機場安檢門遠程監控系統研究

當前，作為航空運輸重要基礎設施的機場不僅僅是航空運輸的起點和終點，更是現代城市重要的交通樞紐。安全是民航發展的基石，也是民航一切工作的基礎。伴隨智能視頻分析技術逐漸在視頻監控系統中的應用，視頻感知也逐漸成為物聯網最重要的應用。配合傳統的報警、門禁系統的應用，物聯網安防應用在機場建設中的作用越來越明顯，提高了機場的服務水平^[1-2]。

國內機場安檢部門在運營當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據信息統計分析，可以大大提高管理效率。傳統的工業控制常采用有線傳輸系統，這種方式需要在現場布置大量的導線和電纜，安裝、拆除復雜、靈活性差^[3]。在機場環境下不允許如此復雜的設施鋪設，需要盡可能簡單的硬件結構實現功能要求。采用無線通訊的方式能夠省去有線電纜的鋪設，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準各不相同，產品之間的通訊常常不能兼通^[4]。為了實現無線的遠程控制方式，同時滿足工業現場的總線標準，本文將工業控制中的Modbus協議經過改進與無線通訊技術相結合，實現上位控制機按Modbus改進協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。

1 系統總體設計

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、藍牙技術和工作于ISM(industrialscientificmedical)頻段的射頻技術(RF)技術^[5]。紅外技術存在方向性強、不能有遮蓋物、通信距離短、缺點；與普通RF技術比，藍牙和HomeRF技術復雜度高，軟硬件設計及其協議編程容易出錯。因此系統選擇了挪威NORDIC公司的nRF905無線芯片，其具有低功耗、低成本、可配置、設計編程簡單、開發時間較短等優點。

系統主要由主控PC機及若干個安檢門分機采集模塊組成，系統總體設計結構如圖1所示，本文以基于RF技術的nRF905無線通信板作為安檢門分機設備與上位控制機信息交互的連接點，nRF905無線通訊板可經過MAX232轉化后與PC機直接串行通訊，通訊協議采用改進的Modbus協議作為標準。上位機利用Labview內嵌的WebServer功能，將包含安檢門狀態、通過人數及報警次數等信息的交互界面發布到局域網Web上，局域網內的各客戶端在Web網頁上向本地主機請求控制安檢門的操作，實現對安檢門的遠程監控。

2 系統硬件原理設計

2.1 nRF905無線通訊電路

nRF905無線收發器能工作在433/868/915MHz共3個頻道下，各頻道之間的轉換時間僅需要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，足以滿足設計需求；驅動電路由3部分組成，TRX_CE、PWR及TX_EN構成了模式接口，用來定義通訊電路的工作模式；SCK、MISO、MOSI及CSN構成SPI接口，用來實現數據傳輸參數的設置和控制；AM、CD及DR構成了狀態接口，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口用來驅動nRF905芯片所需要的驅動信號，其小體積的特點能夠使通訊板集成在很小的電路板上。系統為拓展該通訊板的使用功能，采用STC11L04E單獨驅動nRF905的方式，不進行其它外圍電路控制，需要發送和接收的數據通過串行Rxd和Txd引口外設得到，因此該通訊板可以在其它系統中通用，只需將Rxd和Txd接到其它控制器上，就能夠發送控制器中需要發送的數據信息，提高了該通訊板的多用性。

2.2 信號采集調理電路

該電路部分的主要功能用來對安檢門的狀態信號、通往人數及報警信號的采集，并通過串行數據口Txd發送到nRF905通信板；同時經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的動作。電路原理如圖3所示。采集調理電路以STC89C52RC單片機作為控制芯片，采用中斷觸發的方式用來采集紅外對射管信號的變化，在單片機內部完成信號的計數和存儲，其數值即為通過人數；在不破換安檢門原有電路的基礎上，將蜂鳴器信號經過CD40106是施密特觸發器整形為標準的矩形信號，然后通過74HC121組成的單穩觸發器電路，設置延時時間為2s，用來實現對報警信號的計數；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，系統選用SSR05DA固態繼電器，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和撥動開關接連三極管開關電路的基極，實現開關電路的導通/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。

3 基于Modbus的通訊協議

Modbus協議是工業控制網絡中常用的一種協議，同時作為一種標準的串口通信協議，支持標準的RS-232C串行接口，在RS232協議基礎上規定了消息、數據的結構、命令和應答的方式，并采用主/從的數據通訊方式。Modbus協議通訊格式包括ASCII、RTU及TCP等，RTU格式由于傳輸效率高被廣泛采用^[6-7]，標準的Modbus(RTU)數據幀格式如表1所示。

本文在采用串行鏈路Modbus(RTU)模式協議的基礎上，結合系統實際應用，更改了數據幀格式結構。通信傳輸的報文幀格式如下：

CRTU—SK0、ADX、FC0、D0、CRC

RRTU—SK1、AD1、D0、D1、D2、CRC

其中CRTU表示上位控制機發送到下位分機的控制命令報文，SK0表示起始標志，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，設定0x00為初始化，使下位機的內部寄存器、計數器清零操作及時鐘復位計時，設定0x01為遠程開關機指令；D0表示數據，在本文中數據為二進制8位，設定0x00為關機，0x01為開機；CRC表示校驗結果，在發送端采用CRC=ADX-FC0-D0的方法計算并發送。

RRTU表示上位控制機接收的來自各分機的狀態信息報文，SK1表示起始標志，定義為0xFF；AD1表示發送端分機的地址；D0表示通過人數的數據；D1表示報警次數的數據；D2表示當前的開關機狀態；CRC表示校驗結果，在各發送端采用CRC=AD1^D0^D1^D2的計算方法得到，接收端接收數據幀后重新計算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 軟件程序設計

4.1 nRF905的通訊設計

在無線通訊過程中，報文的格式應嚴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對數據報文進行解析判斷。在硬件設計當中已規定了使用STC11L04E單片機驅動nRF905工作，并定義了管腳功能。使用Rxd和Txd接收和發送分機中控制器的報文信息。圖4為通訊板發送報文流程圖。

當分機控制器將采集的安檢門的信息通過串口Txd發送出去時，通訊板的Rxd作為接收端接收到信號，表示有數據需要發送，此時STC11L04E先接收數據，此時的數據為分機控制器中按照Modbus協議數據幀格式打包的報文，先對報文解析，根據接收到的數據調用CRC函數計算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nRF905模塊到射頻發送模式，直至到TRX_CE為0時表示發送過程完畢，回到空閑狀態[8]。接收報文流程與發送報文流程相似，只將TRX_CE、TX_EN及PWR_UP按照接收模式驅動相應的電勢即可。

4.2 系統程序流程

在串行鏈路主/從式通訊結構中，上位機常采用輪詢各節點的方式^[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，分機數量不大，采用輪詢機制足以滿足系統要求。當各分機接收到上位控制機發送的控制命令報文時，均以報文響應的方式回應，以此用于判斷通訊鏈路是否通暢。系統程序流程如圖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據值，不一致則丟棄該報文；最后，分機根據解析的報文計算CRC值與接收到的CRC值比較，若一致則執行命令，并發送應答碼到上位控制機，完成控制命令報文的發送。

4.3 上位機交互程序

本文在應用層開發使用的是NI公司的Labview軟件，Labview作為一個專為測試測量設計的編程語言，使用圖形化的編程方式，已逐漸成為測試測量行業標準的軟件平臺。系統采用VISA的方式實現串行通信，首先需要調用VISACon-figureSerialPort函數對串口參數配置，包括串口資源分配、波特率、數據位、停止位、校驗位和流控等，在初始化配置成功后使用VISAWrite函數發送數據，VISARead函數接收數據，后將接收到的數據存儲在數組當中，方便后續函數調用^[9]。上位機在接收到主控制器發送的數據信息，一方面在本機的Labview人機交互界面上實時監控狀態信息；另一方面使用Labview內嵌的WebServer將交互界面上傳到Web上，在工作局域網上的客戶端可以在Web上看到安檢門設備的狀態信息，但在同一時刻，只有一個用戶具有控制權限，其余用戶只能在遠程面板查看監測。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，設定用戶需要的必要選項；然后可單擊PreviewinBrowser預覽發布網頁的運行效果；在各設置都符合自己要求后，點擊SavetoDisk保存HTML文件；最后點擊StartWebServer將交互界面發送到網頁Web之上^[4，10]。

5 模擬實驗結果

系統在安檢實驗室進行實驗應用，分別對實驗室中的4臺安檢門上加裝系統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系統下的Labview軟件設計交互界面，并在組建的局域網中通過共享Web方式實現安檢門的遠程監控。局域網中的各客戶端采用請求的方式向管理員主機索要控制權限，同一時間內只有一個客戶可以工作在控制模式，當不需要控制系統動作時，將控制權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。經過不斷的調試驗證，已經能夠在實驗室中順利操作運行，Web遠程監控界面如圖7所示。

該監控軟件系統包括兩層結構，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和開關操作命令。當撥動開關打到ON的位置時，啟動安檢門同時狀態指示燈會發亮，如果狀態指示燈發暗表示安檢門出現了故障；有人通過時，通過指示燈發亮；有人攜金屬物品通過時，報警指示燈發亮；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 結論

本文在分析了目前機場安檢設備中安檢門使用率低的現狀，研究了一種基于安檢門遠程監控系統，分別對系統的總體結構設計、主要硬件模塊設計及軟件程序流程做出了闡述。系統在工業Modbus協議標準上進行了改進，并將改進的協議與無線通訊技術相結合，優化了設備資源。軟件中使用Labview中的Web功能，將人機控制界面發布到局域網中，實現了安檢門信息在局域網中遠程監控，使安檢門的使用特性得到了跨越提高。系統在安檢實驗室多次應用操作，驗證了系統的可行性和穩定性，再加以改進可以在機場中實際運行試驗，具有很好的應用價值。同時，以該系統為基礎可以把其他安檢設備根據不同的功能需求逐漸加入到該網絡中，實現設備的整合管理，提高機場安檢工作部門的工作效率。