韓曉英 陳峰 朱靜

(1．廣州大學 實驗中心，廣州 510006;2．暨南大學 信息技術研究所，廣州 510085)

隨著社會的高速發(fā)展，時鐘成為人們日常工作和生活離不開的工具。手機普及后，佩戴手表的人越來越少，人們更習慣借助于手機查看時間，但是有些場合則不便使用查看時間，如在學校上課的教室、各種大型考試的考場、工廠的車間等，上課時教師或學生使用手機查看時間會嚴重影響教學效果和學習效果［1－2］。同時，信息技術的發(fā)展也使手機、手表成為考試作弊的工具，因此考試時不允許攜帶手機，與考生需要把握考試時間形成了一個難以協(xié)調的矛盾，故下課提醒和考生命令提醒的統(tǒng)一性和規(guī)范化，成了學校和考試組織單位的亟待解決的問題。

傳統(tǒng)的電子時鐘只能單純的顯示時間，各個時鐘之間無法實現(xiàn)彼此的同步時間校準，對人們的工作生活造成了一定的影響［3－5］。隨著電子時鐘系統(tǒng)的發(fā)展，需功能的增加，研發(fā)一種自動校準電子時鐘集群控制系統(tǒng)，實現(xiàn)電子時鐘集群自動校準，同步播報文本信息和音頻信息，方便各種通知及緊急播報，是解決學校、考場等區(qū)域性場所的現(xiàn)實問題迫切需求。

1 系統(tǒng)整體結構

系統(tǒng)整體結構如圖1所示。由上位機和下位機兩部分組成，上位機以接入了Zigbee模塊的PC機為主體，主要包括STM32單片機、Zigbee無線模塊和聯(lián)網(wǎng)工控機。下位機包括STM32單片機、Zigbee模塊、LED點陣顯示屏、驅動電路和振鈴器。上位機程序利用Internet從網(wǎng)絡獲取時鐘信息并經(jīng)Zigbee無線網(wǎng)絡將之傳送至各下位機，下位機上的Zigbee模塊將接收到的信息通過LED點陣顯示屏更新，從而實現(xiàn)一發(fā)多收。

2 無線組網(wǎng)系統(tǒng)硬件構成

2.1 3G網(wǎng)絡自動校時

自動校時利用工控機直接聯(lián)網(wǎng)，使用網(wǎng)絡時間服務協(xié)議NTP(network time protocol)來進行計算機內部時鐘的自動同步校準，實現(xiàn)基準時間時鐘功能。設置如圖2所示。

2.2 Zigbee無線組網(wǎng)系統(tǒng)

無線傳感系統(tǒng)硬件設計主要涉及無線傳感層的Zigbee采集單元，該單元采用泰鼎克 (DTK)公司DRF1605模塊進行組網(wǎng)，采用STM32VC103xx作為核心處理單元。

圖1 系統(tǒng)整體架構圖

Zigbee網(wǎng)絡具有三種網(wǎng)絡形態(tài)節(jié)點:Coordinator(中心協(xié)調器)，Router(路由器)，End Device(終端節(jié)點)［6］。Coordinator:全網(wǎng)絡唯一，用以創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡，并給新加入的網(wǎng)絡節(jié)點分配網(wǎng)絡地址。Coordinator通常定義為不能掉電的設備，沒有低功耗狀。Router:負責轉發(fā)資料包，尋找最適合的路由路徑，也可以收發(fā)數(shù)據(jù)，當成一個數(shù)據(jù)節(jié)點，還能保持網(wǎng)絡，為后加入的節(jié)點分配地址。Router通常定義為具有電源供電的設備，不能進入低功耗狀態(tài)。End Device:通常定義為電池供電的低功耗設備，通常只周期性接收數(shù)據(jù)，不發(fā)送數(shù)據(jù)。

本文中主要功能是無線數(shù)據(jù)傳輸，最終組成連接MESH網(wǎng) (即:網(wǎng)狀網(wǎng))。每個節(jié)點既收發(fā)數(shù)據(jù)，也能擔任其它節(jié)點的路由器，所有的數(shù)據(jù)傳輸路由是自動計算的，采用一個Coordinator和多個Router共同組網(wǎng)的方式，結點分布如圖3所示。

圖2 電子時鐘基準時間校準

3 系統(tǒng)軟件構成

3.1 上位機控制模塊實現(xiàn)

上位機硬件采用現(xiàn)成ARM系列單片機開發(fā)設備，需要進行Uboot的移植，Linux操作系統(tǒng)移植，文件系統(tǒng)移植，字符設備驅動，網(wǎng)絡設備驅動，QT用戶操作界面開發(fā)等功能［7－9］。針對多媒體課室需求，分別開發(fā)上課系統(tǒng)和考試系統(tǒng)。上課系統(tǒng)根據(jù)實際教學安排，定時統(tǒng)一響鈴和液晶屏顯示提醒，并根據(jù)需要發(fā)布一些課間、課后通知、注意事項等。考試系統(tǒng)可以根據(jù)不同類型考試設置考試鈴聲和播報考試命令。主要包括以下模塊:

圖3 Zigbee結點分布圖

時間提取模塊。利用Format從操作系統(tǒng)中獲取日期和時間，再將其保存起來，最后包裝好傳遞給通信模塊。

字模的提取模塊:通過行和列從圖片中獲取像素點，再歸一化，使其成為單色像素點，最后用新數(shù)組存放起來

定時計劃配置模塊:通過計劃配置模塊可以對特定時間的文字內容進行配置。利用數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)提取與存儲。

網(wǎng)絡聯(lián)通狀態(tài)顯示模塊:上位機在與下位機成功建立網(wǎng)絡連接，時間同步后，文字信息廣播同步后，指示燈皆相應產生變化，以告知用戶。

用戶操作功能模塊:應用功能封裝成一鍵按鈕，用戶在前端直接操作按鈕，輸入文字皆可，后臺自動實現(xiàn)相應功能。

發(fā)送校準時間:利用工控機聯(lián)網(wǎng)，使用網(wǎng)絡時間服務協(xié)議來進行計算機內部時鐘的自動同步校準，實現(xiàn)基準時間約定。

通過科學化、合理化、人性化設計人機友好界面，實現(xiàn)學校、工廠等全單位無線通信電子時鐘系統(tǒng)管理，界面設置如圖4所示。

圖4 電子時鐘控制系統(tǒng)界面

3.2 下位機模塊設計與實現(xiàn)

下位機由STM32控制器、LED點陣屏、ZigBee無線通信、按鍵、音頻輸出、蜂鳴器等模塊組成?？刂栖浖捎肅#高級程序設計語言進行開發(fā)，主要實現(xiàn)的功能包括從網(wǎng)絡獲取時間并生成相應的字模點陣，經(jīng)算法處理后通過串口發(fā)送給接入PC機的Zigbee模塊，并最終由Zigbee模塊發(fā)送給各下位機。下位機分為LED點陣屏的驅動函數(shù)、基于TCPIP協(xié)議的網(wǎng)絡層函數(shù)、應用層函數(shù)、ZigBee通信函數(shù)、按鍵和蜂鳴器驅動函數(shù)、音頻驅動函數(shù)共六個函數(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)功能。電子時鐘集群控制系統(tǒng)實驗結果如圖5所示。

圖5 電子時鐘集群控制系統(tǒng)

4 結語

應用Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡技術開發(fā)了自動校時電子時鐘集群控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了區(qū)域內多個時鐘的集中統(tǒng)一監(jiān)測控制，為區(qū)域內多個時鐘的統(tǒng)一維護和管理提供軟硬件技術支持。實驗結果表明該系統(tǒng)可以實現(xiàn)無線群內多個電子時鐘與網(wǎng)絡時間同步，并能根據(jù)需求實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)時鐘提醒、發(fā)布緊急通知、統(tǒng)一發(fā)布信息等，對多媒體教室、正規(guī)考試考場非常實用。

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