鄭斌

摘要：本文主要研究面向應(yīng)用型本科的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺的開發(fā)，將當(dāng)前熱門的嵌入式技術(shù)和最具市場潛力的智能家居產(chǎn)品方案結(jié)合，旨在為高校師生接觸和研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建橋梁。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能門禁；智能環(huán)境監(jiān)測；智能安防；智能家電

中圖分類號：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2016）01-0076-03

引言

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)涵蓋和跨越大量現(xiàn)有的專業(yè)門類和技術(shù)體系的國家戰(zhàn)略性新興技術(shù)，是當(dāng)前世界新一輪經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)之一。[1-3]如何與時(shí)俱進(jìn)地培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才成了高校教育的首要任務(wù)。從2010年以來，全國200多所本科院校、100多所專科院校相繼開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是下一代信息技術(shù)的代表[4]，物聯(lián)網(wǎng)是典型的交叉學(xué)科，如何利用3～4年時(shí)間讓學(xué)生熟悉和掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，培養(yǎng)滿足社會需求的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才，各高校和社會各界人士都在積極探討。高校教師團(tuán)隊(duì)身處一線教育崗位，結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)的實(shí)際需求與教學(xué)需求，設(shè)計(jì)一套適合培養(yǎng)優(yōu)秀的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才的教學(xué)設(shè)備，有著重大的社會意義。[5-7]

在物聯(lián)網(wǎng)的眾多典型應(yīng)用中，智能家居和我們的生活關(guān)系最密切，其市場正日漸興起。伴隨著巨大的產(chǎn)業(yè)需求，我國智能家居產(chǎn)業(yè)的人才需求量也一路高漲。智能家居的目的是創(chuàng)造一個(gè)優(yōu)質(zhì)高效、舒適安全、便利節(jié)能、健康環(huán)保的居住環(huán)境，優(yōu)化人們的生活方式和居住環(huán)境，幫助人們有效地安排時(shí)間、節(jié)約各種能源。[8-10]智能家居平臺也是一個(gè)涵蓋多種交叉學(xué)科的綜合平臺，是將理論知識靈活應(yīng)用到實(shí)際生活的經(jīng)典之作。[11]因此，研究和學(xué)習(xí)智能家居的開發(fā)過程成為許多高校培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用人才的一個(gè)有效途徑。

學(xué)生在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺的實(shí)踐中不僅能接觸到硬件設(shè)計(jì)、軟件代碼編寫，還能體會實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)過程中各相關(guān)專業(yè)知識的交叉引用，積累開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。有了物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺，學(xué)生不用走出校門、不用找企業(yè)實(shí)習(xí)，在實(shí)驗(yàn)室里就能積累項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)、培養(yǎng)團(tuán)體精神、提高技術(shù)技能，為就業(yè)創(chuàng)造更好、更多的機(jī)會。

實(shí)訓(xùn)平臺整體設(shè)計(jì)

面向應(yīng)用型本科的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居領(lǐng)域的綜合應(yīng)用為切入點(diǎn)，將與居家生活有關(guān)的各種設(shè)備有機(jī)地結(jié)合起來，通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程綜合管理設(shè)備。筆者主要采取點(diǎn)面結(jié)合的研究方法，吸收了嵌入式處理器、ZigBee無線模塊、RFID模塊的最新研究成果，并注重對各大高校需求進(jìn)行調(diào)研，以期找到符合大多數(shù)普通高校所要求的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺的設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建求大同存小異的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺。本文按功能將物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺劃分為4個(gè)子系統(tǒng)，下頁圖1是系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框架圖。

各模塊的主要功能包括：

①中央控制器：中央控制器是物聯(lián)網(wǎng)綜合集成創(chuàng)新實(shí)踐平臺的核心，中央控制器采用S3C6410+Linux操作系統(tǒng)，通過QT界面功能菜單、來自互聯(lián)網(wǎng)負(fù)責(zé)的命令、手機(jī)短信控制和遙控器控制信息等多種控制手段，控制實(shí)訓(xùn)平臺的各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。

②智能門禁子系統(tǒng)：門禁模塊主要實(shí)現(xiàn)指紋識別、ID卡識別、密碼識別、可視對講、文本留言、語音留言和圖像留言等功能。門禁控制器采用S3C6410+Linux操作系統(tǒng)，通過QT界面功能菜單以及外圍模塊連接中央控制器共同實(shí)現(xiàn)門禁的各項(xiàng)功能。

③智能環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)：室內(nèi)信息包括室內(nèi)溫度、室內(nèi)濕度及室內(nèi)光照度等信息；傳感器采集到相應(yīng)信息后，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸給中央控制器，中央控制器通過友好的人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)顯示室內(nèi)環(huán)境信息，同時(shí)以折線圖的方式，清楚地展現(xiàn)出環(huán)境變化情況，環(huán)境監(jiān)測信息同時(shí)會作為其他子系統(tǒng)控制判斷的依據(jù)。

④智能安防子系統(tǒng)：安防模塊由火焰、煙霧、燃?xì)饧叭梭w紅外4種傳感器及終端檢測控制器組成，負(fù)責(zé)防火、防爆及防盜探測報(bào)警。在正常布防狀態(tài)下，安防模塊節(jié)點(diǎn)將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警信息發(fā)送給中央控制器，中央控制器根據(jù)設(shè)定的閾值和預(yù)設(shè)的報(bào)警方案啟動報(bào)警，預(yù)警方式有短信、聲光、語音和文字等。

⑤智能家電控制子系統(tǒng)：家電控制包括燈光控制、窗簾控制、風(fēng)扇控制。控制家電時(shí)，中央控制器接收互聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)客戶端或中央控制器QT界面功能菜單控制命令，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將控制命令發(fā)送給由目標(biāo)家電連接的終端節(jié)點(diǎn)，控制相應(yīng)的家電?？刂茻艄獾牧?滅和窗簾的開/合；在自動情境模式中，通過檢測室內(nèi)光照度等信息，完成燈光及窗簾的自動控制。

各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.智能門禁子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

主控制器由嵌入式網(wǎng)關(guān)、7寸顯示觸摸屏、室內(nèi)攝像頭、3G模塊等組成。嵌入式網(wǎng)關(guān)采用ARM1176JZF-S3C6410 + Linux 2.6操作系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)的輸入方式采用電阻式觸摸屏輸入，用戶可在觸摸屏上通過點(diǎn)觸來實(shí)現(xiàn)對智能終端的控制，也可以通過觸摸屏來輸入信息。主控制器按照使用功能又分為室內(nèi)中央控制器和室外門禁控制器。室外門禁控制器通過以太網(wǎng)路由器組成局域網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)框架圖如圖2所示。

2.智能環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測模塊主要由ZigBee節(jié)點(diǎn)、溫濕度檢測傳感器、光照度檢測傳感器和二氧化碳檢測傳感器組成。ZigBee節(jié)點(diǎn)將采集到的室內(nèi)環(huán)境信息，通過無線方式傳遞給協(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器模塊通過串口1與室內(nèi)中央控制器連接；中央控制器通過讀取串口數(shù)據(jù)獲得數(shù)據(jù)幀，再根據(jù)通信協(xié)議解析協(xié)議內(nèi)容提取溫濕度和光照度的具體數(shù)據(jù)值。圖3所示的是ZigBee網(wǎng)絡(luò)下的環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)。

3.智能安防子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安防模塊主要由ZigBee節(jié)點(diǎn)、火焰?zhèn)鞲衅鳌熿F傳感器、燃?xì)鈧鞲衅骱腿梭w紅外傳感器組成。ZigBee節(jié)點(diǎn)將采集到的安防信息，通過無線方式傳遞給協(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器模塊通過串口1與室內(nèi)中央控制器連接；中央控制器通過讀取串口數(shù)據(jù)獲得數(shù)據(jù)幀，再根據(jù)通信協(xié)議解析協(xié)議內(nèi)容提取各安防監(jiān)測數(shù)據(jù)。在布防時(shí)，中央控制器通過串口發(fā)送指令給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再根據(jù)節(jié)點(diǎn)編號發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。圖4所示的是ZigBee網(wǎng)絡(luò)下的安防子系統(tǒng)。

4.智能家電控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

家電控制模塊主要由ZigBee節(jié)點(diǎn)、LED呼吸燈、電動窗簾和PWM風(fēng)扇組成，室內(nèi)中央空調(diào)接收來自QT界面、Web網(wǎng)頁、手機(jī)客戶端或短信發(fā)來的控制指令，將指令轉(zhuǎn)化為控制命令幀，發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器再通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將指令發(fā)送給要控制的家電模塊。ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊在接收到控制命令幀后，通過協(xié)議解析命令幀，控制家電模塊做出相應(yīng)動作。圖5所示的是ZigBee網(wǎng)絡(luò)下的家電控制子系統(tǒng)。

結(jié)語

筆者將物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺分成4個(gè)部分，分別設(shè)計(jì)了各部分的個(gè)子系統(tǒng)，此實(shí)訓(xùn)平臺具有以下一些特點(diǎn)：①多學(xué)科集成創(chuàng)新技術(shù)。諸多技術(shù)的融合可加深物聯(lián)網(wǎng)工程及相關(guān)專業(yè)的學(xué)生對一些關(guān)鍵物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的理解，方便他們靈活學(xué)習(xí)和應(yīng)用各科知識，提高實(shí)踐和創(chuàng)新能力。②嵌入式可視對講技術(shù)。門禁模塊與中央控制器組成局域網(wǎng)，以S3C6410+QT的開發(fā)模式，在Linux操作系統(tǒng)中移植Qt4.7.0，通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行音視頻的實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)模擬門禁監(jiān)控與對講功能。③多傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)識別與采集。能同時(shí)采集多種類的終端傳感器，在ZigBee節(jié)點(diǎn)上完成數(shù)據(jù)的識別、傳送和采集。相信隨著科技的發(fā)展，實(shí)訓(xùn)平臺將會越來越完善。

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