戶外LCD電子站牌的智能監測系統設計

黃成甲

（廣西民族大學相思湖學院 廣西壯族自治區南寧市 530006）

在智慧城市的建設中，戶外LCD電子站牌有動態性、高清性、互動性等特點，取代了傳統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，灰塵大等環境下，且設備基本需24小時運行，盡管有多項防護措施，長時間處于惡劣環境難免會出現設備故障，從而造成屏幕不能正常顯示。維修過程中又常常以傳統方式進行，即技術人員巡查故障，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。針對上述出現的問題，筆者認為需要設計出一種戶外LCD電子站牌的智能監測系統。此系統能實時監測內部設備的工作狀態，若出現故障能及時將數據傳輸到后臺，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 系統的概述

戶外LCD電子站牌內部主要由工業電腦、散熱風扇、高亮度的LCD顯示屏、各種電源、圖形驅動板、背光驅動板卡、玻璃破碎探測器、門禁感應開關、智能監測板等這些主要單元組成。智能監測系統需要實時監測設備中每個模塊單元的工作狀態，然后通過R2232串口發送數據到上位機（電腦），上位機再把數據通過互聯網發送到后臺服務器。如此一來，服務中心就能通過物聯網遠程監測到各個公交站臺的LCD電子站牌中設備運行狀態，同時能及時收到故障報警及具體某個故障模塊信息數據。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 智能監測系統的硬件設計

智能監測系統是采用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/計數器。

2.1 電源模塊和背光驅動板卡的檢測硬件電路設計

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測板工作電壓和圖像驅動板的待機工作電壓，不對其進行監測。LED背光驅動板，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。對恒流板的監測需測量其輸出的電流便可判斷其狀態。由于LED背光恒流板在設計中采用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檢測硬件設計

圖1：LCD電子站牌內部設備工作邏輯圖

溫度傳感器采用的是DS18B20，主要用于檢測設備內部的溫度。DS18B20是一款常用的數字溫度傳感器，其輸出的是數字信號，具有體積小，抗干擾能力強，精度高的特點。DS18B20數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根用于調節風扇轉速，1根用于輸出風扇轉速的脈沖信號。通過查看該散熱風扇的規格書，其最高轉速為每分鐘5700轉，單片機的16位計數器最大能計數到65535，滿足轉速計數需求。因風扇數量多，轉速為均速，所以需要定時20秒計數，計算結果換算為一分鐘，可算出轉速。電子站牌設備中散熱風扇有4個，而單片機僅有一路16位計數器，故需要采用CD4051芯片對其擴展到8路通道。設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個風扇的轉速。

2.3 圖形驅動板卡狀態檢測的硬件設計

圖像驅動板卡需要檢測POWER_ON（控制電源輸出及待機）信號、BL_ON（控制背光開關）的信號、雙色LED指示燈工作狀態。POWER_ON及BL_ON工作狀態是否高低電平，可用單片機I/O口讀取。雙色LED的工作狀態，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換。

3 LCD電子站牌智能監測系統軟件設計

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

3.1 LCD電子站牌內部設備模塊單元的工作狀態及故障檢測邏輯

智能監測系統如何判斷某個模塊是否出故障，需了解LCD電子站牌內部設備的工作邏輯。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提供給背光恒流驅動板，輸出的DC12V提供給圖形驅動板和風扇，輸出的DC5V提供給圖形驅動板。LCD電源有三種狀態，分別為：第一種POWER_ON信號是低電平時，處于待機狀態；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；第三種處于故障狀態，有可能某一路電壓沒有輸出或電源輸出不能正常關閉。圖形驅動板也有三種狀態，分別為：第一種無信號輸入時，處于待機狀態，其狀態為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，其狀態為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，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速不正常。背光驅動板也有三種狀態，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；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；第三種處于故障狀態，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：智能監測的通信協議內容

3.2 單片機程序設計

設備模塊監測采用模塊化的子程序設計，所包含的程序有：電源模塊狀態監測子程序、圖像驅動板工作狀態監測子程序、背光驅動板工作狀態監測子程序、溫度與風扇工作狀態檢測子程序。每個設備子程序均需測量信號并獲取相應的數據，然后根據數據判斷模塊工作狀態，如發現某個模塊有故障時，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 電源模塊狀態監測子程序

電源模塊狀態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。如果是高電平狀態，同時3個電壓(DC5V/DC12V/DC24V)正常輸出，電源才能正常工作，子程序將電源狀態標識POWER_FLAG=1返回主函數。如果低電平狀態，3個電壓不輸出，電源為待機狀態，子程序將電源狀態標識POWER_FLAG=0返回主程序。如果是高電平狀態，但3個電壓(DC5V/DC12V/DC24V)不能正常輸出，電源為故障狀態，子程序將電源狀態標識POWER_FLAG=2返回主程序。

3.2.2 圖像驅動板工作狀態監測子程序

圖像驅動板工作狀態監測子程序在工作時，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，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，圖像驅動板正常工作，程序將圖像狀態標識AD_FLAG=1返回主程序。如果POWER_ON是低電平狀態，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，圖像驅動板待機狀態，子程序將圖像狀態標識AD_FLAG=0返回主程序。如果以上兩種狀態不滿足，則說明圖像驅動板故障，返回AD_FLAG=2給主函數。

3.2.3 恒流板工作狀態監測子程序

恒流板工作狀態監測子程序相對簡單，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，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，同時電流大于10mA小于800mA（根據該恒流板實際負載核算）在正常范圍內，說明該恒流板正常工作，子程序將恒流板狀態標識LED_Drive_FLAG=1返回主函數；如果沒有電流輸出或者電流超過800mA，說明恒流板出故障，將恒流板狀態標識LED_Drive_FLAG=2返回主函數。如果低電平狀態且恒流板不輸出，電源為待機狀態，則把LED_Drive_FLAG=0返回主函數。

3.2.4 溫度與風扇工作狀態檢測子程序

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 智能監測的通信協議

智能監測系統的下位機需要把每個模塊通信狀態信息通過RS232發送給上位機。每個模塊狀態信息用通信協議來表示，協議內容如表1所示。在每個模塊狀態信息數據中，除溫度傳感器模塊，其他模塊工作狀態都采用數字“0”表示待機狀態，數字“1”表示正常狀態，數字“2”表示故障狀態。

4 結束語

經試驗，智能監測系統能夠準確的采集內部戶外LCD電子站牌中設備的狀態數據，及時準確的將故障信息反饋后臺，系統具有良好的穩定性，保障了智能公交站臺的正常運行。該智能監測系統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。