戶外LCD電子站牌的智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

黃成甲

（廣西民族大學相思湖學院 廣西壯族自治區(qū)南寧市 530006）

在智慧城市的建設(shè)中，戶外LCD電子站牌有動態(tài)性、高清性、互動性等特點，取代了傳統(tǒng)的燈箱式戶外公交站牌。由于戶外LCD電子站臺在戶外使用時，處于炎熱，潮濕，灰塵大等環(huán)境下，且設(shè)備基本需24小時運行，盡管有多項防護措施，長時間處于惡劣環(huán)境難免會出現(xiàn)設(shè)備故障，從而造成屏幕不能正常顯示。維修過程中又常常以傳統(tǒng)方式進行，即技術(shù)人員巡查故障，上報申請配件。此種維修方式不僅耗時長，不及時修復有可能還會引起公共事件。針對上述出現(xiàn)的問題，筆者認為需要設(shè)計出一種戶外LCD電子站牌的智能監(jiān)測系統(tǒng)。此系統(tǒng)能實時監(jiān)測內(nèi)部設(shè)備的工作狀態(tài)，若出現(xiàn)故障能及時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_，后臺能準確的獲悉故障點，方便服務中心快速安排維修人員，并匹配適合配件，加快維修速度。

1 系統(tǒng)的概述

戶外LCD電子站牌內(nèi)部主要由工業(yè)電腦、散熱風扇、高亮度的LCD顯示屏、各種電源、圖形驅(qū)動板、背光驅(qū)動板卡、玻璃破碎探測器、門禁感應開關(guān)、智能監(jiān)測板等這些主要單元組成。智能監(jiān)測系統(tǒng)需要實時監(jiān)測設(shè)備中每個模塊單元的工作狀態(tài)，然后通過R2232串口發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機（電腦），上位機再把數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到后臺服務器。如此一來，服務中心就能通過物聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)測到各個公交站臺的LCD電子站牌中設(shè)備運行狀態(tài)，同時能及時收到故障報警及具體某個故障模塊信息數(shù)據(jù)。方便維護人員快速的處理維修，保證LCD電子站牌的正常運行。

2 智能監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

智能監(jiān)測系統(tǒng)是采用ATmega16單片機作為主控芯片，充分利用其片上豐富的資源連接檢測外圍的模塊，其中包括8路的10位的逐次逼近型ADC，可編程的串行USART，一個16位和2個8位具有預分頻、比較功能和捕捉功能點定時器/計數(shù)器。

2.1 電源模塊和背光驅(qū)動板卡的檢測硬件電路設(shè)計

LCD電子站牌使用LCD專用電源模塊，這種LCD專用電源主要分4路輸出。第一路是待機的5VSB輸出DC5V電壓，另外三路分別是DC5V、DC12V和DC24V輸出。采用電阻對輸出電壓進行分壓，接到單片機的ADC，對3路電壓進行測量。5VSB路電壓是提供給智能監(jiān)測板工作電壓和圖像驅(qū)動板的待機工作電壓，不對其進行監(jiān)測。LED背光驅(qū)動板，是一種采用boost模式的升壓恒流板，將輸入的DC 24V電壓通過BOOST電路升壓80V后再恒流輸出給LED燈珠，輸出最大電流為800mA。對恒流板的監(jiān)測需測量其輸出的電流便可判斷其狀態(tài)。由于LED背光恒流板在設(shè)計中采用0.2歐姆的采樣電阻來控制恒流輸出，所以在硬件設(shè)計上，利用恒流板上的采樣電阻對輸出電流進行采樣。同時保證不影響恒流板原性能，采樣電阻需一個電壓跟隨器及運算放大器。運算放大器放大后的電壓信號連接到單片機的ADC6接口。

2.2 溫度測量與散熱風扇的狀態(tài)檢測硬件設(shè)計

圖1：LCD電子站牌內(nèi)部設(shè)備工作邏輯圖

溫度傳感器采用的是DS18B20，主要用于檢測設(shè)備內(nèi)部的溫度。DS18B20是一款常用的數(shù)字溫度傳感器，其輸出的是數(shù)字信號，具有體積小，抗干擾能力強，精度高的特點。DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，只占用單片機的一個I/O口。散熱風扇采用的是4線式是無刷風扇，2根是電源線，1根用于調(diào)節(jié)風扇轉(zhuǎn)速，1根用于輸出風扇轉(zhuǎn)速的脈沖信號。通過查看該散熱風扇的規(guī)格書，其最高轉(zhuǎn)速為每分鐘5700轉(zhuǎn)，單片機的16位計數(shù)器最大能計數(shù)到65535，滿足轉(zhuǎn)速計數(shù)需求。因風扇數(shù)量多，轉(zhuǎn)速為均速，所以需要定時20秒計數(shù)，計算結(jié)果換算為一分鐘，可算出轉(zhuǎn)速。電子站牌設(shè)備中散熱風扇有4個，而單片機僅有一路16位計數(shù)器，故需要采用CD4051芯片對其擴展到8路通道。設(shè)計中把風扇輸出的脈沖信號腳連接ATmega16單片機的輸入捕獲端ICP1，用 CD4051擴展到8個通道，便可以輪流測量8個風扇的轉(zhuǎn)速。

2.3 圖形驅(qū)動板卡狀態(tài)檢測的硬件設(shè)計

圖像驅(qū)動板卡需要檢測POWER_ON（控制電源輸出及待機）信號、BL_ON（控制背光開關(guān)）的信號、雙色LED指示燈工作狀態(tài)。POWER_ON及BL_ON工作狀態(tài)是否高低電平，可用單片機I/O口讀取。雙色LED的工作狀態(tài)，在指示燈亮時電壓為0.7V，故I/O不能直接識別。因單片機的ADC管腳的端口有限，故采用電壓比較器進行轉(zhuǎn)換。

3 LCD電子站牌智能監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

戶外LCD電子站牌智能監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計由下位機的軟件設(shè)計為主，程序采用模塊化子程序，每個被監(jiān)測模塊單元都有獨立的子函數(shù)程序。

3.1 LCD電子站牌內(nèi)部設(shè)備模塊單元的工作狀態(tài)及故障檢測邏輯

智能監(jiān)測系統(tǒng)如何判斷某個模塊是否出故障，需了解LCD電子站牌內(nèi)部設(shè)備的工作邏輯。如圖1所示，首先LCD電子站牌使用LCD專用電源模塊，該電源有4路輸出。第一路是待機電源5VSB輸出，輸出電壓為5V。正常工作下只要外部有AC220V電源，該5VSB接口就能輸出DC5V/1A的電流。待機電源5VSB正常輸出后，需給電源POWER_ON提供一個高電平信號（主要由圖像驅(qū)動板提供），剩下三路才有電壓輸出，輸出電壓分別是DC5V、DC12V和DC24V。電源輸出的DC24 V提供給背光恒流驅(qū)動板，輸出的DC12V提供給圖形驅(qū)動板和風扇，輸出的DC5V提供給圖形驅(qū)動板。LCD電源有三種狀態(tài)，分別為：第一種POWER_ON信號是低電平時，處于待機狀態(tài)；第二種POWER_ON是高電平時，DC5V、DC12V、DC24V都能正常輸出，處于正常工作狀態(tài)；第三種處于故障狀態(tài)，有可能某一路電壓沒有輸出或電源輸出不能正常關(guān)閉。圖形驅(qū)動板也有三種狀態(tài)，分別為：第一種無信號輸入時，處于待機狀態(tài)，其狀態(tài)為POWER_ON、BL_ON均為低電平，雙色LED指示燈是紅燈；第二種是有信號輸入時，處于正常工作狀態(tài)，其狀態(tài)為POWER_ON與BL_ON電平不一致，雙色LED指示燈不亮。風扇也有三種狀態(tài)，分別為：第一種溫度低于啟動溫度時，風扇未啟動；第二種溫度達到啟動溫度，風扇正常工作；第三種風扇出故障時，有可能出現(xiàn)溫度低于到啟動溫度，風扇也啟動或達到啟動溫度時，某一個或多個風扇轉(zhuǎn)速不正常。背光驅(qū)動板也有三種狀態(tài)，分別為：第一種BL_ON信號是低電平時，背光恒流板沒有輸出，處于待機狀態(tài)；第二種BL_ON信號是高電平時，恒流板端有電流輸出，取樣電阻有電壓，處于正常工作狀態(tài)；第三種處于故障狀態(tài)，恒流板輸出的電流不受控，有可能BL_ON為高電平時，恒流板沒有輸出，或BL_ON為低電平時，恒流板還有輸出。

表1：智能監(jiān)測的通信協(xié)議內(nèi)容

3.2 單片機程序設(shè)計

設(shè)備模塊監(jiān)測采用模塊化的子程序設(shè)計，所包含的程序有：電源模塊狀態(tài)監(jiān)測子程序、圖像驅(qū)動板工作狀態(tài)監(jiān)測子程序、背光驅(qū)動板工作狀態(tài)監(jiān)測子程序、溫度與風扇工作狀態(tài)檢測子程序。每個設(shè)備子程序均需測量信號并獲取相應的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)判斷模塊工作狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)某個模塊有故障時，則將故障信息返回給主程序；無故障時，則將正常信息返回給主程序。

3.2.1 電源模塊狀態(tài)監(jiān)測子程序

電源模塊狀態(tài)檢測子程序在工作時，按以下步驟完成。首先通過I/O口讀取POWER_ON信號及采用ADC測量電源輸出。此程序僅使用ADC中的三個通道，每個通道分別測量DC5V、DC12V、DC24V電壓。在使用ADC測量電壓過程中，是通過電阻降壓進行測量，故需乘以降壓系數(shù)來換算正常電壓。換算出的電壓，由于在電源輸出及負載工作過程中，都存在一定的誤差，故換算得出的結(jié)果允許有±1V。例如：測量DC24V，只要測量換算出的電壓是23V～25V都算DC24V正常輸出。其次判斷POWER_ON是否為高電平狀態(tài)。如果是高電平狀態(tài)，同時3個電壓(DC5V/DC12V/DC24V)正常輸出，電源才能正常工作，子程序?qū)㈦娫礌顟B(tài)標識POWER_FLAG=1返回主函數(shù)。如果低電平狀態(tài)，3個電壓不輸出，電源為待機狀態(tài)，子程序?qū)㈦娫礌顟B(tài)標識POWER_FLAG=0返回主程序。如果是高電平狀態(tài)，但3個電壓(DC5V/DC12V/DC24V)不能正常輸出，電源為故障狀態(tài)，子程序?qū)㈦娫礌顟B(tài)標識POWER_FLAG=2返回主程序。

3.2.2 圖像驅(qū)動板工作狀態(tài)監(jiān)測子程序

圖像驅(qū)動板工作狀態(tài)監(jiān)測子程序在工作時，按照以下步驟完成，首先通過I/O口分別讀取POWER_ON信號、BL_ON信號和通過比較器輸出雙色LED指示燈信號。其次判斷POWER_ON信號是否為高電平，如果POWER_ON是高電平狀態(tài)，同時BL_ON信號和比較器輸出的雙色LED燈中的綠色LED也為高電平，圖像驅(qū)動板正常工作，程序?qū)D像狀態(tài)標識AD_FLAG=1返回主程序。如果POWER_ON是低電平狀態(tài)，同時BL_ON信號和比較器輸出的雙色LED燈中的綠色LED也為低電平，紅色燈為高電平，圖像驅(qū)動板待機狀態(tài)，子程序?qū)D像狀態(tài)標識AD_FLAG=0返回主程序。如果以上兩種狀態(tài)不滿足，則說明圖像驅(qū)動板故障，返回AD_FLAG=2給主函數(shù)。

3.2.3 恒流板工作狀態(tài)監(jiān)測子程序

恒流板工作狀態(tài)監(jiān)測子程序相對簡單，通過I/O口讀取BL_ON信號、采用ADC測量恒流板輸出的電流。在使用ADC測量電流過程中，是通過電阻取樣并運算器放大，故需除以放大的倍數(shù)和采樣電阻后換算出恒流板輸出的電流。公式如下：Iout=(Vi/n)/Ri。Vi表示ADC測量出來的電壓，n是運算放大器放大的倍數(shù)，Ri是采樣電阻0.2歐姆，Iout是恒流板輸出的電流。其次判斷BL_ON信號是否為高電平，如是高電平狀態(tài)，同時電流大于10mA小于800mA（根據(jù)該恒流板實際負載核算）在正常范圍內(nèi)，說明該恒流板正常工作，子程序?qū)⒑懔靼鍫顟B(tài)標識LED_Drive_FLAG=1返回主函數(shù)；如果沒有電流輸出或者電流超過800mA，說明恒流板出故障，將恒流板狀態(tài)標識LED_Drive_FLAG=2返回主函數(shù)。如果低電平狀態(tài)且恒流板不輸出，電源為待機狀態(tài)，則把LED_Drive_FLAG=0返回主函數(shù)。

3.2.4 溫度與風扇工作狀態(tài)檢測子程序

該子程序與以上幾個子程序工作模式相似，由于篇幅有限，不詳盡描述。

3.3 智能監(jiān)測的通信協(xié)議

智能監(jiān)測系統(tǒng)的下位機需要把每個模塊通信狀態(tài)信息通過RS232發(fā)送給上位機。每個模塊狀態(tài)信息用通信協(xié)議來表示，協(xié)議內(nèi)容如表1所示。在每個模塊狀態(tài)信息數(shù)據(jù)中，除溫度傳感器模塊，其他模塊工作狀態(tài)都采用數(shù)字“0”表示待機狀態(tài)，數(shù)字“1”表示正常狀態(tài)，數(shù)字“2”表示故障狀態(tài)。

4 結(jié)束語

經(jīng)試驗，智能監(jiān)測系統(tǒng)能夠準確的采集內(nèi)部戶外LCD電子站牌中設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，及時準確的將故障信息反饋后臺，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，保障了智能公交站臺的正常運行。該智能監(jiān)測系統(tǒng)作為智能公交站臺重要組成部分，已應用在某個城市的智能公交站臺上。