器閃存(FLASH MEMORY)內(nèi)的數(shù)據(jù)通過RS232接口進行數(shù)據(jù)傳輸，并以數(shù)據(jù)庫的形式保存在文件系統(tǒng)中。可根據(jù)巡更的班次和時間間隔，對每條記錄逐項比較以確認是否有效。將每條記錄的結果進行多種方法的查詢，統(tǒng)計并做出供管理者使用的各種報表，也可根據(jù)需要實時監(jiān)控各巡檢探頭情況。

　　3 芯片配置與ShockBurst 。M收發(fā)模式

　　在進行無線通信前，無論芯片是進行發(fā)射還是接收，上電后需首先進行配置，l4J4位的配置字規(guī)定了接收地址、收發(fā)頻率、發(fā)射功率、無線傳輸速率、無線收發(fā)模式、CRC較驗長度及有效數(shù)據(jù)長度。當nRF2401設置在ShockBurst 。M收發(fā)模式工作時，具有可以用低速的MCU傳送數(shù)據(jù)，暫存在片內(nèi)的先入先出堆棧(FIFO)中;然后以高速(1Mbps)速率向空中發(fā)射的特點。使用ShockBurst技術具有3大好處：降低了系統(tǒng)的平均工作電流(僅在發(fā)射時，短時間電流較大);短時間高速發(fā)射，數(shù)據(jù)在空中停留時間短，抗干擾性高;低的系統(tǒng)費用(低速微處理器也能進行高速射頻發(fā)射。

圖5為MCU使用ShockBurst 技術傳送數(shù)據(jù)示意圖。

　　4 無線網(wǎng)絡結構

　　各巡檢探頭通過無線電波相互之間組成了無線通信網(wǎng)絡。本系統(tǒng)采用無線網(wǎng)形網(wǎng)絡，即點一點一點的通信方式。由于各個接點都有微處理器，無需無線路由器便可實現(xiàn)一點與另一點問的無線互連，每個無線接點不僅可以收發(fā)數(shù)據(jù)，而且還可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到相鄰的無線接點，多個無線接點相互的連接，可使傳輸距離更遠。當無線網(wǎng)絡中一個接點出現(xiàn)故障時，相臨的接點會自動取代出現(xiàn)故障的接點，使網(wǎng)絡通信保持正常。

圖6為無線網(wǎng)形連接示意圖。

　　5 硬件組成

　　MCU與NRF2401DE1的連接見圖7。單片機采用AT89CL51，無線收發(fā)芯片選用nRF2401芯片，這2種芯片均工作在+3 V的低電壓。單片機軟件用KEIL C51或匯編語言編寫，可先設置ShockBurstTM收發(fā)模式，然后進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。理論上可傳送100 nl，在實驗中可達20—50 nl，這取決于電路所用器件的高頻性能、元件的排列以及電路板的接地。

圖7 MPU與NRYT.401的連接 [nextpage]

　　6 巡檢過程

　　如圖1，當巡檢人員攜卡在規(guī)定的巡視路線到達。點時，巡檢探頭收到巡檢卡發(fā)來的標識代碼，傳送給下一探頭進行接力傳送，同時發(fā)送一信號給巡檢卡，使該卡的收發(fā)電路處于休眠狀態(tài)(節(jié)省電源)。當巡檢人員到達b點時，巡檢探頭口可能收不到信號，(巡檢卡仍處于休眠狀態(tài))，也可能收到信號，經(jīng)判斷后也不做任何工作，(以第1次收到的數(shù)據(jù)為準)。當巡檢人員到達c點時，巡檢探頭0和b均可能收到信號，但巡檢探頭應判斷b探頭起作用，巡檢探頭。仍以第一次收到的數(shù)據(jù)為準，每個巡檢探頭收到和傳送的數(shù)據(jù)最終傳送到巡檢控制器中保存在閃存中。

　　7 巡檢探頭軟件流程

巡檢探頭軟件流程如圖8所示。

　　8 通信協(xié)議

　　無線通信不同于有線通信，無線通信出錯的概率要高于有線通信系統(tǒng)。無線通信使用共同的傳播媒介，這就決定了無線通信必須要設計大量的無線通信協(xié)議來解決在同一傳播媒介中可靠收發(fā)數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)包在空中發(fā)生碰撞。使用nRF2401無線收發(fā)芯片，只需設計點到點、點到多點、多節(jié)點處理通信協(xié)議。

　　(1)巡檢卡與巡檢探頭之間采用點對點的通信方式，巡檢探頭與巡檢控制器也采用點對點的通信方式，各巡檢探頭之間采用一點對多點的通信方式。

　　(2)PC與巡檢控制器之間由RS232串行通信方式進行數(shù)據(jù)交換。

　　(3)nRF2401無線收發(fā)芯片在ShockBurstⅢ收發(fā)模式工作時，自動處理字頭和CRC校驗碼，以保證收發(fā)數(shù)據(jù)的準確性。在接收數(shù)據(jù)時，自動移去字頭和CRC校驗碼。發(fā)送數(shù)據(jù)時，自動加上字頭和CRC校驗碼。發(fā)送完成后，數(shù)據(jù)準備好引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。

　　9 結束語

　　對本系統(tǒng)首先進行了硬件驗證實驗，然后又進行了軟件設計實驗。達到了預想的結果。

　　采用VB6.0進行串口通信編程，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用Delphi5.0來設計可視化的圖形界面、數(shù)據(jù)庫訪問和實時監(jiān)控界面。在數(shù)據(jù)庫中需要對巡更人員的基本資料表、執(zhí)勤安排表和工作記錄表進行設計。該系統(tǒng)是基于RFID技術，利用無線信道進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，目前廣泛使用的手機技術也是利用無線信道進行數(shù)據(jù)傳輸，其使用方便，靈活是眾所周知的。無線通信信道是所有通信介質(zhì)中最差的一種，傳輸特性不象采用RS485、CAN總線那樣成熟，在條件不是要求特別嚴格的場所采用無線通信信道無疑具有很強的競爭力。安裝方便，其易于擴充，是較為理想的通信方案。

　　工作在2.4 GHz的無線通信，對設計者在硬件和軟件的設計上提出了較高的要求。在高頻環(huán)境下，設計經(jīng)驗變得非常重要。無線通信信道在目前試用的巡更系統(tǒng)中，利用率是很低的，大部分都是處于閑置狀態(tài)，而巡檢系統(tǒng)多元化發(fā)展是必然趨勢，無線語音，攝像，圖像處理功能等將應用到巡檢系統(tǒng)中去。巡檢探頭必將發(fā)展成為一種“智能”探頭，加上計算機網(wǎng)絡功能，形成新一代的電子巡更巡檢系統(tǒng)。