机场安检门远程监控系统研究

当前，作为航空运输重要基础设施的机场不仅仅是航空运输的起点和终点，更是现代城市重要的交通枢纽。安全是民航发展的基石，也是民航一切工作的基础。伴随智能视频分析技术逐渐在视频监控系统中的应用，视频感知也逐渐成为物联网最重要的应用。配合传统的报警、门禁系统的应用，物联网安防应用在机场建设中的作用越来越明显，提高了机场的服务水平^[1-2]。

国内机场安检部门在运营当中对于安检门使用的功能过于单一，如能对安检门远程控制并将检测数据信息统计分析，可以大大提高管理效率。传统的工业控制常采用有线传输系统，这种方式需要在现场布置大量的导线和电缆，安装、拆除复杂、灵活性差^[3]。在机场环境下不允许如此复杂的设施铺设，需要尽可能简单的硬件结构实现功能要求。采用无线通讯的方式能够省去有线电缆的铺设，简化硬件组成，提高可行性。目前在无线通讯方式中采用点对点的通信是最方便、快捷的，由于不同的公司在通讯中采用的标准各不相同，产品之间的通讯常常不能兼通^[4]。为了实现无线的远程控制方式，同时满足工业现场的总线标准，本文将工业控制中的Modbus协议经过改进与无线通讯技术相结合，实现上位控制机按Modbus改进协议与下位信号采集处理模块的信息无线交互，同时在上位机使用Labview虚拟仪器软件制作人机对话窗口，形成一套功能完整的远程控制系统。

1 系统总体设计

针对机场中安检门的位置是固定不变的，各通道之间的距离不长的特点，系统选用距离在200m左右的无线通信方式即可以满足要求。常用的短距离无线通讯方式有两种：IrDA(infrareddataassociation)红外技术、蓝牙技术和工作于ISM(industrialscientificmedical)频段的射频技术(RF)技术^[5]。红外技术存在方向性强、不能有遮盖物、通信距离短、缺点；与普通RF技术比，蓝牙和HomeRF技术复杂度高，软硬件设计及其协议编程容易出错。因此系统选择了挪威NORDIC公司的nRF905无线芯片，其具有低功耗、低成本、可配置、设计编程简单、开发时间较短等优点。

系统主要由主控PC机及若干个安检门分机采集模块组成，系统总体设计结构如图1所示，本文以基于RF技术的nRF905无线通信板作为安检门分机设备与上位控制机信息交互的连接点，nRF905无线通讯板可经过MAX232转化后与PC机直接串行通讯，通讯协议采用改进的Modbus协议作为标准。上位机利用Labview内嵌的WebServer功能，将包含安检门状态、通过人数及报警次数等信息的交互界面发布到局域网Web上，局域网内的各客户端在Web网页上向本地主机请求控制安检门的操作，实现对安检门的远程监控。

2 系统硬件原理设计

2.1 nRF905无线通讯电路

nRF905无线收发器能工作在433/868/915MHz共3个频道下，各频道之间的转换时间仅需要650μs；同时具有512个通讯频道，满足多点通讯、分组及跳频等应用需求；使用无增益的天线，传输距离即可达到200m的传输距离，可改装为带增益的天线，传输距离高达1km，满足不同用户的需求；最高支持50kpbs传输速率，足以满足设计需求；驱动电路由3部分组成，TRX_CE、PWR及TX_EN构成了模式接口，用来定义通讯电路的工作模式；SCK、MISO、MOSI及CSN构成SPI接口，用来实现数据传输参数的设置和控制；AM、CD及DR构成了状态接口，用来检测信号输出。无线通讯板的接口原理电路如图2所示，使用STC11L04E作为nRF905模块的控制单元，P1口和P3口用来驱动nRF905芯片所需要的驱动信号，其小体积的特点能够使通讯板集成在很小的电路板上。系统为拓展该通讯板的使用功能，采用STC11L04E单独驱动nRF905的方式，不进行其它外围电路控制，需要发送和接收的数据通过串行Rxd和Txd引口外设得到，因此该通讯板可以在其它系统中通用，只需将Rxd和Txd接到其它控制器上，就能够发送控制器中需要发送的数据信息，提高了该通讯板的多用性。

2.2 信号采集调理电路

该电路部分的主要功能用来对安检门的状态信号、通往人数及报警信号的采集，并通过串行数据口Txd发送到nRF905通信板；同时经Rxd接收通过无线通信板接收到的上位机的命令报文做出相应的动作。电路原理如图3所示。采集调理电路以STC89C52RC单片机作为控制芯片，采用中断触发的方式用来采集红外对射管信号的变化，在单片机内部完成信号的计数和存储，其数值即为通过人数；在不破换安检门原有电路的基础上，将蜂鸣器信号经过CD40106是施密特触发器整形为标准的矩形信号，然后通过74HC121组成的单稳触发器电路，设置延时时间为2s，用来实现对报警信号的计数；由于安检门的电源是交流220V供电方式，因此需要采用低压控制高压的方法，系统选用SSR05DA固态继电器，控制电压为3~24V直流电压，过载电压为24~380V的交流电压，通过控制P1.0和拨动开关接连三极管开关电路的基极，实现开关电路的导通/闭合，最后通过逻辑或门，达到控制电压的目的；同时在P1.1与固态继电器的控制电压端接连到一起，用来判断安检门的工作状态。

3 基于Modbus的通讯协议

Modbus协议是工业控制网络中常用的一种协议，同时作为一种标准的串口通信协议，支持标准的RS-232C串行接口，在RS232协议基础上规定了消息、数据的结构、命令和应答的方式，并采用主/从的数据通讯方式。Modbus协议通讯格式包括ASCII、RTU及TCP等，RTU格式由于传输效率高被广泛采用^[6-7]，标准的Modbus(RTU)数据帧格式如表1所示。

本文在采用串行链路Modbus(RTU)模式协议的基础上，结合系统实际应用，更改了数据帧格式结构。通信传输的报文帧格式如下：

CRTU—SK0、ADX、FC0、D0、CRC

RRTU—SK1、AD1、D0、D1、D2、CRC

其中CRTU表示上位控制机发送到下位分机的控制命令报文，SK0表示起始标志，定义为0xFF；ADX表示目的地址，即各分机的本地地址，取值范围在1~253，地址254表示广播报文，每个分机都接听报文；FC0表示功能选项，设定0x00为初始化，使下位机的内部寄存器、计数器清零操作及时钟复位计时，设定0x01为远程开关机指令；D0表示数据，在本文中数据为二进制8位，设定0x00为关机，0x01为开机；CRC表示校验结果，在发送端采用CRC=ADX-FC0-D0的方法计算并发送。

RRTU表示上位控制机接收的来自各分机的状态信息报文，SK1表示起始标志，定义为0xFF；AD1表示发送端分机的地址；D0表示通过人数的数据；D1表示报警次数的数据；D2表示当前的开关机状态；CRC表示校验结果，在各发送端采用CRC=AD1^D0^D1^D2的计算方法得到，接收端接收数据帧后重新计算CRC，此校验称为二次校验，若与接收到的CRC不符，则表示通讯失败。

4 软件程序设计

4.1 nRF905的通讯设计

在无线通讯过程中，报文的格式应严格按照上文中的帧格式，能够降低误码率，上位机和分机才能够按照编写好的程序对数据报文进行解析判断。在硬件设计当中已规定了使用STC11L04E单片机驱动nRF905工作，并定义了管脚功能。使用Rxd和Txd接收和发送分机中控制器的报文信息。图4为通讯板发送报文流程图。

当分机控制器将采集的安检门的信息通过串口Txd发送出去时，通讯板的Rxd作为接收端接收到信号，表示有数据需要发送，此时STC11L04E先接收数据，此时的数据为分机控制器中按照Modbus协议数据帧格式打包的报文，先对报文解析，根据接收到的数据调用CRC函数计算CRC，比较接收到的CRC来判断接收报文的正确性，此过程文中定义为一次校验。后将TRX_CE和TX_EN置为高电平，激发nRF905模块到射频发送模式，直至到TRX_CE为0时表示发送过程完毕，回到空闲状态[8]。接收报文流程与发送报文流程相似，只将TRX_CE、TX_EN及PWR_UP按照接收模式驱动相应的电势即可。

4.2 系统程序流程

在串行链路主/从式通讯结构中，上位机常采用轮询各节点的方式^[7]。本文考虑到大部分机场中安检门通常在10台以下这一特点，分机数量不大，采用轮询机制足以满足系统要求。当各分机接收到上位控制机发送的控制命令报文时，均以报文响应的方式回应，以此用于判断通讯链路是否通畅。系统程序流程如图5所示。

各分机在接收到控制命令报文后对报文解析，首先通过判断起始位是否正确，来确认报文的可靠性；然后查看地址信息，若为254则报文为广播报文，所有的分机都需要执行这条指令报文，若地址值不为广播地址时，判断地址值与分机本地地址是否一致，一致时解析功能值和数据值，不一致则丢弃该报文；最后，分机根据解析的报文计算CRC值与接收到的CRC值比较，若一致则执行命令，并发送应答码到上位控制机，完成控制命令报文的发送。

4.3 上位机交互程序

本文在应用层开发使用的是NI公司的Labview软件，Labview作为一个专为测试测量设计的编程语言，使用图形化的编程方式，已逐渐成为测试测量行业标准的软件平台。系统采用VISA的方式实现串行通信，首先需要调用VISACon-figureSerialPort函数对串口参数配置，包括串口资源分配、波特率、数据位、停止位、校验位和流控等，在初始化配置成功后使用VISAWrite函数发送数据，VISARead函数接收数据，后将接收到的数据存储在数组当中，方便后续函数调用^[9]。上位机在接收到主控制器发送的数据信息，一方面在本机的Labview人机交互界面上实时监控状态信息；另一方面使用Labview内嵌的WebServer将交互界面上传到Web上，在工作局域网上的客户端可以在Web上看到安检门设备的状态信息，但在同一时刻，只有一个用户具有控制权限，其余用户只能在远程面板查看监测。配置WebServer的流程如图6所示。

配置完WebServer后，点击Labview中的Tools菜单中WebPublisingTool选项，设定用户需要的必要选项；然后可单击PreviewinBrowser预览发布网页的运行效果；在各设置都符合自己要求后，点击SavetoDisk保存HTML文件；最后点击StartWebServer将交互界面发送到网页Web之上^[4，10]。

5 模拟实验结果

系统在安检实验室进行实验应用，分别对实验室中的4台安检门上加装系统所需要的电子元件模块，将改动后的安检门称为分机，在上位控制机中使用Windows系统下的Labview软件设计交互界面，并在组建的局域网中通过共享Web方式实现安检门的远程监控。局域网中的各客户端采用请求的方式向管理员主机索要控制权限，同一时间内只有一个客户可以工作在控制模式，当不需要控制系统动作时，将控制权限释放归还给管理员主机，按请求时间先后的顺序再给下一个客户。经过不断的调试验证，已经能够在实验室中顺利操作运行，Web远程监控界面如图7所示。

该监控软件系统包括两层结构，主界面和各分机操作界面。在主界面中同时显示4个安检门的主要信息参数和开关操作命令。当拨动开关打到ON的位置时，启动安检门同时状态指示灯会发亮，如果状态指示灯发暗表示安检门出现了故障；有人通过时，通过指示灯发亮；有人携金属物品通过时，报警指示灯发亮；同时通过报警率指示盘能形象的显示出各个安检门的报警率，有利于工作人员对报警率高的安检门进行排查或者重点检查。

6 结论

本文在分析了目前机场安检设备中安检门使用率低的现状，研究了一种基于安检门远程监控系统，分别对系统的总体结构设计、主要硬件模块设计及软件程序流程做出了阐述。系统在工业Modbus协议标准上进行了改进，并将改进的协议与无线通讯技术相结合，优化了设备资源。软件中使用Labview中的Web功能，将人机控制界面发布到局域网中，实现了安检门信息在局域网中远程监控，使安检门的使用特性得到了跨越提高。系统在安检实验室多次应用操作，验证了系统的可行性和稳定性，再加以改进可以在机场中实际运行试验，具有很好的应用价值。同时，以该系统为基础可以把其他安检设备根据不同的功能需求逐渐加入到该网络中，实现设备的整合管理，提高机场安检工作部门的工作效率。