基于PIC單片機(jī)的智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1． 引言

隨著生活水平的不斷提高，人們對居住環(huán)境的要求也大大提高，對信息服務(wù)和安全防范的要求尤為突出．如何利用計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)在智能化小區(qū)家庭智能管理系統(tǒng)中，對住戶家庭水表、電表、煤氣表的自動計(jì)量以及火災(zāi)、煤氣泄漏、入室盜竊等警情的實(shí)時(shí)監(jiān)控已經(jīng)成為信息產(chǎn)業(yè)的熱點(diǎn)技術(shù)．利用CAN總線技術(shù)雖然有其開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信等諸多優(yōu)點(diǎn)，但將其用于智能住宅小區(qū)，卻因其成本偏高，目前在我國還難以推廣．為此，作者開發(fā)出一種設(shè)備簡單，成本低廉，便于維護(hù)經(jīng)濟(jì)型智能小區(qū)家庭管理系統(tǒng)，能有效地實(shí)現(xiàn)三表自動采集計(jì)費(fèi)，防盜、防災(zāi)、自動報(bào)警和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能．利用單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將采集的數(shù)據(jù)通過串行口傳給PC機(jī)，PC機(jī)完成數(shù)據(jù)的運(yùn)算、存儲、和打印。硬件通過PIC16FXX單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，軟件由VC++6.0實(shí)現(xiàn).

2． 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)是由一臺PC機(jī)（上位機(jī)）和多臺PIC單片機(jī)（下位機(jī)，作為終端控制器）構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)，PC機(jī)COM口帶多個(gè)終端控制器，終端控制器地址設(shè)為 1－N。PC機(jī)采用巡查工作方式自動查詢小區(qū)內(nèi)所有終端控制器的報(bào)警狀態(tài)，及時(shí)對各種報(bào)警信號做出響應(yīng)，并通過有效手段(語音提示、電子地圖標(biāo)識等)向監(jiān)控中心工作人員提供報(bào)警業(yè)主家庭有關(guān)地址、電話等詳細(xì)信息，以便及時(shí)處理；同時(shí)通過抄表工作方式完成自動抄表以及報(bào)表輸出等任務(wù)．終端控制器采集用戶煤氣表、電表、水表脈沖數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)3表自動計(jì)數(shù)；同時(shí)采集現(xiàn)場的防盜、防災(zāi)等信息，有意外事件發(fā)生時(shí)可自動啟動報(bào)警器報(bào)警．PC機(jī)與終端控制器采用總線式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相連，采用RS—485接口總線通信；RS485接口總線利用平衡發(fā)送和差分接收方式實(shí)現(xiàn)通信．，以半雙工工作方式工作，最大傳輸距離可達(dá) 1200m，波特率在1200和38400b/s間可設(shè)置，RS485網(wǎng)絡(luò)采用一對有補(bǔ)償?shù)碾p絞線。終端控制器采用PIC16FXX單片機(jī)，片中串行口加 MAX487轉(zhuǎn)換器，選用在多點(diǎn)總線傳輸線中雙向數(shù)據(jù)通信應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)廣泛使用的MAX487收發(fā)器，其特點(diǎn)是具有限斜率的驅(qū)動器，即驅(qū)動器發(fā)送數(shù)字信號，其沿邊斜率是受限制的，這使電磁干擾(EMI)減至最小，并減少因電纜終端不匹配而產(chǎn)生的影響．接口接線簡單，維護(hù)方便，保證了抄表的可靠性和監(jiān)控的實(shí)時(shí)性．

3． 終端控制器硬件設(shè)計(jì)

為了簡化硬件結(jié)構(gòu)，將三表設(shè)計(jì)成脈沖表，報(bào)警探頭為脈沖輸出，從而避免了在控制器主板上使用A／D轉(zhuǎn)換接口．本系統(tǒng)對表脈沖安排4路輸入通道，利用單片機(jī) PIC16FXX的PORTA端口輸入，表脈沖和報(bào)警脈沖信號分別通過斯密特觸發(fā)器波形整形和74LS244緩沖器進(jìn)入CPU，在一定的采樣周期內(nèi)，CPU輪流查詢用戶表和報(bào)警的輸入端口狀態(tài)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，存到EEPROM 24C16相應(yīng)的存儲區(qū)，等待中央計(jì)算機(jī)的查詢和抄寫．再安排4路輸入通道用于對設(shè)防、撤防、解警和求助操作的遙控處理．串行接口器件LCD液晶顯示器可顯示表數(shù)據(jù)和有關(guān)報(bào)警狀態(tài)等信息，所采用的液晶顯示模塊，內(nèi)置顯示RAM和驅(qū)動控制器，通過4線與單片機(jī)相連． 8KB串行EEPROM 24C16，用以存儲用戶各表的數(shù)據(jù)信息、報(bào)警狀態(tài)信息和采集監(jiān)控終端地址以及有關(guān)初始化信息．每個(gè)用戶的采集監(jiān)控終端設(shè)置不同的地址，從而保證采集數(shù)據(jù)的正確無誤．

終端控制器工作過程如下：上電復(fù)位自檢后，開始運(yùn)行，指示燈閃爍表示程序開始正常工作，初始化LCD，脈沖表，密碼，報(bào)警狀態(tài)，鍵盤，串口。然后進(jìn)入主程序循環(huán)，首先記錄報(bào)警狀態(tài)，脈沖表數(shù)據(jù)，然后將上述兩種數(shù)據(jù)存入24C16中，查詢鍵盤，通過串口響應(yīng)PC機(jī)通信命令與PC機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4． 系統(tǒng)通信

通信的發(fā)起方總是主機(jī)開始，由PC機(jī)控制通訊的主動性，單片機(jī)在通訊過程中處于被動地位。由于各分機(jī)共享同一頻率，為避免沖突，PC機(jī)通過巡查分機(jī)的工作方式查詢各單片機(jī)是否有信息要上報(bào)給PC機(jī)。

為了保證PC機(jī)與多臺單片機(jī)之間能夠準(zhǔn)確、可靠的通信，確定一個(gè)明確而合理的通訊協(xié)議是關(guān)鍵。包括對數(shù)據(jù)格式、通訊方式、傳送速度、傳送步驟、檢糾錯(cuò)方式以及控制字符定義等問題做出統(tǒng)一規(guī)定。

為區(qū)分不同的分機(jī)，必須為每一個(gè)分機(jī)分配一個(gè)唯一的地址，此地址唯一區(qū)別各單片機(jī)。數(shù)據(jù)格式采用數(shù)據(jù)包的形式，一次傳輸一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包格式如下所示：

  
    起始標(biāo)志位：1個(gè)字節(jié)  數(shù)據(jù)長度：1個(gè)字節(jié)
    分機(jī)地址：1個(gè)字節(jié)  數(shù)據(jù)內(nèi)容：n個(gè)字節(jié)
    和檢驗(yàn)：2個(gè)字節(jié)   命令／數(shù)據(jù)：1個(gè)字節(jié)
    結(jié)束標(biāo)志位：１個(gè)字節(jié)

    主機(jī)向單個(gè)單片機(jī)傳數(shù)據(jù)時(shí)，首先，上位機(jī)順次發(fā)送起始標(biāo)志位，目的地址位，數(shù)據(jù)，生成檢驗(yàn)位，結(jié)束標(biāo)志位，上位機(jī)發(fā)送后每個(gè)下位機(jī)都產(chǎn)生中斷把上位機(jī)數(shù)據(jù)包都接收下來，當(dāng)接收到結(jié)束標(biāo)志字符時(shí)，表示接受到一幀完整的數(shù)據(jù)包，然后對數(shù)據(jù)解包，把接收到的目的地和本機(jī)地址進(jìn)行比較，如果不是則馬上跳出中斷服務(wù)程序，相同的話則表示要和本下位機(jī)進(jìn)行通訊。主機(jī)發(fā)完信息后便等待該分機(jī)的接收應(yīng)答。當(dāng)接收數(shù)據(jù)包完成后，接受方也生成相應(yīng)的檢驗(yàn)和，如果接受方生成的檢驗(yàn)和與接收到的檢驗(yàn)和一致，則表明這次通訊成功，下位機(jī)根據(jù)接收到的內(nèi)容給上位機(jī)發(fā)送相應(yīng)的反饋信息。如果不一致，則表明此次通訊失敗，下位機(jī)給上位機(jī)發(fā)送失敗信息，要求上位機(jī)重新發(fā)送。
    由于系統(tǒng)采用上位機(jī)巡查下位機(jī)的工作方式，單片機(jī)在通信過程中處于被動地位，只能其被輪詢到的時(shí)候才能給上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，否則即使信息要上報(bào)主機(jī)時(shí)，也必須處于等待。上位機(jī)從第一分機(jī)依次查詢下位機(jī)，給巡查到的下位機(jī)發(fā)送查詢命令，詢問該單片機(jī)是否有信息要上報(bào)給上位機(jī)。被輪詢的單片機(jī)如果沒有信息要上報(bào)給上位機(jī)的話就給上位機(jī)發(fā)送無上報(bào)要求的指令，上位機(jī)接受到此指令后便輪詢下一地址的分機(jī)；若分機(jī)有數(shù)據(jù)需上報(bào)便回發(fā)一個(gè)有上報(bào)要求給主機(jī)，主機(jī)收到后便等待分機(jī)上報(bào)數(shù)據(jù)，有上報(bào)數(shù)據(jù)的分機(jī)組織好數(shù)據(jù)后上報(bào)給主機(jī)，然后等待主機(jī)的接收應(yīng)答。主機(jī)收到分機(jī)上報(bào)的數(shù)據(jù)后進(jìn)行檢查，若正確接收發(fā)正確接收應(yīng)答，否則發(fā)錯(cuò)誤接收應(yīng)答。當(dāng)接收錯(cuò)誤后，主機(jī)等待分機(jī)再次上報(bào)數(shù)據(jù)，分機(jī)收到接收錯(cuò)誤應(yīng)答后再次發(fā)送數(shù)據(jù)。
    信號傳輸中接受與發(fā)送都采用中斷方式，多機(jī)通信從機(jī)中斷服務(wù)程序如圖3所示。

5．PC機(jī)通信程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)的軟件是基于VC++6.0實(shí)現(xiàn)的,其中的重點(diǎn)和難點(diǎn)是進(jìn)行實(shí)時(shí)的串行通訊。應(yīng)用VC++編寫串行通信程序，通?？蓺w納為如下四種方法：一是利用 Windows API通信函數(shù)；二是使用Microsoft提供的Microsoft Communications Control控件（簡稱MSComm）；三是利用第三方編寫的通信類（如MuMega Technologies公司提供的Cserial類）；四是在VC++中用端口操作指令直接對串行端口編程，實(shí)現(xiàn)串行通信。本系統(tǒng)中采用的是 MSComm控件，它是通過串行端口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，為應(yīng)用程序提供串行通信功能，使用非常方便。

6．小結(jié)

本系統(tǒng)提出的通訊硬件和通訊協(xié)議已經(jīng)在實(shí)際中使用，截止目前運(yùn)行正常。這說明這種通訊方案在ＰＣ機(jī)和多臺單片機(jī)的數(shù)據(jù)通訊中快速、準(zhǔn)確、可靠的。
 
參考文獻(xiàn)：
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