當(dāng)前，作為航空運輸重要基礎(chǔ)設(shè)施的機場不僅僅是航空運輸?shù)钠瘘c和終點，更是現(xiàn)代城市重要的交通樞紐。安全是民航發(fā)展的基石，也是民航一切工作的基礎(chǔ)。伴隨智能視頻分析技術(shù)逐漸在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，視頻感知也逐漸成為物聯(lián)網(wǎng)最重要的應(yīng)用。配合傳統(tǒng)的報警、門禁系統(tǒng)的應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)安防應(yīng)用在機場建設(shè)中的作用越來越明顯，提高了機場的服務(wù)水平^[1-2]。

國內(nèi)機場安檢部門在運營當(dāng)中對于安檢門使用的功能過于單一，如能對安檢門遠程控制并將檢測數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計分析，可以大大提高管理效率。傳統(tǒng)的工業(yè)控制常采用有線傳輸系統(tǒng)，這種方式需要在現(xiàn)場布置大量的導(dǎo)線和電纜，安裝、拆除復(fù)雜、靈活性差^[3]。在機場環(huán)境下不允許如此復(fù)雜的設(shè)施鋪設(shè)，需要盡可能簡單的硬件結(jié)構(gòu)實現(xiàn)功能要求。采用無線通訊的方式能夠省去有線電纜的鋪設(shè)，簡化硬件組成，提高可行性。目前在無線通訊方式中采用點對點的通信是最方便、快捷的，由于不同的公司在通訊中采用的標(biāo)準(zhǔn)各不相同，產(chǎn)品之間的通訊常常不能兼通^[4]。為了實現(xiàn)無線的遠程控制方式，同時滿足工業(yè)現(xiàn)場的總線標(biāo)準(zhǔn)，本文將工業(yè)控制中的Modbus協(xié)議經(jīng)過改進與無線通訊技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)上位控制機按Modbus改進協(xié)議與下位信號采集處理模塊的信息無線交互，同時在上位機使用Labview虛擬儀器軟件制作人機對話窗口，形成一套功能完整的遠程控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

針對機場中安檢門的位置是固定不變的，各通道之間的距離不長的特點，系統(tǒng)選用距離在200m左右的無線通信方式即可以滿足要求。常用的短距離無線通訊方式有兩種：IrDA(infrareddataassociation)紅外技術(shù)、藍牙技術(shù)和工作于ISM(industrialscientificmedical)頻段的射頻技術(shù)(RF)技術(shù)^[5]。紅外技術(shù)存在方向性強、不能有遮蓋物、通信距離短、缺點；與普通RF技術(shù)比，藍牙和HomeRF技術(shù)復(fù)雜度高，軟硬件設(shè)計及其協(xié)議編程容易出錯。因此系統(tǒng)選擇了挪威NORDIC公司的nRF905無線芯片，其具有低功耗、低成本、可配置、設(shè)計編程簡單、開發(fā)時間較短等優(yōu)點。

系統(tǒng)主要由主控PC機及若干個安檢門分機采集模塊組成，系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示，本文以基于RF技術(shù)的nRF905無線通信板作為安檢門分機設(shè)備與上位控制機信息交互的連接點，nRF905無線通訊板可經(jīng)過MAX232轉(zhuǎn)化后與PC機直接串行通訊，通訊協(xié)議采用改進的Modbus協(xié)議作為標(biāo)準(zhǔn)。上位機利用Labview內(nèi)嵌的WebServer功能，將包含安檢門狀態(tài)、通過人數(shù)及報警次數(shù)等信息的交互界面發(fā)布到局域網(wǎng)Web上，局域網(wǎng)內(nèi)的各客戶端在Web網(wǎng)頁上向本地主機請求控制安檢門的操作，實現(xiàn)對安檢門的遠程監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件原理設(shè)計

2.1 nRF905無線通訊電路

nRF905無線收發(fā)器能工作在433/868/915MHz共3個頻道下，各頻道之間的轉(zhuǎn)換時間僅需要650μs；同時具有512個通訊頻道，滿足多點通訊、分組及跳頻等應(yīng)用需求；使用無增益的天線，傳輸距離即可達到200m的傳輸距離，可改裝為帶增益的天線，傳輸距離高達1km，滿足不同用戶的需求；最高支持50kpbs傳輸速率，足以滿足設(shè)計需求；驅(qū)動電路由3部分組成，TRX_CE、PWR及TX_EN構(gòu)成了模式接口，用來定義通訊電路的工作模式；SCK、MISO、MOSI及CSN構(gòu)成SPI接口，用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)的設(shè)置和控制；AM、CD及DR構(gòu)成了狀態(tài)接口，用來檢測信號輸出。無線通訊板的接口原理電路如圖2所示，使用STC11L04E作為nRF905模塊的控制單元，P1口和P3口用來驅(qū)動nRF905芯片所需要的驅(qū)動信號，其小體積的特點能夠使通訊板集成在很小的電路板上。系統(tǒng)為拓展該通訊板的使用功能，采用STC11L04E單獨驅(qū)動nRF905的方式，不進行其它外圍電路控制，需要發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)通過串行Rxd和Txd引口外設(shè)得到，因此該通訊板可以在其它系統(tǒng)中通用，只需將Rxd和Txd接到其它控制器上，就能夠發(fā)送控制器中需要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，提高了該通訊板的多用性。

2.2 信號采集調(diào)理電路

該電路部分的主要功能用來對安檢門的狀態(tài)信號、通往人數(shù)及報警信號的采集，并通過串行數(shù)據(jù)口Txd發(fā)送到nRF905通信板；同時經(jīng)Rxd接收通過無線通信板接收到的上位機的命令報文做出相應(yīng)的動作。電路原理如圖3所示。采集調(diào)理電路以STC89C52RC單片機作為控制芯片，采用中斷觸發(fā)的方式用來采集紅外對射管信號的變化，在單片機內(nèi)部完成信號的計數(shù)和存儲，其數(shù)值即為通過人數(shù)；在不破換安檢門原有電路的基礎(chǔ)上，將蜂鳴器信號經(jīng)過CD40106是施密特觸發(fā)器整形為標(biāo)準(zhǔn)的矩形信號，然后通過74HC121組成的單穩(wěn)觸發(fā)器電路，設(shè)置延時時間為2s，用來實現(xiàn)對報警信號的計數(shù)；由于安檢門的電源是交流220V供電方式，因此需要采用低壓控制高壓的方法，系統(tǒng)選用SSR05DA固態(tài)繼電器，控制電壓為3~24V直流電壓，過載電壓為24~380V的交流電壓，通過控制P1.0和撥動開關(guān)接連三極管開關(guān)電路的基極，實現(xiàn)開關(guān)電路的導(dǎo)通/閉合，最后通過邏輯或門，達到控制電壓的目的；同時在P1.1與固態(tài)繼電器的控制電壓端接連到一起，用來判斷安檢門的工作狀態(tài)。

3 基于Modbus的通訊協(xié)議

Modbus協(xié)議是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中常用的一種協(xié)議，同時作為一種標(biāo)準(zhǔn)的串口通信協(xié)議，支持標(biāo)準(zhǔn)的RS-232C串行接口，在RS232協(xié)議基礎(chǔ)上規(guī)定了消息、數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、命令和應(yīng)答的方式，并采用主/從的數(shù)據(jù)通訊方式。Modbus協(xié)議通訊格式包括ASCII、RTU及TCP等，RTU格式由于傳輸效率高被廣泛采用^[6-7]，標(biāo)準(zhǔn)的Modbus(RTU)數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

本文在采用串行鏈路Modbus(RTU)模式協(xié)議的基礎(chǔ)上，結(jié)合系統(tǒng)實際應(yīng)用，更改了數(shù)據(jù)幀格式結(jié)構(gòu)。通信傳輸?shù)膱笪膸袷饺缦拢?

CRTU—SK0、ADX、FC0、D0、CRC

RRTU—SK1、AD1、D0、D1、D2、CRC

其中CRTU表示上位控制機發(fā)送到下位分機的控制命令報文，SK0表示起始標(biāo)志，定義為0xFF；ADX表示目的地址，即各分機的本地地址，取值范圍在1~253，地址254表示廣播報文，每個分機都接聽報文；FC0表示功能選項，設(shè)定0x00為初始化，使下位機的內(nèi)部寄存器、計數(shù)器清零操作及時鐘復(fù)位計時，設(shè)定0x01為遠程開關(guān)機指令；D0表示數(shù)據(jù)，在本文中數(shù)據(jù)為二進制8位，設(shè)定0x00為關(guān)機，0x01為開機；CRC表示校驗結(jié)果，在發(fā)送端采用CRC=ADX-FC0-D0的方法計算并發(fā)送。

RRTU表示上位控制機接收的來自各分機的狀態(tài)信息報文，SK1表示起始標(biāo)志，定義為0xFF；AD1表示發(fā)送端分機的地址；D0表示通過人數(shù)的數(shù)據(jù)；D1表示報警次數(shù)的數(shù)據(jù)；D2表示當(dāng)前的開關(guān)機狀態(tài)；CRC表示校驗結(jié)果，在各發(fā)送端采用CRC=AD1^D0^D1^D2的計算方法得到，接收端接收數(shù)據(jù)幀后重新計算CRC，此校驗稱為二次校驗，若與接收到的CRC不符，則表示通訊失敗。

4 軟件程序設(shè)計

4.1 nRF905的通訊設(shè)計

在無線通訊過程中，報文的格式應(yīng)嚴(yán)格按照上文中的幀格式，能夠降低誤碼率，上位機和分機才能夠按照編寫好的程序?qū)?shù)據(jù)報文進行解析判斷。在硬件設(shè)計當(dāng)中已規(guī)定了使用STC11L04E單片機驅(qū)動nRF905工作，并定義了管腳功能。使用Rxd和Txd接收和發(fā)送分機中控制器的報文信息。圖4為通訊板發(fā)送報文流程圖。

當(dāng)分機控制器將采集的安檢門的信息通過串口Txd發(fā)送出去時，通訊板的Rxd作為接收端接收到信號，表示有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，此時STC11L04E先接收數(shù)據(jù)，此時的數(shù)據(jù)為分機控制器中按照Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式打包的報文，先對報文解析，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)調(diào)用CRC函數(shù)計算CRC，比較接收到的CRC來判斷接收報文的正確性，此過程文中定義為一次校驗。后將TRX_CE和TX_EN置為高電平，激發(fā)nRF905模塊到射頻發(fā)送模式，直至到TRX_CE為0時表示發(fā)送過程完畢，回到空閑狀態(tài)[8]。接收報文流程與發(fā)送報文流程相似，只將TRX_CE、TX_EN及PWR_UP按照接收模式驅(qū)動相應(yīng)的電勢即可。

4.2 系統(tǒng)程序流程

在串行鏈路主/從式通訊結(jié)構(gòu)中，上位機常采用輪詢各節(jié)點的方式^[7]。本文考慮到大部分機場中安檢門通常在10臺以下這一特點，分機數(shù)量不大，采用輪詢機制足以滿足系統(tǒng)要求。當(dāng)各分機接收到上位控制機發(fā)送的控制命令報文時，均以報文響應(yīng)的方式回應(yīng)，以此用于判斷通訊鏈路是否通暢。系統(tǒng)程序流程如圖5所示。

各分機在接收到控制命令報文后對報文解析，首先通過判斷起始位是否正確，來確認(rèn)報文的可靠性；然后查看地址信息，若為254則報文為廣播報文，所有的分機都需要執(zhí)行這條指令報文，若地址值不為廣播地址時，判斷地址值與分機本地地址是否一致，一致時解析功能值和數(shù)據(jù)值，不一致則丟棄該報文；最后，分機根據(jù)解析的報文計算CRC值與接收到的CRC值比較，若一致則執(zhí)行命令，并發(fā)送應(yīng)答碼到上位控制機，完成控制命令報文的發(fā)送。

4.3 上位機交互程序

本文在應(yīng)用層開發(fā)使用的是NI公司的Labview軟件，Labview作為一個專為測試測量設(shè)計的編程語言，使用圖形化的編程方式，已逐漸成為測試測量行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的軟件平臺。系統(tǒng)采用VISA的方式實現(xiàn)串行通信，首先需要調(diào)用VISACon-figureSerialPort函數(shù)對串口參數(shù)配置，包括串口資源分配、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位和流控等，在初始化配置成功后使用VISAWrite函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，VISARead函數(shù)接收數(shù)據(jù)，后將接收到的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)組當(dāng)中，方便后續(xù)函數(shù)調(diào)用^[9]。上位機在接收到主控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，一方面在本機的Labview人機交互界面上實時監(jiān)控狀態(tài)信息；另一方面使用Labview內(nèi)嵌的WebServer將交互界面上傳到Web上，在工作局域網(wǎng)上的客戶端可以在Web上看到安檢門設(shè)備的狀態(tài)信息，但在同一時刻，只有一個用戶具有控制權(quán)限，其余用戶只能在遠程面板查看監(jiān)測。配置WebServer的流程如圖6所示。

配置完WebServer后，點擊Labview中的Tools菜單中WebPublisingTool選項，設(shè)定用戶需要的必要選項；然后可單擊PreviewinBrowser預(yù)覽發(fā)布網(wǎng)頁的運行效果；在各設(shè)置都符合自己要求后，點擊SavetoDisk保存HTML文件；最后點擊StartWebServer將交互界面發(fā)送到網(wǎng)頁Web之上^[4，10]。

5 模擬實驗結(jié)果

系統(tǒng)在安檢實驗室進行實驗應(yīng)用，分別對實驗室中的4臺安檢門上加裝系統(tǒng)所需要的電子元件模塊，將改動后的安檢門稱為分機，在上位控制機中使用Windows系統(tǒng)下的Labview軟件設(shè)計交互界面，并在組建的局域網(wǎng)中通過共享Web方式實現(xiàn)安檢門的遠程監(jiān)控。局域網(wǎng)中的各客戶端采用請求的方式向管理員主機索要控制權(quán)限，同一時間內(nèi)只有一個客戶可以工作在控制模式，當(dāng)不需要控制系統(tǒng)動作時，將控制權(quán)限釋放歸還給管理員主機，按請求時間先后的順序再給下一個客戶。經(jīng)過不斷的調(diào)試驗證，已經(jīng)能夠在實驗室中順利操作運行，Web遠程監(jiān)控界面如圖7所示。

該監(jiān)控軟件系統(tǒng)包括兩層結(jié)構(gòu)，主界面和各分機操作界面。在主界面中同時顯示4個安檢門的主要信息參數(shù)和開關(guān)操作命令。當(dāng)撥動開關(guān)打到ON的位置時，啟動安檢門同時狀態(tài)指示燈會發(fā)亮，如果狀態(tài)指示燈發(fā)暗表示安檢門出現(xiàn)了故障；有人通過時，通過指示燈發(fā)亮；有人攜金屬物品通過時，報警指示燈發(fā)亮；同時通過報警率指示盤能形象的顯示出各個安檢門的報警率，有利于工作人員對報警率高的安檢門進行排查或者重點檢查。

6 結(jié)論

本文在分析了目前機場安檢設(shè)備中安檢門使用率低的現(xiàn)狀，研究了一種基于安檢門遠程監(jiān)控系統(tǒng)，分別對系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、主要硬件模塊設(shè)計及軟件程序流程做出了闡述。系統(tǒng)在工業(yè)Modbus協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)上進行了改進，并將改進的協(xié)議與無線通訊技術(shù)相結(jié)合，優(yōu)化了設(shè)備資源。軟件中使用Labview中的Web功能，將人機控制界面發(fā)布到局域網(wǎng)中，實現(xiàn)了安檢門信息在局域網(wǎng)中遠程監(jiān)控，使安檢門的使用特性得到了跨越提高。系統(tǒng)在安檢實驗室多次應(yīng)用操作，驗證了系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性，再加以改進可以在機場中實際運行試驗，具有很好的應(yīng)用價值。同時，以該系統(tǒng)為基礎(chǔ)可以把其他安檢設(shè)備根據(jù)不同的功能需求逐漸加入到該網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)設(shè)備的整合管理，提高機場安檢工作部門的工作效率。