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