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

—222—基于PIC單片機(jī)的智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)朱銳,韓其睿(天津工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,天津300160摘要:介紹了一種基于PIC單片機(jī)的智能小區(qū)監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了水表、電表、煤氣表的自動(dòng)抄表,以及火災(zāi)、煤氣泄漏、入室盜竊等安防監(jiān)控。闡述了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)以及PC機(jī)與多臺(tái)PIC單片機(jī)的串行通信方案。關(guān)鍵詞:終端控制器;PIC單片機(jī);串行通信;VC6.0DesignofSupervisoryControlSystemforIntelligentHousingEstateBasedonPICSCPZHURui,HANQirui(CollegeofComputer,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300160【Abstract】ThispaperintroducesthesupervisorycontrolsystemforintelligenthousingestatebasedonPICSCP,itcanaccomplishthefollowingfunctions:readingwater,gasandpowermeters,andgettingsecurityinformation.ItgivestheintroductiontodesignofhardwareandsoftwareandprovidesanapproachforcommunicationbetweenonepersonalcomputerandseveralPICmicrocomputers.【Keywords】Terminalcontroller;PICsinglechipprocessor(PICSCP;Serialcommunication;VC6.0計(jì)算機(jī)工程ComputerEngineering第31卷第9期Vol.31№92005年5月May2005?開發(fā)研究與設(shè)計(jì)技術(shù)?文章編號(hào):1000—3428(200509—0222—03文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A中圖分類號(hào):TP273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(duì)住戶家庭水表、電表、煤氣表的自動(dòng)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(guó)還難以推廣。為此,作者開發(fā)出一種設(shè)備簡(jiǎn)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(dòng)采集計(jì)費(fèi),具有防盜、防災(zāi)、自動(dòng)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(chǔ)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)。1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)(見圖1是由一臺(tái)PC機(jī)(上位機(jī)和多臺(tái)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(dòng)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(duì)各種報(bào)警信號(hào)作出響應(yīng),并通過有效手段向監(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(dòng)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(dòng)計(jì)數(shù);同時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)的防盜、防災(zāi)等信息,有意外事件發(fā)生時(shí)可自動(dòng)啟動(dòng)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38400bps間可設(shè)置,RS485網(wǎng)絡(luò)采用一對(duì)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)是具有有限斜率的驅(qū)動(dòng)器,即驅(qū)動(dòng)器發(fā)送數(shù)字信號(hào),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(jiǎn)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。圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2終端控制器硬件設(shè)計(jì)每個(gè)家庭安裝的終端控制器是以單片機(jī)PIC16FXX為核心的數(shù)據(jù)采集和處理裝置,電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。PIC16FXX單片機(jī)是由美國(guó)Microchip公司推出的一種新型的CMOS工藝的8位單片機(jī),具有別具特色的哈佛總線和RISC結(jié)構(gòu),以及PIC16FXX的程序存儲(chǔ)器為電可擦除閃速存儲(chǔ)器(flash,可修改程序,甚至可在線編程。PIC16F83和PIC16F84片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器除RAM外,還有64kB的EPROM,可以當(dāng)作一般的或非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用,簡(jiǎn)單方便,它還具有片內(nèi)上電復(fù)位,延時(shí)電路,看門狗電路等。終端控制器就是由作者簡(jiǎn)介:朱銳(1976—,女,碩士生,研究方向:智能控制系統(tǒng);韓其睿,教授定稿日期:2004-04-17E-mail:rui999@串行通信擴(kuò)展卡PC機(jī)RS485PIC16FXX單片機(jī)擴(kuò)展了8路信號(hào)輸入通道,通信接口電路,鍵盤,看門狗電路,LCD顯示器和EEPROM24C16等。圖2終端控制器原理為了簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu),將3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(duì)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(hào)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EEPROM24C16相應(yīng)的存儲(chǔ)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(duì)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(dòng)控制器,通過4線與單片機(jī)相連。8kB串行EEPROM24C16,用以存儲(chǔ)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。3系統(tǒng)通信通信的發(fā)起方總是從主機(jī)開始,由PC機(jī)控制通信的主動(dòng)性,單片機(jī)在通信過程中處于被動(dòng)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(tái)單片機(jī)之間能夠準(zhǔn)確、可靠的通信,確定一個(gè)明確而合理的通信協(xié)議是關(guān)鍵。包括對(duì)數(shù)據(jù)格式、通信方式、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作出統(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:起始標(biāo)志位分機(jī)地址操作命令數(shù)據(jù)長(zhǎng)度數(shù)據(jù)內(nèi)容和校驗(yàn)結(jié)束標(biāo)志位起始標(biāo)志位:1B數(shù)據(jù)長(zhǎng)度:1B分機(jī)地址:1B數(shù)據(jù)內(nèi)容:nB和檢驗(yàn):2B命令/數(shù)據(jù):1B結(jié)束標(biāo)志位:1B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),表示接收到一幀完整的數(shù)據(jù)包,然后對(duì)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)行通信。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,接收方也生成相應(yīng)的檢驗(yàn)和,如果接收方生成的檢驗(yàn)和與接收到的檢驗(yàn)和一致,則表明這次通信成功,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,則表明此次通信失敗,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(dòng)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)接收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(hào)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。圖3多機(jī)通信從機(jī)中斷服務(wù)程序4PC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)的串行通信。應(yīng)用VC++編寫串行通信程序,通?？蓺w納為如下4種方法:一是利用WindowsAPI通信函數(shù);二是使用Microsoft提供的MicrosoftCommunicationsControl控件(簡(jiǎn)稱MSComm;三是利用第三方編寫的通信LCD—223—類(如MuMegaTechnologies公司提供的Cserial類;四是在VC++中用端口操作指令直接對(duì)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。5小結(jié)本系統(tǒng)提出的通信硬件和通信協(xié)議已經(jīng)在實(shí)際中使用,截止目前運(yùn)行正常。這說明這種通信方案在PC機(jī)和多臺(tái)單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信中快速、準(zhǔn)確、可靠的。參考文獻(xiàn)1李朝青.PC機(jī)及單片機(jī)數(shù)據(jù)通訊技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,20002陽憲惠現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,19993王仲文.精通串行口通訊[M].北京:電子工業(yè)出版社,1995~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~(上接第40頁(yè)驗(yàn)證的計(jì)算過程比較復(fù)雜,目前還沒有成熟的XML文檔的鍵約束驗(yàn)證方法。我們提出了一種有效的基于Xpath和結(jié)構(gòu)驗(yàn)證的XML文檔的鍵約束驗(yàn)證方法,這種驗(yàn)證機(jī)制的輸入是待驗(yàn)證的XML文檔和一組鍵的定義,輸出是驗(yàn)證的結(jié)果。(1首先,系統(tǒng)中的DOM解析器將XML文檔解析為DOM樹。DOM樹和XML鍵成為KVD生成器的輸入?yún)?shù)。(2我們提出一個(gè)基于XPath的快速算法,從XML文檔中抽取XML鍵值并生成鍵值文檔(我們稱作KVD,KVD生成器的核心就是這個(gè)抽取算法。(3生成KVD后,結(jié)構(gòu)驗(yàn)證器將該KVD與事先定義的一個(gè)DTD(我們稱作KVD-DTD做一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)驗(yàn)證。(4可以證明,輸入的XML文檔滿足這一組鍵的定義,當(dāng)且僅當(dāng)系統(tǒng)生成的KVD滿足KVD-DTD的結(jié)構(gòu)驗(yàn)證。這樣,我們不但實(shí)現(xiàn)了XML文檔的鍵約束驗(yàn)證,而且得到了一個(gè)重要的結(jié)論:只要XML鍵可以用XPath來描述,那么XML文檔的鍵約束驗(yàn)證問題就可以通過XPath和結(jié)構(gòu)驗(yàn)證來實(shí)現(xiàn)。由于當(dāng)前XMLSchema規(guī)范中的鍵約束確實(shí)是用XPath來定義的,因此這種基于XPath和結(jié)構(gòu)驗(yàn)證的XML文檔的鍵約束驗(yàn)證方法是非常有效的。2.4與國(guó)外相關(guān)研究的比較下面就CoXML系統(tǒng)中提出的3種新的完整性約束機(jī)制與國(guó)外相關(guān)研究分別做對(duì)比分析:(1基于XML的數(shù)據(jù)交換中的函數(shù)依賴轉(zhuǎn)換方法文獻(xiàn)[1]提出了轉(zhuǎn)換XML鍵約束到關(guān)系模型的算法,即在給定XML鍵的集合、關(guān)系模式和轉(zhuǎn)換規(guī)則下,該算法可以判定關(guān)系模式上的函數(shù)依賴是否被XML鍵邏輯蘊(yùn)含。文獻(xiàn)[2]在從關(guān)系模式轉(zhuǎn)換到XML模式時(shí)僅考慮了外鍵約束產(chǎn)生的“包含依賴”的轉(zhuǎn)換問題,文獻(xiàn)[3]討論了XML數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程中的約束保持。函數(shù)依賴是關(guān)系數(shù)據(jù)模型中重要的語義約束,在數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。但是目前提出的方法和工具還沒有解決從關(guān)系模型到XML的函數(shù)依賴轉(zhuǎn)換(包括鍵的轉(zhuǎn)換問題,而基于XML的數(shù)據(jù)交換過程中迫切需要提供函數(shù)依賴的自動(dòng)轉(zhuǎn)換方法。CoXML系統(tǒng)中采用的函數(shù)依賴轉(zhuǎn)換方法,有效地實(shí)現(xiàn)了基于XML的數(shù)據(jù)交換中的函數(shù)依賴的自動(dòng)轉(zhuǎn)換方法,將關(guān)系模式中函數(shù)依賴轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的XML鍵約束,在數(shù)據(jù)集成和交換過程中保留了原有的語義約束。(2面向XMLSchema的鍵約束轉(zhuǎn)換方法目前大多數(shù)工具還不能完全支持基于XMLSchema規(guī)范的發(fā)布,尤其是XMLSchema提供對(duì)鍵約束的支持。有一些工具可以按照對(duì)XMLSchema中結(jié)構(gòu)的要求將關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)布,如XPERANTO系統(tǒng)、SilkRoute系統(tǒng)以及Oracle公司的XMLEnable和IBM公司的XMLExtender等,但是不能保證按照結(jié)構(gòu)要求發(fā)布的XML文檔滿足XMLSchema中對(duì)鍵約束的要求,原來數(shù)據(jù)庫(kù)中的各種鍵和外鍵在發(fā)布過程中丟失,系統(tǒng)不能自動(dòng)生成XMLSchema中的鍵約束。CoXML系統(tǒng)提出了一種新的XMLSchema鍵約束自動(dòng)生成技術(shù),它將關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式圖作為輸入,自動(dòng)生成為XMLSchema描述的層次關(guān)系和鍵約束。該技術(shù)解決了目前基于XML的數(shù)據(jù)發(fā)布過程中數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)鍵約束丟失的問題,并且使得生成的鍵約束滿足當(dāng)前XML文檔規(guī)范說明的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)XMLSchema,滿足了目前Internet上大量應(yīng)用系統(tǒng)基于XML數(shù)據(jù)發(fā)布的需求,具有很好的應(yīng)用前景。(3基于XPath的XML文檔鍵約束驗(yàn)證方法現(xiàn)在已經(jīng)有一些XMLSchema驗(yàn)證器聲明可以支持XMLSchema,例如MicrosoftXMLParser4.0(MSXML、XMLSchemaValidator等,但是目前并不能完全支持XMLSchema中的KEY和UNIQUE約束。例如MSXML,不支持正則表達(dá)式,而正則表達(dá)式是定義鍵的基礎(chǔ)。CoXML系統(tǒng)中提出了一種有效的基于XPath和結(jié)構(gòu)驗(yàn)證的XML文檔的鍵約束驗(yàn)證方法。不但實(shí)現(xiàn)了XML文檔的鍵約束驗(yàn)證,而且得到了一個(gè)重要的結(jié)論:只要XML鍵可以用XPath來描述,那么XML文檔的鍵約束驗(yàn)證問題就可以通過XPath和結(jié)構(gòu)驗(yàn)證來實(shí)現(xiàn)。由于當(dāng)前XMLSchema規(guī)范中的鍵約束確實(shí)是用XPath來描述的,因此這種基于XPath和結(jié)構(gòu)驗(yàn)證的XML文檔的鍵約束驗(yàn)證方法是非常有效的。3結(jié)論本文介紹了由北京大學(xué)研制的課題原型系統(tǒng)CoXML中提出的3種新的完整性約束機(jī)制和設(shè)計(jì)方法:基于XML的數(shù)據(jù)交換中的函數(shù)依賴轉(zhuǎn)換方法,面向XMLSchema的鍵約束轉(zhuǎn)換方法和基于XPath的XML文檔鍵約束驗(yàn)證方法。論文分別介紹了每種方法的關(guān)鍵技術(shù)和總體設(shè)計(jì),并分別將這3種完整性約束機(jī)制與國(guó)外相關(guān)研究做了對(duì)比分析。參考文獻(xiàn)1DavidsonS,FanW,HaraC,etal.PropagatingXMLConstraintstoRelations.IntheProceedingsofthe19thInternationalConferenceonDataEngineering(ICDE’03,Bangalore,India,2003-03:5432LeeD,ChuWW,Net&Cot:TranslatingRelationalSchemastoXMLSchemasUsingSemanticConstrains.InProceedingsoftheEleventhInternat