0 前言
針對傳統(tǒng)電鈴控制器存在施工麻煩(拉專線)、控制不靈活、定時不準、校時繁瑣、功能簡單的缺點，本作品具有以下幾個方面的特色及創(chuàng)新：
一是采用GPS 授時技術，控制時間精準，更為重要的是主機不需要調試，一勞永逸;二是考慮極端情況發(fā)送，設置了備用時間，內(nèi)置DS1302 時鐘芯片，每間隔一定時間對DS1302 進行GPS 授時，在GPS 授時不成功的前提下可以使用上一次保存在DS1302 中的時間，并給出提示，提醒操作人員檢查GPS 設備;三是GPS 與主控制器之間采用無線通信方式，且采用的是433M 的ISM 頻道，具有較強的穿墻能力，徹底消除GPS 信號盲區(qū) ;四是打鈴儀采用分布式安置方法，采用自定義協(xié)議與主機進行通信;五是分布在教學樓、實驗樓、圖書館的打鈴儀根據(jù)使用場合不同，可以自動調整鈴聲(比如圖書館需要安靜式鈴聲);六是可以點對點控制，實時控制各不同樓宇的打鈴儀是關閉或是開啟;七是分布在不同樓宇的打鈴儀可以作為盜險報警中繼路由器，檢測到危急情況時可以實時通知主機，并給出報警鈴聲;八是主機每日巡檢子機工作狀態(tài)，以確定其是否能正常工作。
1 系統(tǒng)設計方案
該系統(tǒng)實現(xiàn)如圖1 所示，由GPS 主機接收模塊(時基信號源)、主機控制器和下位機打鈴儀(子機)三個部分組成。
時基信號模塊將內(nèi)置CPU,控制GPS DEMO 電路獲取GPS 衛(wèi)星中的原子時鐘信號，將提取出的世界時間轉換成東8 區(qū)的標準北京時間，并計算出年、月、日、星期等日歷信號，并將這些信息顯示在1602 的液晶顯示器上，這些日歷時間信息通過CC1101無線模塊發(fā)送給主機控制器。時基信號模塊至于無障礙遮擋的屋外，為了方便施工，采用光太陽+ 蓄電池方式作為供電系統(tǒng)，為整個系統(tǒng)提供5V、3.3V 電源。
主控制器在整個系統(tǒng)中扮演重要角色，是整個系統(tǒng)的控制、指揮中心，一方面，它要通過無線方式從時基信號源接收時基信號，另一方面又要通過無線通信方式向所有子機發(fā)送(接收)控制(數(shù)據(jù))信息。主控制與實際信號源、主機與子機之間采用ISM 頻道的433M 無線通信方案，具有開路傳輸距離遠、穿墻能力強的特點。主機與時基信號源以及主機與子機之間的通信采用不同的通信信道實現(xiàn)，以避免頻道的沖突。
主機還在每天固定時間對每臺子機例行檢查，在一個公共頻道上依次“傳喚”每臺子機，“命令”每臺子機將自己工作狀況發(fā)送給主機。如果主機長時間接收不到自己應答或接收到錯誤數(shù)據(jù)，則提示對應子機發(fā)生故障，并給出提示，以便維護人員檢查維修。
子機電鈴控制模塊可以有多部(最多256 部)，分布在不同的位置。由于采用了無線通信的方式，所以其安裝施工變得簡單方便。主機不斷檢查日作息時間表，“到點”通過廣播信道給所有子機發(fā)出“打鈴”命令，子機收到該信號后控制電鈴動作。此外，還可以發(fā)送“屏蔽”指令，讓某些特殊位置或在特殊時期的電鈴“禁響”,即其他電鈴均響，被“禁響”的電鈴不響。
子機電鈴還可以充當“防盜中繼路由”的角色。通過無線通信方式檢測置于不同位置的傳感器信息，實時檢測盜險情況，一旦發(fā)送危急情況，立馬發(fā)出告警鈴聲，并把該信息反饋給主機控制器。
2 打鈴儀實現(xiàn)
設計的主要核心部分是軟件構架及其設計，本設計的程序由時基信號源、主機控制器、子機模塊三部分組成，部分模塊電路如圖2 所示。
2.1 時基信號源模塊
首先，利用現(xiàn)有的GPS 模塊，接收美國衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過異步串口通信與主機1 進行聯(lián)接，波特率為9600bps.主機1 在串行中斷中先把接收到的數(shù)據(jù)裝載在一個數(shù)組里。主機1 與通過NMEA-0183 協(xié)議對轉載的數(shù)組進行判斷與辨別。
先辯斷接收辨識位“$”.由于本項目只需GPS 的時間數(shù)據(jù)。所以只接收GPRMG,其內(nèi)容為$GPRMC,hhmmss.dd,s,xxmm.dddd,
由于RMC 中還含有其他數(shù)據(jù)，因此為了避免出錯，在程序上以逗號為標志位進行判斷。把時間和日期分別提取出來裝載在新數(shù)組A 里。由于接收到的時間是0 時區(qū)的時間，所以在程序對其進行加8 的處理。
其次 把處理好的數(shù)據(jù)的通過cc1100(采用433HZ,信道為0 發(fā)送給主機2 并顯示在1602 液晶上。由于考慮天氣等其他可能干擾到GPS 接收的因素，本系統(tǒng)在主機1 上還加上了DS1302 備用時鐘芯片進行計時，以保證時間系統(tǒng)不至于“癱瘓”.
利用GPS 收到的時間對DS1302 時鐘芯片進行同步更新。這樣就實現(xiàn)在無信號時可采用DS1302 時間作為臨時時間發(fā)送給主機2. 并且為了方便主機2 區(qū)分接收到的時間是哪一種的，在主機1 發(fā)送是采用自制協(xié)議，便于主機控制器進行分辨和操作人員維護。
2.2 主機控制器模塊
主機控制器先守候在與信號源相同的頻率和信道(CH1 授時信道)上。時基信號源一有信號來就根據(jù)自制的協(xié)議進行判斷數(shù) 據(jù)來源，并點亮相應的指示燈，以判斷接收的時間是GPS 授時還是DS1302 授時。提取數(shù)據(jù)后還要判斷季節(jié)，如果是5 ~10 月之間的月份，啟用夏季打鈴時間系統(tǒng)，否則啟動冬季打鈴系統(tǒng)。如果所接收的數(shù)據(jù)位1 為特殊標識的話，則進入緊急狀態(tài)，主機程序工作流程如圖3 所示。
夏季作息打鈴時間：對接收到的時間進行判斷，如果符合打鈴時間，則馬上切換通信信道(CH3 打鈴信道)，利用CC1101 向各子機發(fā)送打鈴控制信號，子機收到后打鈴。通信結束后重新切換到CH1 信道(信道)。冬季作息打鈴時間：除了預示打鈴時間外 其他都與夏季一樣。
2.3 系統(tǒng)自檢
為了保證主機與子機的正常通信，主機2 每天12 點01 分準時發(fā)送信檢查信號，工作過程如下：
切換到信道3(CH3)，發(fā)送包含主機ID 信息的協(xié)議包給所有子機，延時等待子機1 應答信號，子機接收到協(xié)議包后判斷ID 號是否有效，有效則向主機返回應答，否則丟棄。如果主機長時間沒有接收到應答信號，對應I/O 口輸出低電平，指示對應子機發(fā)生故障，繼續(xù)呼叫下一臺子機，直到所有子機檢測完畢為止。檢測結束后切換信道0(CH0)，繼續(xù)接收時基授時信號。
子機1 守候在03 信道，等待信號。接收到信號后判斷信號，是打鈴還是檢測。如果為打鈴則對應的io 口為高電平。繼電器導通打鈴，延時15 秒后 重設為低電平。如果為檢測信號則發(fā)送應答信號。
2.4 報警功能
如果有報警按鍵按下去，則停下子機工作，子機切換到CH3信道向主機發(fā)送報警信號，并打鈴，直到警報解除。如果外接有無線傳感器，子機通過CH5 信道巡檢各傳感器。
整個系統(tǒng)的通信過程如圖4 所示。
2.5 通信協(xié)議
各模塊之間通信采用簡單的協(xié)議包完成，根據(jù)具體情況不同，每個協(xié)議的字節(jié)數(shù)不同，具體如下：
(1)授時包(主機接收時基信號源)
授時包由8 個字節(jié)組成，每個字節(jié)定義為：0B :標識符，恒為AAH ;1B :年;2B :月;3B :日;4B :時;5B :分;6B :秒;7B :星期。
(2)打鈴控制包(子機接收)
打鈴控制包為6 個字節(jié)，0B :命令字，不同的命令代表不同動作;1B :ID 號，存放子機的ID 地址;2B :鈴聲的類型;3B :
禁聲與否，00H 為禁聲，01H 為正常;4B :保留;5B :保留。
(3)巡檢包(子機接收)
巡檢控制包為3 個字節(jié)，0B :命令字，不同的命令代表不同動作。
1B :ID 號，存放子機1 的ID 地址。2B :動作指令。
(4)子機應答包(子機發(fā)送)
巡檢控制包為3 個字節(jié)，0B :命令字，不同的命令代表不同動作;1B :ID 號，存放子機2 的ID 地址;2B :動作指令。
(5)報警信號包(子機發(fā)送)
巡檢控制包為2 個字節(jié)，0B :命令字，不同的命令代表不同動作;1B :ID 號，存放子機1. 的ID 地址。
(6)傳感器巡檢包(子機接收)
巡檢控制包為2 個字節(jié)，0B :命令字，不同的命令代表不同動作;1B :ID 號，存放子機2. 的ID 地址;2B :傳感器型號;3B :傳感器動作3 作品性能測試與分析
3.1 系統(tǒng)測試方案
方案一：在實驗室內(nèi)對幾個模塊的性能進行測試，觀察各模塊的工作情況，及各主要元件工作穩(wěn)定性能。
方案二：在學校內(nèi)對幾個模塊進行分開測試，觀察各模塊的運行情況及數(shù)據(jù)傳輸執(zhí)行情況。
3.2 測試設備
頻譜分析儀(AT6010+/AT6011+);數(shù)字式萬用表(DT9605A);模擬式萬用表(MF-47);標準時間(IBM 電腦)。
3.3 測試數(shù)據(jù)
3.4 結果分析
通過我們的多次測試，從各種數(shù)據(jù)反映。本系統(tǒng)性能穩(wěn)定，存在誤差小，可以很好的完成時間的收發(fā)及相應的處理，對設置好的打鈴時間系統(tǒng)能夠準確的做出相應的應答，達到預期設計要求。因電源在測試過程的中電壓都可以長期穩(wěn)定在上述的測試值，電源的安全性能也是比較可靠。由于我們使用的GPS 模塊是第二代，固其在室內(nèi)的接收性能方面不是很理想，有接收失敗的情況發(fā)生;但我們的設計GPS 相關的模塊是安裝在室外的，固其存在的這一缺陷就不需要做太多的考慮了。
CC1100 無線模塊的收發(fā)距離在隔有障礙物時的收發(fā)距離只有150 米左右，空曠場合也只有200 米左右，固是限制其發(fā)展的主要問題之一，在一些范圍較大的場合將是本產(chǎn)品的劣勢，但我們可以做多種設置，在不同場合使用傳輸距離相應的無線模塊就可以解決該問題。
4 結束語
電路的安裝和操作比較簡單，因主機1 采用太陽能供電，固可以將主機1 模塊安裝固定在樓頂?shù)扔嘘柟獾牡胤骄涂梢哉Ｊ褂昧?，注意要對模塊進行保護(太陽能接收板除外)，盡量把其安裝在干燥陰涼的地方。
主機2 可以安裝在有人值班的值班室，接220V 市電就可正常工作，因其配備了各模塊的工作指示燈，可以很方便的從指示燈的工作情況判斷出各模塊的工作情況，有利于在出現(xiàn)問題時得到快速準確解決。
而打鈴儀的安裝也比較簡單，只要找一個可以接220V 市電的地方將控制模塊與電鈴固定好就可以了，且其具備了一下載口，用專門的下載軟件(使用時要斷開220V 電源)，可以隨時對打鈴的情況進行設置，且電鈴設有專門的接口，在電鈴損害時可以方便的進行更換。
注意打鈴儀要安裝在周圍空氣中無易燃性、腐蝕性氣體、導電性塵埃、無顯著搖動和沖擊振動的環(huán)境中使用。
本設計通過合理選用元件及優(yōu)化的軟硬件設計，使我們的設計具有低功耗、低成本、便攜式、高精度的特點。且本設計也據(jù)有較大的升級空間，可以從軟硬件等多個方面入手進行升級與優(yōu)化，應用范圍廣，有較好的市場前景。
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