基于RS485总线的多机监舍门智能控制系统研究

fpga_wuhan · 发表于 2016-10-25 10:33:22

张京玲1，王天雷1，王柱2
转载于电子技术应用
　　（1.五邑大学信息工程学院，广东江门 529020； 2.五邑大学计算机学院，广东江门529020）

摘要：依据监舍门控制器、楼层控制室和远程总控制中心3个层面的主要功能，设计了一种由PC和多个单片机组成的监舍门控制系统。该系统以PC作为上位机，多台STC12C5A32S2单片机作为监舍门控制系统下位机。分析了中央计算机总控制终端、楼层控制端与门禁控制器之间的多机通信与控制，完成了硬件电路的设计和软件的设计，并对安装调试中的几个问题进行了讨论。实验证明，该系统运行稳定、可靠。

　　关键词：RS485总线；单片机；控制系统；多机通信；监舍门

0引言

　　监狱是一个安全性要求极高的特殊场所，其监舍门的控制与管理是保证监狱安全运行极为关键的环节。早期的门禁系统大都是基于机械结构，采用简单的控制电路实现，结构和功能单一，效率严重不足。随着科技的不断发展，现代监舍门禁系统迫切需要具有较高灵活性、实时性和可靠性的智能控制门禁系统。

　　本文研究的多机监舍门智能控制系统主要由中央计算机总控制终端、楼层控制端、单门门禁控制器、485232通信转换器、读感器、电锁和门禁管理软件等组成。门禁系统通信网络如图1所示，远程计算机终端所在的中央控制室通过TCP/IP协议与各个楼层控制端相连，实时对监狱的各楼层的每个监狱门进行远程监控。同时，各楼层控制器通过485总线与各监舍门通信，能迅速可靠地实现对于各个门的控制，实现了门禁系统智能化、远程化和无人化。

1门禁系统的主要功能研究

　　为满足用户的要求，智能监舍门管理系统应具有权限确认、群开群闭、自动布防、事件记录、异常报警、日程表管理以及电动/手动功能。远程总控制中心和楼层控制室可根据用户需要，定时划分操作权限或同时实现控制的权利，实现远程或现场控制、计算机控制以及机械控制；可实时/定时操作。系统功能由门控制器、楼层控制室和远程总控制中心分别完成。

　　1.1监舍门控制器功能

　　监舍门控制器功能主要有：(1）变速运行。监舍门的运行速度可进行调整，如低速启动、恒速运行、低速关门，确保安全稳定的状态下正常工作。(2）堵转可调。监舍门控器具有防夹的功能，支持短时间连续5次堵转，超过5次则报警。(3）状态反馈。控制器能及时将各监舍门的5种状态（已开启、开启中、已关闭、关闭中、故障）反馈给楼层控制室以及中心控制室。(4）监舍门白天可将定点、定时自动控制改为电动控制，晚上可以定点、定时控制转换为机械锁控制。此外还有异常报警、断电记录以及监舍门锁机械电联合控制等功能。

　　1.2楼层控制室功能

　　楼层控制室主要功能为：(1）状态显示。楼层监控室能够实现对于楼层所有门的5种状态进行检测，其中出现故障界面会有特殊显示。(2）采用TCP/IP和485总线方式远程通信，将多个监舍控制器连接成一个控制网络。(3）日程表管理。系统可支持任意多的时间组，实现某一个时间自动开门或关门，每天可以设定多达32个时间段开关。（4）群开群关。系统支持一键全开、全关功能，也可根据不同需要，对任意监舍门进行个别分组控制或错开各门启动时间。（5）事件记录。本系统在楼层控制室端监控本楼层监舍门的开启和关闭；同时记录运行信息并同步上传到中央控制室备份。（6）自动布防。可预先对各个监舍门进行设置，当发生紧急事件的时候，能迅速一键同时开启/关闭对应的监舍门。此外还具有管理权限申请、异常报警、远程解除警报等功能。

　　1.3远程总控制中心功能

　　远程总控制中心能够实现对于所有楼层的所有门的状态进行监测和显示，中央总控制室与各楼层监控室之间设有专有线路，采用TCP/IP协议相连。主机带有在线式不间断电源，确保整个系统24小时正常工作。此外还具有日程表管理、群开群关、管理权限授予、事件记录、异常报警等功能，当发生紧急事件的时候，能够迅速地一键同时开启/关闭对应的监舍门实现自动布防以及远程解除警报。

2硬件研究与设计

　　系统的硬件主要由单片机STCI2CSA32S2和RS485总线构成。单片机根据传感器检测门的位置信息，驱动电机控制门开关及速度和门锁的开关。RS485总线简单节约成本，采用差分传输方式，提高了抗干扰能力和传输距离，可进行双向通信，满足门禁系统的控制和检测要求。单片机通过RS485总线接收上位机的开关命令，并把当前门的状态发送给上位机进行显示。硬件框图所示。

　　2.1单片机电路

　　本系统控制器采用高速、低功耗、超强抗干扰的STC12C5A32S2单片机，工作电压为直流5 V。该单片机内含有EEPROM功能，2路PWM，8路高速10位ADC，同时还有内部集成MAX810的专用复位电路以及针对电机控制和强干扰场合的专门设计。利用EEPROM功能可保存该门的ID号，保证在掉电后再上电可还原门ID号。利用PWM来驱动电机速度，ADC检测设定的门速。单片机电路设计所示。

　　STCI2CSA32S2单片机工作于1个时钟/机器周期，且有增强型8051内核，故其速度比普通8051快8~12倍。该单片机有8通道10位高速ADC，速度可达25万次/秒［1］。此外，由于该单片机价格比较便宜，故采用此单片机作为核心控制芯片，大大降低了成本。

　　2.2RS485通信电路

　　系统采用RS485构成总线型通信网络。RS485总线不仅允许一对多的数据传输，而且由于采用差分传输，抗干扰能力强，因此很适合门禁系统的通信控制。本系统中采用两套RS485通信，使发送和接收在各自独立的物理通道上，保证系统发送和接收可以同时进行互不干扰。并且由主机分时按一定的顺序依次给从机发送命令，从机只能回复命令不能主动发送数据。在设计电路时，为了减少线路上传输信号的反射，保证信号传输无毛刺，需要在RS485网络传输线的始端和末端各接一个120 Ω的匹配电阻［23］。RS485通信电路设计所示。

　　2.3驱动电机电路

　　电机采用60 W无刷直流电机，具有低电压特性好、转矩过载特性强、易调速、静音等优点。采用专用的驱动器，单片机控制驱动器时，为了提高抗干扰能力，进行了光耦隔离控制。驱动电机电路设计所示。

3软件部分

　　3.1软件总设计

　　上位机系统初始化完成后，按顺序查询所有门的状态，逐步发送查询门的ID号和查询命令，如果在固定时间内没有收到回复，就认为该门出现故障，显示该门不正常。如果收到回复，就根据回复更新门的当前状态，是打开或是关闭，又或是正在打开和正在关闭4种正常状态和回复的故障状态。为了保证用户的命令能够及时执行，每查询完一个门状态后，就响应用户的开门或关门命令。处理完命令后再接着进行查询命令。每查询完所有门后，系统会自动进行下一轮的查询，保证及时更新门的当前状态。上位机（PC）主程序流程所示。

　　STC12C5A32S2单片机初始化后，先从单片机的EPPROM中取得ID号，然后读取当前门的位置。如果有上位机命令就进行接收，并回复门当前的状态。为了缩短通信时间，单片机先回复命令再执行命令。通过检测门的状态和门锁的状态，智能控制开门和关门的速度，完成上位机的命令。下位单片机主程序流程所示。

3.2PC通信程序设计

　　PC软件编程采用Visual C++系统，先进行初始化。选择串口1，设定波特率为9 600 b/s。设定数据格式。数据长度一共由4帧数据构成。每一帧数据由1个起始位、8个数据位、1个检验位、1个停止位组成。初始化后进行事件的轮询，主要包括下位机消息回复事件、发送控制命令事件和定时器溢出事件。如果串口接收缓冲区有数据，则说明有下位机回复消息发送进来，此时进行串口数据的读取并进行处理和显示；如果有发送控制命令的操作则串口写数据进行控制命令的发送；如果定时器溢出则报告下位机出错。PC通信程序流程。

　　3.3单片机通信程序设计

　　STC12C5A32S2单片机的串口通信先设定串行口控制寄存器SCON中的控制位SM2为高电平，允许多机通信；再设定波特率9600 b/s和串口工作方式3［4］；最后设定数据格式与PC一样。数据长度一共由4帧数据构成。单片机串口通信流程图如图9所示。

　　3.4软件运行环境

　　为保证门禁系统控制软件正常运作，主机必须符合以下的要求：（1)CPU奔腾4以上，内存1 GB及以上；（2）VGA彩显和VGA显示卡；（3）200 MB以上硬盘空间；（4）有线网卡；（5）支持外置调制解调器串口或一个直接的RS232串口；（6）Windows XP、Windows 7或者更高版本的操作系统。

4安装调试中的几个系统通信问题

　　安装调试时，除了机械部分的故障外，对通信方面存在的几个问题进行了分析研究和改进设计。

　　（1）总线冲突问题。本门禁系统采用两套RS485通信，使发送和接收在各自独立的物理通道上，并且保证系统发送和接收总线可以同时进行互不干扰。对于单条收发线，采用时分复用的方式，避免多个门控系统单元通信冲突。

　　（2）信号传输干扰问题。系统工作时，在位于总线两端的差分端口A与B之间跨接120 Ω匹配电阻，以减少反射信号、吸收噪声。

　　（3）瞬态干扰问题。本门禁系统采用了快恢复稳压管 TV接入系统总线，从而抑制瞬态高压，实现通信接口的保护。

　　（4）共模干扰问题。采用光耦隔离方法使得总控制中心和各门控制器之间通信所用到的系统电源地和通信模块地的隔离，从而消除共模干扰。

5结论

　　本文讨论了监舍门控制器、楼层控制室和远程总控制中心三个层面的主要功能，实现了一种由PC和多个单片机组成的监舍门控制系统的软件及硬件设计与调试。该系统以PC作为上位机，多台STC12C5A32S2单片机作为监舍门控制器下位机，通过TCP/IP协议与各个楼层控制端相连，实现了中央计算机总控制终端、楼层控制端与门禁控制器之间的多机通信与控制，可实时监控各楼层以及每个监舍狱门，并对安装调试中的几个问题进行了分析与改进。实验证明，该系统运行稳定、可靠，有较好的应用前景。

zxopen08 · 发表于 2016-11-4 14:29:16

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