摘 要：本文是在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上，以學(xué)生宿舍為研究對象，建立一個對學(xué)生宿舍環(huán)境實現(xiàn)控制與管理的智能化系統(tǒng)。系統(tǒng)采用ARM S3C6410 作為核心控制處理器，嵌入式Linux系統(tǒng)為智能學(xué)生宿舍總中心控制系統(tǒng)，以ZigBee近距離無線傳輸協(xié)議組建宿舍控制監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，通過增設(shè)服務(wù)器以及開發(fā)Android 應(yīng)用程序，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和普及率，實現(xiàn)了學(xué)生宿舍居住和管理的智能化。

關(guān)鍵詞：嵌入式；物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee；智能學(xué)生宿舍；智能家居

中圖分類號：TP273

物聯(lián)網(wǎng)是在現(xiàn)代計算機互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用RFID、無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，構(gòu)造一個覆蓋萬事萬物的網(wǎng)絡(luò)世界，在這個網(wǎng)絡(luò)中，可以對各個事物進行智能化管理和互動[1]。如今，智能家居的理念不斷深入人心，許多家用電器都實現(xiàn)了智能化控制，但很少有將這種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于大學(xué)生宿舍。然而，學(xué)校宿舍用電安全及財產(chǎn)安全一直是社會關(guān)注的焦點，所以設(shè)計一個基于物聯(lián)網(wǎng)的智能控制系統(tǒng)來對學(xué)生宿舍進行管理是有現(xiàn)實意義的。

1 系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)是以ARM 嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用無線傳感器技術(shù)、RFID以及信號處理與通信技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)的整體架構(gòu)。該系統(tǒng)將實現(xiàn)對宿舍的門禁、照明、采光和供電插座進行遠(yuǎn)程控制與管理，利用RFID對人員進出進行記錄。

智能宿舍系統(tǒng)按照功能結(jié)構(gòu)可以分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層。系統(tǒng)應(yīng)用層的具體實物包含了Android應(yīng)用程序及其服務(wù)器相關(guān)程序。在系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層中，服務(wù)器是建立外網(wǎng)通信的核心部分，宿舍網(wǎng)關(guān)是建立內(nèi)部通信連接數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵牟糠?。在tiny6410開發(fā)板上擴展ZigBee模塊作為宿舍網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)宿舍內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)的感知層是采用ZigBee近距離無線傳輸協(xié)議來組建宿舍內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)，ZigBee終端節(jié)點擴展不同的模塊以實現(xiàn)不同功能。智能宿舍系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

2 智能宿舍系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能宿舍系統(tǒng)硬件主要是宿舍網(wǎng)關(guān)（嵌入式Linux網(wǎng)關(guān)）、ZigBee自組網(wǎng)中各個內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計。智能宿舍網(wǎng)關(guān)設(shè)計是建立在嵌入式Linux系統(tǒng)上，與服務(wù)器建立TCP連接，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，并與ZigBee協(xié)調(diào)器建立串行數(shù)據(jù)通信連接，ZigBee協(xié)調(diào)器通過組建內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)并實現(xiàn)相互間的通信連接，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的管理與控制。

智能宿舍網(wǎng)關(guān)設(shè)計采用的是Tiny6410 嵌入式開發(fā)板[3]，其配有一個網(wǎng)絡(luò)接口和四個串行通信接口，可以簡化了硬件設(shè)計。在移植嵌入式Linux系統(tǒng)后，只需要在該系統(tǒng)上運行建立網(wǎng)絡(luò)與串行通信連接的應(yīng)用程序。

ZigBee節(jié)點的硬件設(shè)計采的是TI公司的CC2530F256芯片，單個芯片上整合ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。[2]

圖1 智能宿舍系統(tǒng)的總體架構(gòu)

2.1 嵌入式Linux網(wǎng)關(guān)設(shè)計

Linux內(nèi)核支持DM9000 的驅(qū)動和串行通信接口驅(qū)動，并且對TCP/IP協(xié)議有良好的支持，設(shè)計網(wǎng)絡(luò)通信程序較容易，作為智能宿舍的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)，要處理來自服務(wù)器的控制指令數(shù)據(jù)，解析后通過串行通信方式傳遞給ZigBee協(xié)調(diào)器，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的獲取與傳輸，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 ZigBee節(jié)點的設(shè)計

寢室環(huán)境中，各功能設(shè)備的通訊是基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。介于智能宿舍的規(guī)模，即網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大、節(jié)點較多等因素，宿舍內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選擇星形結(jié)構(gòu)。在實際環(huán)境中搭建的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，必要的硬件設(shè)備按結(jié)構(gòu)可分為協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點。

2.2.1 ZigBee協(xié)調(diào)器

ZigBee組網(wǎng)具有自組織的特點。ZigBee 協(xié)調(diào)器主要是組建整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)相互間的數(shù)據(jù)傳輸，并與嵌入式智能宿舍網(wǎng)關(guān)建立通信連接，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳及指令的下發(fā)。

2.2.2 終端節(jié)點

在學(xué)生宿舍環(huán)境中，安全方面是首要考慮的。所以終端節(jié)點的功能設(shè)計，包含了RFID門禁系統(tǒng)、照明與插座控制節(jié)點、窗簾電機控制節(jié)點等。

（1）門禁控制節(jié)點。RFID門禁系統(tǒng)采用RC522 13.56MHZ 高頻的射頻識別模塊，可以快速、準(zhǔn)確地讀取常見類型的學(xué)生校園卡，通過驅(qū)動電路實現(xiàn)門閥的控制。由于本RFID門禁系統(tǒng)是通過ZigBee終端節(jié)點控制，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以方便的實現(xiàn)Android 手機的遠(yuǎn)程控制。當(dāng)需要遠(yuǎn)程開門時，點擊Android 系統(tǒng)上的開門按鈕，通過Internet和ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆撻T禁系統(tǒng)的節(jié)點上，通過該節(jié)點對門閥的控制實現(xiàn)開門。同時，還可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程管理此門禁系統(tǒng)，當(dāng)需要鎖定某種RFID卡號，通過鎖定按鈕以實現(xiàn)RFID射頻識別的失效；需要恢復(fù)時，通過解鎖按鈕恢復(fù)。

圖3 門禁節(jié)點原理圖

（2）照明與插座控制節(jié)點。與門禁節(jié)點原理相似，電燈與插座都是CC2530 單片機通過驅(qū)動電路實現(xiàn)對繼電器的控制，從而實現(xiàn)對電燈以及用電器件的控制。當(dāng)接收到網(wǎng)絡(luò)傳遞的指令數(shù)據(jù)時，ZigBee 終端節(jié)點執(zhí)行相應(yīng)的控制指令，實現(xiàn)對電燈或是用電器件的開關(guān)控制，進而實現(xiàn)了學(xué)生宿舍的用電器件的管理以控制，以無接觸方式實現(xiàn)用電器件的控制，保證了用電的安全可靠。

（3）窗簾電機控制節(jié)點。窗簾控制就是通過CC2530 單片機通過對步進電機驅(qū)動模塊實現(xiàn)對步進電機的驅(qū)動，原理與門禁節(jié)點類似。當(dāng)該終端節(jié)點接收到相關(guān)控制指令通過驅(qū)動電機的以實現(xiàn)窗簾的開關(guān)控制，這里可以通過實現(xiàn)需要來控制窗簾的開合度，保證室內(nèi)的合理化采光控制。

3 智能宿舍系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 服務(wù)器程序設(shè)計

服務(wù)器程序是建立在具有固定IP的服務(wù)器上，最主要的作用是建立 Android 手機客戶端和嵌入式系統(tǒng)的TCP 連接的線程間的管理和通信。嵌入式Linux系統(tǒng)與服務(wù)器建立TCP連接后，服務(wù)創(chuàng)建相應(yīng)線程與其通信，當(dāng)Android 手機客戶端建立連接時，服務(wù)器創(chuàng)建另一個線程與其通信，服務(wù)器將兩者通信數(shù)據(jù)相互傳輸，以實現(xiàn)兩個客戶端線程的通信。

3.2 Android 應(yīng)用程序設(shè)計

Android應(yīng)用程序是用戶遠(yuǎn)程訪問控制宿舍的客戶端。應(yīng)用程序設(shè)計就是與ZigBee節(jié)點相應(yīng)的，分為門禁的控制按鈕、電燈的開關(guān)按鈕、插座的通斷按鈕和窗簾的開閉按鈕。應(yīng)用程序首次安裝登錄時，會與手機號進行綁定，以提高系統(tǒng)的安全性。登錄后與服務(wù)器建立TCP連接，按鈕動作會向服務(wù)器發(fā)送相應(yīng)的控制指令，達到控制目的。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的系統(tǒng)實現(xiàn)了學(xué)生宿舍的智能化管理與控制功能，整體結(jié)構(gòu)清晰明了，節(jié)點安裝方便。可以根據(jù)實際需求擴展節(jié)點的功能，適用于不同環(huán)境。此項技術(shù)將Web技術(shù)、嵌入式技術(shù)和ZigBee技術(shù)完美的結(jié)合，在學(xué)生宿舍方面的應(yīng)用與推廣有較好的前景。

參考文獻：

[1]Luigi A，Antonio I，Giacomo M.The internet of things：A survey[J].Computer Networks，2010：784-2805

[2]Texas Instruments.A True System-on-Chip Solution for 2.4-GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee Applications[EB/OL].http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc2530.pdf.

[3]友善之臂.Tiny6410開發(fā)板[EB/OL].http：//www.arm9.net/tiny6410.asp.

作者簡介：華旺東（1992.01-），男，湖北武漢人，本科，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)；張仕臻（1989.06-），男，湖北十堰人，江漢大學(xué)研究生處，研究生，研究方向：系統(tǒng)工程；王松（1992.08-），男，湖北武漢人，本科。

作者單位：江漢大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，湖北武漢 430056