监狱人员定位腕表设计

2018-03-20广东广晟通信技术有限公司邱文丰

电子世界 2018年4期

广东广晟通信技术有限公司邱文丰

1 引言

监狱服刑人员存在着人数多，一般都在1000名犯人以上，而警力不足，这就需要采用技防实现服刑人员防脱逃管理，本文提出的人员定位腕表是监狱服刑人员安防系统基础硬件产品设计。是一款面向监狱和重要安全单位和场合的高性能定位终端产品设计。本文着重介绍监狱人员定位管理系统中服刑人员腕表设计。电子标签节点根据用户的需求，需要制作成手环的样子，因此产品需要非常的小巧；并且要在可以持续工作一年左右的时间，因此产品对于能量的需求非常苛刻。这部分中产品的功耗和体积，以及多节点传输的信道冲突解决机制是关键和难点。

定位腕表的功能是与基站数据采集通讯，进行数据交互。硬件平台和基站基本一样，只是由于定位器的位置固定，因此可以由有线电源供电。而且需要通过UART接口转换为以太网口传输出去。本部分采用TI公司出品的CC1111Fx无线射频芯片，其芯片具有高度的集成性，将RF和MCU设计到一个芯片中的SoC，减小的体积，提高了性能。系统使用315MHz的工作频段进行无线通讯，此款芯片其他特性请参照《CC111Fx数据手册》。

图1所示为腕表原理图，腕表内主芯片采用TI公司的CC1110无线射频芯片。整个流程主要由腕表注册、心跳上报、更新和腕表报警组成的工作流程结构。基站启动或重启后，系统上电向腕表发送注册信息，加入到网络中，并且在服务器中进行登记。注册成功后腕表会定时发送心跳信息，报告自己的位置。如果遇到突发事件，比如腕表电量过低和腕表被破坏等情况会优先发送报警信号，通知服务端做出响应。图2所示为腕表电源原理图。

腕表由于能量控制的要求，需要在不通讯的时候进行睡眠，但有信息发送的时候，系统从睡眠状态苏醒开始监听信道，如果信道空闲就进入发送信息阶段，如果信道繁忙将会重新监听，反复4次监听过程，如果信道始终繁忙，系统将进入一个周期的随机睡眠时间，醒来后再次监听；信息发送出去之后，腕表将会等待ACK的回复，如果等到了相应的ACK，则证明此次通讯成功，系统将再次睡眠一个周期，如果等待了一定时间后没有收到ACK，系统则认为此次通讯失败，进入一个周期的睡眠时间，等待醒来后重发。囚犯腕表采用的是防水耐磨ABS塑料，能够有效的防止浸水和暴力拆卸。腕表物如图3所示。

图1 腕表原理图Fig.1 Wristwatch schemati diagram

图2 腕表电源原理图Fig.2 Watch the principle diagram of the power supply

图3 腕表实物图Fig.3 carpal

图4 PCB布局布线图Fig.4 layout of the wiring diagram

射频布局布线，根据图4所示，陶瓷天线摆放于边缘且与其他器件保持一定距离，天线部位不做敷铜处理，由于受腕表体积限制，PCB采用FR4材质，板厚选择0.8mm。CC1110供电引脚附近摆放104、103电容，并摆放47UF以上的退藕电容，增强抗干扰能力和避免死机。PCB布局布线如图4所示。

2 无线数据处理过程

腕表的数据接收端一直处于接收监听状态，但接收到从基站发送来的数据后会解析数据包，测量信号能量和解析数据包地址。然后将数据包上传到DATA_SERVER模块对其进行处理，如果从数据地址得知其不属于自己处理，只是将其上传，则将数据内容放入缓存中等待上传发送。如果属于自己处理，则组成ACK包，并且检测命令缓冲区是否有命令信息，有命令信息的话将其添加到ACK包中。将ACK以单播的形式发送给相应的电子标签后处于信道监听状态。