楼宇电子巡更系统.docx
《楼宇电子巡更系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《楼宇电子巡更系统.docx（34页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
楼宇电子巡更系统
楼宇电子巡查系统—硬件设计
摘要
目前，在日常生活中随处可见巡查人员对特定的区域、楼宇、设备和货物进行定期或不定期的安全巡查管理。
一般的巡查管理制度既难核实路线、时间，又难避免补签或一次多签等等作弊行为，一旦出现问题，管理层很难判明责任。
针对这一情况，本文中论述了可真实记录巡查员执行任务时的真实情况的电子巡查系统。
电子巡查是对人工巡查过程进行监督的十分有效的方法。
本文设计的楼宇电子巡查系统是一种采用DS1990A信息钮和1-wire总线技术，可利用USB传输数据的电子巡查系统。
而且巡查系统本身具有LCD显示和照明功能，可以方便巡检人员夜间巡检。
本系统具有高安全性、高精度、耐低温的特点。
关键词
楼宇电子巡查系统；DS1990A信息钮；LCD显示；实时时钟
目录
摘要I
AbstractII
目录i
1绪论
（1）
1.1课题背景
（1）
1.2研究意义
（1）
1.3国内外相关领域的研究现状
（1）
1.4研究内容
（2）
1.5论文结构
（2）
1.6本章小结（3）
2系统硬件设计（4）
2.1提出方案（4）
2.2方案分析以及确定（4）
2.3系统组成（5）
2.4系统功能描述（6）
2.5C8051F320单片机简介（6）
2.6DS1990A信息钮模块（10）
2.6.1DS1990A信息钮的介绍（10）
2.6.2DS1990A信息钮的接口电路（11）
2.8SD35TR液晶显示模块（16）
2.8.1SD35TR液晶显示模块介绍（16）
2.8.2SD35TR液晶显示模块接口电路（18）
2.9外部时钟芯片模块（19）
2.9.1外部时钟芯片介绍（19）
2.9.2外部时钟芯片串行接口（22）
2.9.3PCF8563实时时钟一般应用（22）
2.9.4PCF8563实时时钟接线（23）
2.10本章小结（23）
3其他外围电路设计（24）
3.1电源电路（24）
3.2外扩存储器电路（24）
3.3蜂鸣器电路（25）
3.4电池电压采集电路（25）
3.5照明电路（25）
3.6本章小结（26）
4调试（27）
4.1硬件调试（27）
4.2本章小结（28）
参考文献（29）
致谢（30）
1绪论
电子设备巡逻系统是实现监督管理巡逻人员是否按规定路线，在规定的时间内，巡逻了规定的数量的巡逻地点的最有效的、最科学的、技防与人防相协调一致的系统；其主要特点可助提高巡逻工作人员的责任心、积极性，及时消除隐患，防患于未然。
电子巡逻系统是安全防范技术体系中的一个重要组成部分，是一种先进的综合性管理体系，它要求巡逻人员及时准确地到位，同时它又把巡逻人员巡逻的全部或部分情况记录下来，并为日后对某些突发事件的处理提供了方便的条件及重要的依据。
电子巡逻系统要求巡逻人员及时准确的到位。
因为只有人员的及时准确到位，才可以对损坏及破坏行为进行快速反应，同时对破坏分子也有强大的心理威慑作用；而人员的及时准确到位又能及时发现隐患，预防破坏，减少事故，所以它是对社区治安进行巡逻的一个很重要的预防手段。
由此通过对社区进行定期的巡逻以保证社区的正常运行显得尤为重要。
“电子巡查系统”的应用，极大地调动了工作人员的工作积极性。
发挥“电子督察”的作用，将维护工作置于现代科学技术的监督之下，通过科学、严格、有效的考核，彻底改变了“巡与不巡一个样，巡多巡少一个样，巡与不巡没人知道”的被动局面，激发工作人员的工作自觉性和主动性，确保各项安全工作切实落到实处。
1.1课题背景
随着人们安全意识的逐步提高，对智能楼宇、小区的物业管理规范化要求也越来越科学化、数据化。
过去各种安全事故多与岗位工作人员玩忽职守、思想麻痹存在侥幸心里分不开。
智能巡查管理系统是一种对巡逻、检查人员进行科学化、规范化管理的全新技术，针对楼宇、小区环境的特殊性、复杂性等众多因素。
使物业小区管理更加规范化，更具积极性。
有助提高巡逻、维护等工作人员的责任心，消除隐患，防患于未然。
它能够非常有效、完善的监督保安人员巡逻、巡检、检测人员的工作情况，而不让他们有漏洞可钻，最终提高工作质量，减少安全事故的发生。
该系统为在线式电子巡检系统。
根据需要将信息钮安装在需要巡逻的线路或设备上，对该地点进行巡查的同时，用巡查器触碰安装在代表该地点的信息钮，巡检器将记录下信息钮的代码及触碰信息钮的时间。
此记录将成为保安何时到达该地巡查的依据。
管理人员通过PC机可清晰看到保安巡逻过的设备和线路，并提出漏检、误点信息，通过管理软件统计巡检的正点率、误点率、漏检次数等功能
1.2研究意义
随着社会经济的发展，安全成为当前社会的首要工作，为了增强工作人员的责任心，加强管理，有必要推出电子智能巡查管理系统。
在需要巡查的地点安置信息钮，它储存地理位置的信息，巡查人员配备身份识别钮，它储存巡查人员的身份信息；巡查人员用巡查棒先碰触身份钮，再至各巡查点碰触地点信息钮，巡查棒就自动生成包括人员、地点、时间的巡查记录，然后将巡查棒插入通讯座，只需数秒时间，便可将巡查记录输入计算机内，并按要求生成巡查报表。
巡查报表能真实准确地反映巡查情况：
有无漏查，是否按时巡查，是否按规定路线巡查等。
电子巡查系统是实现这种监督管理最有效最科学的工具。
“电子智能巡查”系统能有效地监督和管理巡逻情况，可准确记录巡逻人员的巡逻时间、次数及线路，且具有无需布线、操作简单和针对性强的特性，对监督、规范工作人员工作行为有重要意义。
目前对社区的巡逻工作普遍采用早期的人员鉴到或领导抽查等较为传统的记录方式。
随着时代的发展，它的弊端也越来越明显地表现出来。
这种巡逻方法可靠性差，效率低，真实性不足，容易作弊，管理者不容易准确掌握巡逻人员的工作状况。
1.3国内外相关领域的研究现状
电子巡查技术起源于美国，是对巡逻人员的巡查工作进行科学化、规范化管理的全新技术。
巡查（Guardtoursvstem）是技术防范与人工防范的结合，巡查系统的作用是使值班人员能够按照预先随机设定的路线顺序地对各巡查点进行巡视，同时也作为记录巡视人员考勤的一种手段。
巡检（Pol1ingsystem）是在巡查的基础上添加现代智能化技术，便于管理者实现对巡检地点、人员、事件的管理。
20世纪90年代初国际上出现了电子巡查技术，随着感应技术的日益成熟，又出现了非接触感应式电子巡查产品等。
国内外已经出现类似产品不超过20种，国内一些电子智能巡查系统产品已通过国家“双软认证”，具有国际领先水平，不仅畅销甚至垄断国内市场，远销欧美发达国家，许多世界知名企业（如：
通用、波音、雷诺、罗易斯罗尔斯等），甚至美国军方都在使用；感应式电子巡检系统所采用的专业技术处于国际领先水平，已列入《国家科技成果重点推广计划》项目。
电子巡查巡检系统分在线式和离线式两大类。
早期的巡查系统是在线式的。
它的优点:
一是巡查员只需携带卡或信息钮，比较轻便二是信息可以及时上传，防止丢失，且数据汇总比较方便；三是人们在控制中心电脑上可以及时看到巡查人员巡逻情况。
如在巡查员发生意外，没有读卡时，中心可快速核查，处理突发事件。
由于在线式巡查系统可以实现时控制，因此，在一些对巡查系统要求特别严格或巡查工作有一定危险的地方，都较适合使用在线式巡查系统。
但是，它有很多缺点:
由于用户在每一个巡查点上必须安装一台巡查机，必须供电、联网，在一定的范围内进行综合布线，施工量大，整体费用必然昂贵；容易受到温度、湿度、布线范围的影响，安装维护也比较麻烦；对于己经装修好的建筑而言，要重新进行配置也显得较为困难；室外安装的传输线路也容易遭受人为的破坏；主要是受当时人们对巡查系统设计思想的认识局限和技术的限制，不能低成本地解决巡查机低功耗、微型化、大容量存储的难题。
因此，在线式电子巡查机很难推广和普及。
随着巡查系统设计思想的成熟和技术的发展，人们开发了离线式巡查系统克服了在线式巡查系统的缺陷，即价格昂贵和安装维护困难等特点。
而这种巡查系统更易于携带，无需布线，安装简单，不受温度、湿度的影响，不易被破坏，并且系统扩容和线路变更的实现更为容易，很受市场欢迎。
它利用信息钮技术，通过巡查机（巡查棒）与信息钮的接触读取信息。
其工作程序是在巡查点上安装信息扭，巡查人员巡逻时，手持巡查机（巡查棒）到各点，在信息扭上触碰一下，巡查机便读取信息扭数据。
技术含量低，成本低廉，功耗极低，易于小型化，使巡查机设计非常简单，迅速走向成熟。
普遍采用金属壳体，防水设计，适合保安巡检使用。
由于技术含量和成本较低，因此价格比较低廉。
但是其存在致命缺陷:
一是巡查机（巡查棒）与信息钮必须非常准确地接触才能读取信息，操作起来很不方便，尤其在晚上，光线不好，不易找准；二是信息钮必须与巡查机接触，必然是外露的，这样易被破坏；三是外露信息钮易受污染。
1.4研究内容
本课题要求系统具有采集，上报和照明功能。
本系统采集方面主要为到岗信息的采集。
到岗信息采集采用美信公司的DS1990A信息钮，其传输信号基于1-wire总线方式。
在上报传输方面，采用通用串行总线USB方式。
在照明方面，采用耐低温，大容量，低自耗的功率管，使用大容量锂电池供电。
一次连续工作时间长达24小时。
亮度方面相当于一个装有两节1号电池的普通手电筒亮度。
本文的主要研究内容是：
电子巡查系统的硬件设计和系统的低功耗实现。
1.5论文结构
本文通过四部分对楼宇电子巡查系统的设计进行了叙述：
1绪论，介绍了课题背景、研究意义、国内外相关领域的研究现状和研究内容；2方案的分析和确定和主要电路的设计；3其他一些外围电路的设计，说明了系统硬件电路的具体设计方法；4调试，具体介绍了系统的整个硬件的调试过程。
1.6本章小结
本章主要对课题的研究背景、研究意义、国内外相关领域的研究现状、研究内容以及本论文的结构做出了简要的说明
2系统硬件设计
2.1提出方案
本套方案主要包括C8051F320单片机、iButton信息钮、液晶显示模块、USB接口、实时时钟、照明电路、电池容量检查电路、液晶显示。
本系统的主要特点是，注重巡检的质量，所以许多模块都采用了比较成熟的技术。
工作时，iButton信息钮被固定到巡查点，信息钮里面存有唯一的64位注册码，可以做为巡检点的号码。
巡检人员在拿着巡检仪进行巡逻时，每到一个巡检点，只要用巡检仪上的信息采集探头接触信息钮就可以按下信息采集键读入信息钮里的注册码。
当需要向管理中心汇报巡检情况时，可将巡检仪通过USB接口连接到控制中心PC机并上传数据。
控制中心的管理人员可以决定是否对信息进行打印或者进行其他的操作。
在实时时钟方面，本系统采用高精度、超低功耗的时钟芯片，年误差不到2秒，一节50mA的纽扣锂电池可使用5年以上，在第一次写入时间后就不需要再修正。
巡检仪还带有功率管照明电路，方便巡检人员在夜间巡检。
巡查系统管理系统的示意图
巡查系统硬件及网络拓扑图
2.2方案分析以及确定
在信息采集方面：
方案中采用传统的iButton信息钮，其优点是纽扣外形、不锈钢材料，结实耐用，能适应各种环境，读信息注册码不会出错，非常适合在铁路的恶略环境下长寿命的工作。
但是一个最大的缺点就是接触式采集信息，操作不方便。
在巡检信息汇报方面：
方案中采用USB汇报，优点是数据传输不会受环境影响，而且接口方便，操作容易。
最重要的一点是成本低，适合于大批量生产推广。
缺点是汇报要在巡检人员巡检回来后才能执行，信息不能及时的得到处理。
然而，现在列车提速，列车在车站内停留的时间就有所增加，可以对这个缺点进行一定程度的弥补。
在显示、实时时钟和电池电量检测方面：
各个部分及功能都是巡查系统所不可缺少的。
在方案中还涉及到了时钟的修改以及修改权限。
因为只有管理人员才可以修改时钟。
但是管理人员毕竟比巡查人员少的多，时钟修正就会花费管理人员大量的工作时间，对他们真正的管理工作就会带来严重的影响。
因为实时时钟采用高精度、超低功耗芯片，年误差不足2秒，而且仅用一节50mA纽扣锂电池就可以使用5年以上，完全没有修正时间的必要。
在额外功能方面：
巡查系统具有打印接口，是在控制中心的PC机上进行打印，是集中打印，省去了不必要的批量打印接口，即节省了成本又减小了巡查系统的体积和功耗。
而且它的额外功能是照明，考虑到了巡查人员的夜间工作，虽然功能小但非常实用。
不过最大的问题就是照明的功耗，然而方案中采用功率管做照明，就很好的解决了这一问题，即做到了高亮度又做到了低功耗。
综上所述，本系统虽然有一定的缺点，但是总体上来说还是可以具体实施的，并且可以运用到实际中，最终就确定了本方案。
2.3系统组成
为了判断列检人员是否到达指定的地点进行安全巡检,本系统设计利用i-Button信息钮作为外部信息载体,与PCF8563高精度时钟器件相配合,实现巡检地点（用不同的注册码代替）和时间的准确记录,并利用液晶显示模块显示时间和注册码;为了便于巡检人员夜间工作,本巡检仪还具有高亮度的LED照明功能,一次连续工作时间长达24小时。
并留有USB接口,方便与PC机数据转储,以备日后数据处理、查询。
根据巡查系统的功能设计了系统结构框图,如下图2.1所示。
主要包括主电路、信息采集、液晶显示和照明电路等模块。
图2.1楼宇巡检仪的硬件
2.4系统功能描述
DS1990A信息钮被固定在巡查点，信息钮里面存储了国际唯一的64位光刻ROM注册号，作为一个巡检点号。
巡检人员在拿着巡检仪进行巡逻时，每到一个巡逻点就读入信息钮里面的注册号，然后将采集的数据和采集时间存储在巡检仪的ROM当中。
当要向控制中心汇报巡检情况时，只要将USB接口连接到控制中心的PC机上，就可以将巡检仪中的巡检信息上传给控制中心。
管理人员可以通过对控制中心PC机上所有巡检信息进行汇总，比较有无漏检；还可以对信息进行存档、打印等操作。
当在夜间巡检时，本系统还具有功率管照明功能，至少可持续工作24小时。
方便巡检人员在夜间巡逻。
大容量锂电池方面，本系统设有电池电压检测和USB充电功能。
当电池电压过低时，系统将进行充电报警。
工作人员可将巡检仪连接到PC机的USB接口上，利用USB给电池充电。
2.5C8051F320单片机简介
C8051F320器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU。
下面列出了一些主要特性。
·高速、流水线结构的8051兼容的微控制器内核（可达25MIPS）
·全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）
·通用串行总线（USB）功能控制器，有8个灵活的端点管道，集成收发和1KFIFORAM
·电源稳压器（5V至3V）
·真正10位200ksps的17通道单端/差分ADC，带模拟多路器
·片内电压基准和温度传感器
·片内电压比较器（两个）
·高精度可编程的12MHz内部振荡器和4倍时钟乘法器
·16KB可在系统编程的FLASH存储器
·2304字节片内RAM（256+1K+1KUSBFIFO）
·硬件实现的SMBus/I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口
·4个通用的16位定时器
·具有5个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA）
·片内上电复位、VDD监视器和时钟丢失检测器
·25个端口I/O（容许5V输入）
端口I/O和/RST引脚都容许5V的输入信号电压。
C8051F320采用32脚LQFP封装或28脚MLP封装。
C8051F320的原理框图如下图2.2所示。
图2.2C8051F320原理框图
C8051F320系列器件使用SiliconLabs的专利CIP-51微控制器内核。
CIP-51与MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。
CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件，包括4个16位计数器/定时器、一个具有增强波特率配置的全双工UART、一个增强型SPI端口、2304字节内部RAM、128字节特殊功能寄存器（SFR）地址空间及25/21个I/O引脚。
CIP-51采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。
在一个标准的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期，最大系统时钟频率为12-24MHz。
而对于CIP-51内核，70%的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。
CIP-51共有111条指令。
下面列出了指令条数与执行时所需的系统时钟周期数的关系。
如下表2.1所示。
表2.1指令条数与执行时所需的系统时钟周期数的关系。
执行周期数
1
2
2/3
3
3/4
4
4/5
5
8
指令数
26
50
5
16
7
3
1
2
1
具有片内上电复位、VDD监视器、电压调整器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F320/1是真正能独立工作的片上系统。
FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。
用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。
片内SiliconLabs二线（C2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。
调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。
在使用C2进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。
两个C2接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。
每种器件都可在工业温度范围（-45℃到+85℃）内用2.7V-3.6V的电压工作。
端口I/O和/RST引脚都容许5V的输入信号电压。
扩展的中断系统向CIP-51提供16个中断源（标准8051只有7个中断源），允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。
一个中断驱动的系统需要较少的MCU干预，因而有更高的执行效率。
在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。
C8051F320有多达9个复位源：
上电复位电路（POR）、片内VDD监视器（当电源电压低于VRST时强制复位）、USB控制器（USB总线复位或VBUS状态变化）、看门狗定时器、时钟丢失检测器、由比较器0提供的电压检测器、软件强制复位、外部复位输入引脚和FLASH读/写错误保护电路复位。
除了POR、复位输入引脚及FLASH操作错误这三个复位源之外，其他复位源都可以被软件禁止。
在一次上电复位之后的MCU初始化期间，WDT可以被永久性使能。
C8051F320器件的内部振荡器在出厂时已经被校准为12MHz±1.5%，该振荡器的周期可以由用户以大约0.25%的增量编程。
时钟恢复电路允许内部振荡器与4倍时钟乘法器配合，提供全速方式USB时钟源。
内部振荡器还被用作低速方式下的USB时钟源。
外部振荡器也可以与4倍时钟乘法器配合使用。
器件内集成了外部振荡器驱动电路，允许使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部CMOS时钟源产生系统时钟。
系统时钟可以被配置为使用内部振荡器、外部振荡器或时钟乘法器输出二分频。
如果需要，可以在CPU运行时切换振荡源。
外部振荡器在低功耗系统中是非常有用的，它允许MCU从一个低频率（节电）外部时钟源运行，当需要时再周期性地切换到高速的内部振荡器。
C8051F320的片内时钟和复位电路如图2.3所示。
图2.3C8051F320片内时钟和复位电路
CIP-51有标准8051的程序和数据地址配置。
它包括256字节的数据RAM，其中高128字节为双映射。
用间接寻址访问通用RAM的高128字节，用直接寻址访问128字节的SFR地址空间。
数据RAM的低128字节可用直接或间接寻址方式访问。
前32个字节为4个通用寄存器区，接下来的16字节既可以按字节寻址也可以按位寻址。
程序存储器包含16KB的FLASH。
该存储器以512字节为一个扇区，可以在系统编程，且不需特别的编程电压。
系统的存储器结构图如下图2.4所示。
图2.4系统的存储器结构。
2.6DS1990A信息钮模块
2.6.1DS1990A信息钮的介绍
DS1990A信息钮是一种坚固的数据载体，通过1-Wire总线协议传输，只需要一条信号线和一个地回路。
内部包含工厂刻入的国际唯一64位注册码。
坚固不锈钢外壳，可防尘、防潮、防震。
纽扣型外壳，方便与杯型探头接触。
DS1990A从I/O总线获取所需的能量，如寄生电源,ROM功能控制单元包括1-Wire接口和逻辑电路，用于实现ROM功能命令，访问64位光刻ROM,其具体工作过程如下：
1-Wire总线上所有的传输操作均由初始化序列开始，初始化序列由主机发出的复位脉冲和DS1990A发出的在线应答脉冲组成。
在线应答脉冲使主机检测到DS1990A在总线上，并且已经准备就绪一旦主机检测到应答脉冲，就可以发出DS1990A支持的ROM功能命令。
此命令允许总线主机读取DS1990A的8位家族码、唯一的48位序列码和8位CRC校验码。
其原理框图如下图2.5所示。
图2.5ibutton信息钮原理框图
在本系统中工作时，DS1990A信息钮作为1-Wire的从器件，先接受主器件发送的复位脉冲，当接收成功时，DS1990A信息钮发出应答脉冲，主器件检测到应答脉冲时，DS1990A信息钮的初始化工作就完成了。
初始化完成以后，主器件就可以通过1-Wire总线向DS1990A信息钮发送读ROM命令，当DS1990A信息钮检测到1-Wire总线上的读命令并确认时，就将它内部的64位注册码依次发送到1-Wire总线上，同时主器件也检测接收1-Wire总线上的数据，完成64位注册码的传输。
2.6.2DS1990A信息钮的接口电路
本系统中DS1990A信息钮采集包括三部分：
DS1990A信息钮、DS9092信息钮读取探头和C8051F320单片机。
DS1990A信息钮为纽扣外形，分两部分作为信号连接，中心为1-Wire总线的I/O连接，周围为信号地连接。
DS9092读取探头根据DS1990A信息钮外形设计为杯状，中心为1-Wire总线的I/O连接，周围为信号地连接，并可将信息钮包含，实现充分接触。
DS9092背后引出两根连线，一根为1-Wire总线的I/O连接到C8051F320单片机P2.1口，另外一根为信号地。
由于1-Wire总线为上拉传输，故在C8051F320的P2.1口外连接了1K的上拉电阻到3.3V电源。
另一方面，信息采集是通过一个低电平按键中断来启动的，故在C8051F320的P0.6口上拉一个4.7K电阻后再通过按键接地，作为信息采集中断。
DS1990A信息钮连线图如下图2.6所示。
图2.6DS1990A信息钮连线图
DS1990A信息钮电气特性如下表2.2所示。
表2.2DS1990A信息钮电气特性（Vpup=2.8V~6.0V,TA=-40℃~+85℃）
参数
符号
数值
单位
最小值
典型值
最大值
1-Wire上拉电阻
RPUP
0.6
-
5
KΩ
输入负载电流
IL
-
0.25
-
uA
输入高电平电压
VIL
-
-
0.8
V
输入低电平电压
VIH
2.2
-
-
V
输出低电平电压
VOL
-
-
0.4
V
输出高电平电压
VOH
-
Vpup
-
V
回复时间
tREC
1
-
-
uS
存储温度
TS
-55
-
+125
℃
2.7SD35TR液晶显示模块
2.
升级会员 