前言

針對(duì)傳統(tǒng)電鈴控制器存在施工麻煩（拉專線）、控制不靈活、定時(shí)不準(zhǔn)、校時(shí)繁瑣、功能簡(jiǎn)單的缺點(diǎn)，本作品具有以下幾個(gè)方面的特色及創(chuàng)新：

一是采用GPS 授時(shí)技術(shù)，控制時(shí)間精準(zhǔn)，更為重要的是主機(jī)不需要調(diào)試，一勞永逸；二是考慮極端情況發(fā)送，設(shè)置了備用時(shí)間，內(nèi)置DS1302 時(shí)鐘芯片，每間隔一定時(shí)間對(duì)DS1302 進(jìn)行GPS 授時(shí)，在GPS 授時(shí)不成功的前提下可以使用上一次保存在DS1302 中的時(shí)間，并給出提示，提醒操作人員檢查GPS 設(shè)備；三是GPS 與主控制器之間采用無(wú)線通信方式，且采用的是433M 的ISM 頻道，具有較強(qiáng)的穿墻能力，徹底消除GPS 信號(hào)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(jī)進(jìn)行通信；五是分布在教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓、圖書館的打鈴儀根據(jù)使用場(chǎng)合不同，可以自動(dòng)調(diào)整鈴聲（比如圖書館需要安靜式鈴聲）；六是可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制，實(shí)時(shí)控制各不同樓宇的打鈴儀是關(guān)閉或是開啟；七是分布在不同樓宇的打鈴儀可以作為盜險(xiǎn)報(bào)警中繼路由器，檢測(cè)到危急情況時(shí)可以實(shí)時(shí)通知主機(jī)，并給出報(bào)警鈴聲；八是主機(jī)每日巡檢子機(jī)工作狀態(tài)，以確定其是否能正常工作。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如圖1 所示，由GPS 主機(jī)接收模塊（時(shí)基信號(hào)源）、主機(jī)控制器和下位機(jī)打鈴儀（子機(jī)）三個(gè)部分組成。

時(shí)基信號(hào)模塊將內(nèi)置CPU,控制GPS DEMO 電路獲取GPS 衛(wèi)星中的原子時(shí)鐘信號(hào)，將提取出的世界時(shí)間轉(zhuǎn)換成東8 區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)北京時(shí)間，并計(jì)算出年、月、日、星期等日歷信號(hào)，并將這些信息顯示在1602 的液晶顯示器上，這些日歷時(shí)間信息通過(guò)CC1101無(wú)線模塊發(fā)送給主機(jī)控制器。時(shí)基信號(hào)模塊至于無(wú)障礙遮擋的屋外，為了方便施工，采用光太陽(yáng)+ 蓄電池方式作為供電系統(tǒng)，為整個(gè)系統(tǒng)提供5V、3.3V 電源。

主控制器在整個(gè)系統(tǒng)中扮演重要角色，是整個(gè)系統(tǒng)的控制、指揮中心，一方面，它要通過(guò)無(wú)線方式從時(shí)基信號(hào)源接收時(shí)基信號(hào)，另一方面又要通過(guò)無(wú)線通信方式向所有子機(jī)發(fā)送（接收）控制（數(shù)據(jù)）信息。主控制與實(shí)際信號(hào)源、主機(jī)與子機(jī)之間采用ISM 頻道的433M 無(wú)線通信方案，具有開路傳輸距離遠(yuǎn)、穿墻能力強(qiáng)的特點(diǎn)。主機(jī)與時(shí)基信號(hào)源以及主機(jī)與子機(jī)之間的通信采用不同的通信信道實(shí)現(xiàn)，以避免頻道的沖突。

主機(jī)還在每天固定時(shí)間對(duì)每臺(tái)子機(jī)例行檢查，在一個(gè)公共頻道上依次“傳喚”每臺(tái)子機(jī)，“命令”每臺(tái)子機(jī)將自己工作狀況發(fā)送給主機(jī)。如果主機(jī)長(zhǎng)時(shí)間接收不到自己應(yīng)答或接收到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，則提示對(duì)應(yīng)子機(jī)發(fā)生故障，并給出提示，以便維護(hù)人員檢查維修。

子機(jī)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(wú)線通信的方式，所以其安裝施工變得簡(jiǎn)單方便。主機(jī)不斷檢查日作息時(shí)間表，“到點(diǎn)”通過(guò)廣播信道給所有子機(jī)發(fā)出“打鈴”命令，子機(jī)收到該信號(hào)后控制電鈴動(dòng)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(shí)期的電鈴“禁響”,即其他電鈴均響，被“禁響”的電鈴不響。

子機(jī)電鈴還可以充當(dāng)“防盜中繼路由”的角色。通過(guò)無(wú)線通信方式檢測(cè)置于不同位置的傳感器信息，實(shí)時(shí)檢測(cè)盜險(xiǎn)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(jī)控制器。

2 打鈴儀實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)的主要核心部分是軟件構(gòu)架及其設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)的程序由時(shí)基信號(hào)源、主機(jī)控制器、子機(jī)模塊三部分組成，部分模塊電路如圖2 所示。

2.1 時(shí)基信號(hào)源模塊

首先，利用現(xiàn)有的GPS 模塊，接收美國(guó)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過(guò)異步串口通信與主機(jī)1 進(jìn)行聯(lián)接，波特率為9600bps.主機(jī)1 在串行中斷中先把接收到的數(shù)據(jù)裝載在一個(gè)數(shù)組里。主機(jī)1 與通過(guò)NMEA-0183 協(xié)議對(duì)轉(zhuǎn)載的數(shù)組進(jìn)行判斷與辨別。

先辯斷接收辨識(shí)位“＄”.由于本項(xiàng)目只需GPS 的時(shí)間數(shù)據(jù)。所以只接收GPRMG,其內(nèi)容為＄GPRMC,hhmmss.dd,s,xxmm.dddd,,yyymm.dddd,,s.s,h.h,ddmmyy,所以，我們先判斷到是RMC 數(shù)據(jù)后再進(jìn)行時(shí)間和日期提取。

由于RMC 中還含有其他數(shù)據(jù)，因此為了避免出錯(cuò)，在程序上以逗號(hào)為標(biāo)志位進(jìn)行判斷。把時(shí)間和日期分別提取出來(lái)裝載在新數(shù)組A 里。由于接收到的時(shí)間是0 時(shí)區(qū)的時(shí)間，所以在程序?qū)ζ溥M(jìn)行加8 的處理。

其次 把處理好的數(shù)據(jù)的通過(guò)cc1100（采用433HZ,信道為0 發(fā)送給主機(jī)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(jī)1 上還加上了DS1302 備用時(shí)鐘芯片進(jìn)行計(jì)時(shí)，以保證時(shí)間系統(tǒng)不至于“癱瘓”.

利用GPS 收到的時(shí)間對(duì)DS1302 時(shí)鐘芯片進(jìn)行同步更新。這樣就實(shí)現(xiàn)在無(wú)信號(hào)時(shí)可采用DS1302 時(shí)間作為臨時(shí)時(shí)間發(fā)送給主機(jī)2. 并且為了方便主機(jī)2 區(qū)分接收到的時(shí)間是哪一種的，在主機(jī)1 發(fā)送是采用自制協(xié)議，便于主機(jī)控制器進(jìn)行分辨和操作人員維護(hù)。

2.2 主機(jī)控制器模塊

主機(jī)控制器先守候在與信號(hào)源相同的頻率和信道（CH1 授時(shí)信道）上。時(shí)基信號(hào)源一有信號(hào)來(lái)就根據(jù)自制的協(xié)議進(jìn)行判斷數(shù) 據(jù)，并點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈，以判斷接收的時(shí)間是GPS 授時(shí)還是DS1302 授時(shí)。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(shí)間系統(tǒng)，否則啟動(dòng)冬季打鈴系統(tǒng)。如果所接收的數(shù)據(jù)位1 為特殊標(biāo)識(shí)的話，則進(jìn)入緊急狀態(tài)，主機(jī)程序工作流程如圖3 所示。

夏季作息打鈴時(shí)間：對(duì)接收到的時(shí)間進(jìn)行判斷，如果符合打鈴時(shí)間，則馬上切換通信信道（CH3 打鈴信道），利用CC1101 向各子機(jī)發(fā)送打鈴控制信號(hào)，子機(jī)收到后打鈴。通信結(jié)束后重新切換到CH1 信道（信道）。冬季作息打鈴時(shí)間：除了預(yù)示打鈴時(shí)間外 其他都與夏季一樣。

2.3 系統(tǒng)自檢

為了保證主機(jī)與子機(jī)的正常通信，主機(jī)2 每天12 點(diǎn)01 分準(zhǔn)時(shí)發(fā)送信檢查信號(hào)，工作過(guò)程如下：

切換到信道3（CH3），發(fā)送包含主機(jī)ID 信息的協(xié)議包給所有子機(jī)，延時(shí)等待子機(jī)1 應(yīng)答信號(hào)，子機(jī)接收到協(xié)議包后判斷ID 號(hào)是否有效，有效則向主機(jī)返回應(yīng)答，否則丟棄。如果主機(jī)長(zhǎng)時(shí)間沒有接收到應(yīng)答信號(hào)，對(duì)應(yīng)I/O 口輸出低電平，指示對(duì)應(yīng)子機(jī)發(fā)生故障，繼續(xù)呼叫下一臺(tái)子機(jī)，直到所有子機(jī)檢測(cè)完畢為止。檢測(cè)結(jié)束后切換信道0（CH0），繼續(xù)接收時(shí)基授時(shí)信號(hào)。

子機(jī)1 守候在03 信道，等待信號(hào)。接收到信號(hào)后判斷信號(hào)，是打鈴還是檢測(cè)。如果為打鈴則對(duì)應(yīng)的io 口為高電平。繼電器導(dǎo)通打鈴，延時(shí)15 秒后 重設(shè)為低電平。如果為檢測(cè)信號(hào)則發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。

2.4 報(bào)警功能

如果有報(bào)警按鍵按下去，則停下子機(jī)工作，子機(jī)切換到CH3信道向主機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，并打鈴，直到警報(bào)解除。如果外接有無(wú)線傳感器，子機(jī)通過(guò)CH5 信道巡檢各傳感器。

整個(gè)系統(tǒng)的通信過(guò)程如圖4 所示。

2.5 通信協(xié)議

各模塊之間通信采用簡(jiǎn)單的協(xié)議包完成，根據(jù)具體情況不同，每個(gè)協(xié)議的字節(jié)數(shù)不同，具體如下：

（1）授時(shí)包（主機(jī)接收時(shí)基信號(hào)源）

授時(shí)包由8 個(gè)字節(jié)組成，每個(gè)字節(jié)定義為：0B :標(biāo)識(shí)符，恒為AAH ;1B :年；2B :月；3B :日；4B :時(shí)；5B :分；6B :秒；7B :星期。

（2）打鈴控制包（子機(jī)接收）

打鈴控制包為6 個(gè)字節(jié)，0B :命令字，不同的命令代表不同動(dòng)作；1B :ID 號(hào)，存放子機(jī)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(jī)接收）

巡檢控制包為3 個(gè)字節(jié)，0B :命令字，不同的命令代表不同動(dòng)作。

1B :ID 號(hào)，存放子機(jī)1 的ID 地址。2B :動(dòng)作指令。

（4）子機(jī)應(yīng)答包（子機(jī)發(fā)送）

巡檢控制包為3 個(gè)字節(jié)，0B :命令字，不同的命令代表不同動(dòng)作；1B :ID 號(hào)，存放子機(jī)2 的ID 地址；2B :動(dòng)作指令。

（5）報(bào)警信號(hào)包（子機(jī)發(fā)送）

巡檢控制包為2 個(gè)字節(jié)，0B :命令字，不同的命令代表不同動(dòng)作；1B :ID 號(hào)，存放子機(jī)1. 的ID 地址。

（6）傳感器巡檢包（子機(jī)接收）

巡檢控制包為2 個(gè)字節(jié)，0B :命令字，不同的命令代表不同動(dòng)作；1B :ID 號(hào)，存放子機(jī)2. 的ID 地址；2B :傳感器型號(hào)；3B :傳感器動(dòng)作3 作品性能測(cè)試與分析

3.1 系統(tǒng)測(cè)試方案

方案一：在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)幾個(gè)模塊的性能進(jìn)行測(cè)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(xué)校內(nèi)對(duì)幾個(gè)模塊進(jìn)行分開測(cè)試，觀察各模塊的運(yùn)行情況及數(shù)據(jù)傳輸執(zhí)行情況。

3.2 測(cè)試設(shè)備

頻譜分析儀（AT6010+/AT6011+）；數(shù)字式萬(wàn)用表（DT9605A）；模擬式萬(wàn)用表（MF-47）；標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（IBM 電腦）。

3.3 測(cè)試數(shù)據(jù)

3.4 結(jié)果分析

通過(guò)我們的多次測(cè)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(shí)間的收發(fā)及相應(yīng)的處理，對(duì)設(shè)置好的打鈴時(shí)間系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的做出相應(yīng)的應(yīng)答，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。因電源在測(cè)試過(guò)程的中電壓都可以長(zhǎng)期穩(wěn)定在上述的測(cè)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(shè)計(jì)GPS 相關(guān)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(wú)線模塊的收發(fā)距離在隔有障礙物時(shí)的收發(fā)距離只有150 米左右，空曠場(chǎng)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(chǎng)合將是本產(chǎn)品的劣勢(shì)，但我們可以做多種設(shè)置，在不同場(chǎng)合使用傳輸距離相應(yīng)的無(wú)線模塊就可以解決該問題。

4 結(jié)束語(yǔ)

電路的安裝和操作比較簡(jiǎn)單，因主機(jī)1 采用太陽(yáng)能供電，固可以將主機(jī)1 模塊安裝固定在樓頂?shù)扔嘘?yáng)光的地方就可以正常使用了，注意要對(duì)模塊進(jìn)行保護(hù)（太陽(yáng)能接收板除外），盡量把其安裝在干燥陰涼的地方。

主機(jī)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(shí)得到快速準(zhǔn)確解決。

而打鈴儀的安裝也比較簡(jiǎn)單，只要找一個(gè)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(shí)要斷開220V 電源），可以隨時(shí)對(duì)打鈴的情況進(jìn)行設(shè)置，且電鈴設(shè)有專門的接口，在電鈴損害時(shí)可以方便的進(jìn)行更換。

注意打鈴儀要安裝在周圍空氣中無(wú)易燃性、腐蝕性氣體、導(dǎo)電性塵埃、無(wú)顯著搖動(dòng)和沖擊振動(dòng)的環(huán)境中使用。

本設(shè)計(jì)通過(guò)合理選用元件及優(yōu)化的軟硬件設(shè)計(jì)，使我們的設(shè)計(jì)具有低功耗、低成本、便攜式、高精度的特點(diǎn)。且本設(shè)計(jì)也據(jù)有較大的升級(jí)空間，可以從軟硬件等多個(gè)方面入手進(jìn)行升級(jí)與優(yōu)化，應(yīng)用范圍廣，有較好的市場(chǎng)前景。