監獄人員定位腕表設計

廣東廣晟通信技術有限公司 邱文豐

1 引言

監獄服刑人員存在著人數多，一般都在1000名犯人以上，而警力不足，這就需要采用技防實現服刑人員防脫逃管理，本文提出的人員定位腕表是監獄服刑人員安防系統基礎硬件產品設計。是一款面向監獄和重要安全單位和場合的高性能定位終端產品設計。本文著重介紹監獄人員定位管理系統中服刑人員腕表設計。電子標簽節點根據用戶的需求，需要制作成手環的樣子，因此產品需要非常的小巧；并且要在可以持續工作一年左右的時間，因此產品對于能量的需求非常苛刻。這部分中產品的功耗和體積，以及多節點傳輸的信道沖突解決機制是關鍵和難點。

定位腕表的功能是與基站數據采集通訊，進行數據交互。硬件平臺和基站基本一樣，只是由于定位器的位置固定，因此可以由有線電源供電。而且需要通過UART接口轉換為以太網口傳輸出去。本部分采用TI公司出品的CC1111Fx無線射頻芯片，其芯片具有高度的集成性，將RF和MCU設計到一個芯片中的SoC，減小的體積，提高了性能。系統使用315MHz的工作頻段進行無線通訊，此款芯片其他特性請參照《CC111Fx數據手冊》。

圖1所示為腕表原理圖，腕表內主芯片采用TI公司的CC1110無線射頻芯片。整個流程主要由腕表注冊、心跳上報、更新和腕表報警組成的工作流程結構。基站啟動或重啟后，系統上電向腕表發送注冊信息，加入到網絡中，并且在服務器中進行登記。注冊成功后腕表會定時發送心跳信息，報告自己的位置。如果遇到突發事件，比如腕表電量過低和腕表被破壞等情況會優先發送報警信號，通知服務端做出響應。圖2所示為腕表電源原理圖。

腕表由于能量控制的要求，需要在不通訊的時候進行睡眠，但有信息發送的時候，系統從睡眠狀態蘇醒開始監聽信道，如果信道空閑就進入發送信息階段，如果信道繁忙將會重新監聽，反復4次監聽過程，如果信道始終繁忙，系統將進入一個周期的隨機睡眠時間，醒來后再次監聽；信息發送出去之后，腕表將會等待ACK的回復，如果等到了相應的ACK，則證明此次通訊成功，系統將再次睡眠一個周期，如果等待了一定時間后沒有收到ACK，系統則認為此次通訊失敗，進入一個周期的睡眠時間，等待醒來后重發。囚犯腕表采用的是防水耐磨ABS塑料，能夠有效的防止浸水和暴力拆卸。腕表物如圖3所示。

圖1 腕表原理圖Fig.1 Wristwatch schemati diagram

圖2 腕表電源原理圖Fig.2 Watch the principle diagram of the power supply

圖3 腕表實物圖Fig.3 carpal

圖4 PCB布局布線圖Fig.4 layout of the wiring diagram

射頻布局布線，根據圖4所示，陶瓷天線擺放于邊緣且與其他器件保持一定距離，天線部位不做敷銅處理，由于受腕表體積限制，PCB采用FR4材質，板厚選擇0.8mm。CC1110供電引腳附近擺放104、103電容，并擺放47UF以上的退藕電容，增強抗干擾能力和避免死機。PCB布局布線如圖4所示。

2 無線數據處理過程

腕表的數據接收端一直處于接收監聽狀態，但接收到從基站發送來的數據后會解析數據包，測量信號能量和解析數據包地址。然后將數據包上傳到DATA_SERVER模塊對其進行處理，如果從數據地址得知其不屬于自己處理，只是將其上傳，則將數據內容放入緩存中等待上傳發送。如果屬于自己處理，則組成ACK包，并且檢測命令緩沖區是否有命令信息，有命令信息的話將其添加到ACK包中。將ACK以單播的形式發送給相應的電子標簽后處于信道監聽狀態。

3 系統出錯處理設計

用戶角度：誤報和漏報；系統角度：服務器端錯誤、中繼錯誤、定位器錯誤和標簽錯誤；開發角度：硬件錯誤、軟件錯誤和環境影響瞬態錯誤；業務角度：低電量報警、腕帶破壞報警和進入警戒區域報警。以下說明故障出現后可能采取的變通措施，包括：

a.后備技術說明準備采用的后備技術，當原始系統數據萬一丟失時啟用的副本的建立和啟動的技術，例如周期性地把磁盤信息記錄到磁帶上去就是對于磁盤媒體的一種后備技術；

b.降效技術說明準備采用的后備技術，使用另一個效率稍低的系統或方法來求得所需結果的某些部分，例如一個自動系統的降效技術可以是手工操作和數據的人工記錄；

c.恢復及再啟動技術說明將使用的恢復再啟動技術，使軟件從故障點恢復執行或使軟件從頭開始重新運行的方法。

4 腕表軟件的更新

[1]李文仲,段朝玉.CC1110/CC2510無線單片機和無線自組織網絡入門與實踐[J].

[2]沈建華,.姜寧.STR71x系列ARM微控制器原理與應用[J].

[3]李文仲,段朝玉.C8051F系列單片機于短距離無線數據通信[J].

[4]datasheet Low-Poweer SoC(System-on-Chip)with MCU,Memery,Sub-1GHz RF Transceiver,and USB Controller.

[5]datasheet True System-on-Chip with High Power RF Transceiver and 8025 MCU.

[6]黃智偉.無線發射于接收電路設計[J].

[7]李緝熙,王志功.射頻電路與芯片設計要點[J].