文/劉英明

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以其獨特的全面感知、智能處理和無處不在等特點受到了廣泛的應(yīng)用，在全球一體化的趨勢下，高效的實驗室管理與信息化建設(shè)受到了越來越多的重視。本文所研究的系統(tǒng)以促進信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合為核心，不斷創(chuàng)新教育信息化建設(shè)的新模式，加強數(shù)字化校園應(yīng)用平臺建設(shè)和優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源建設(shè)與共享，以便更好的服務(wù)于教學(xué)、科研和管理，提升綜合實力，發(fā)揮示范引領(lǐng)作用。本系統(tǒng)主要實現(xiàn)實訓(xùn)室智能門禁管理，包括采用云存儲的門禁系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)包括PC端應(yīng)用程序、手機應(yīng)用小程序等。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)采用TCP/IP、GPRS、Wi-Fi組網(wǎng)模式，管理中心與各個門禁控制器之間采用TCP/IP、GPRS、Wi-Fi通訊。系統(tǒng)保障了數(shù)據(jù)整體的高速傳輸，同時能夠大大提升可掛載的門禁控制器數(shù)量，滿足很多應(yīng)用場景的使用?？刂破鞔鎯Φ拇笕萘勘Ｕ狭嗽诰W(wǎng)絡(luò)不通暢時門禁系統(tǒng)依舊可以正常的工作，正常的記錄各種事件和信息。減小系統(tǒng)對管理中心的依賴，使系統(tǒng)的應(yīng)用更為靈活。如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧生活如智能家居、智能樓宇等方面的部分結(jié)構(gòu)和特性應(yīng)用到智能實訓(xùn)室管理中，為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新發(fā)展提供全新的思路?；谖锢砭W(wǎng)技術(shù)的實訓(xùn)室智能云管理平臺主要包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分，其中硬件系統(tǒng)包括如下模塊：

2.1 門禁控制器模塊

圖1：系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

具有遠程網(wǎng)絡(luò)控制功能，用戶可以通過廣域網(wǎng)，實現(xiàn)對門權(quán)限的遠程控制。同時，門禁主機本身已具備計算、存儲的功能，相當(dāng)于一臺小型計算機，云端通過網(wǎng)絡(luò)把此門的權(quán)限信息下載到門禁主機，門禁主機存儲這些權(quán)限信息，即可不依賴于網(wǎng)絡(luò)頻繁訪問云端，門禁主機能自動識別、讀寫、存儲進出人員的資料，也可更改人員權(quán)限或讀取出入記錄等。

2.2 監(jiān)控模塊

采用帶IP的云臺視頻監(jiān)控攝像頭，實時監(jiān)測實訓(xùn)室內(nèi)情況，并且可實現(xiàn)云臺控制。信號采集電路主要包括接近開關(guān)、人體感應(yīng)開關(guān)、煙感傳感器等。

2.2.1 系統(tǒng)主控模塊

采用Atemga128單片機為控制核心模塊，32個可編程I/O口，16KB的可編程Flash，它具有高性能、低功耗以及運算速度快、處理能力強等特點，支持擴展的片內(nèi)調(diào)試功能。

2.2.2 信號采集模塊

信號采集電路主要包括接近開關(guān)、人體感應(yīng)開關(guān)等。

接近開關(guān)是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路接通電路，從而是否有物體經(jīng)過。所有能反射光線（或?qū)饩€有遮擋作用）的金屬或非金屬物體均可以被檢測。光電接近開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強弱或有無對目標(biāo)物體進行探測。

人體感應(yīng)開關(guān)也叫紅外感應(yīng)開關(guān)，當(dāng)有人從紅外感應(yīng)探測區(qū)域經(jīng)過便自動開啟檢測，其主要器件為人體熱釋電紅外傳感器。由于人體溫度會恒定在37攝氏度，會發(fā)出10微米左右特定波長的紅外線，人體感應(yīng)開關(guān)的紅外探頭能探測到人體發(fā)射的10微米左右的紅外線從而進行工作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)平臺是一個靈活可配置的軟件系統(tǒng)，通過簡單的操作，用戶可以增加、刪除傳感器類型，可以增加、刪除傳感器控制命令，還可以對協(xié)議進行修改。智能實訓(xùn)室中間件層提供以用戶為中心的融合業(yè)務(wù)層，提供用戶接口和不同制式的智能實訓(xùn)室服務(wù)。通過智能實訓(xùn)室組網(wǎng)多層協(xié)作的自適應(yīng)QoS，自適應(yīng)匹配異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)及終端設(shè)備，充分保證端到端的媒體、語音、安防等多種業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。

物聯(lián)網(wǎng)管理平臺與傳感器網(wǎng)絡(luò)之間按照《網(wǎng)關(guān)節(jié)點接口協(xié)議》進行通信，與應(yīng)用程序之間按照《中間件與應(yīng)用程序通信協(xié)議》進行通信。通過該平臺，應(yīng)用程序可以與傳感器網(wǎng)絡(luò)相互通信，獲取數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以連接使用TCP/IP、GPRS等不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的傳感網(wǎng)。與傳感網(wǎng)的sink節(jié)點間的通信報文為二進制數(shù)據(jù)流，與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之間的通信報文為類HTTP的精簡UDP數(shù)據(jù)包并提供節(jié)點事件訂閱和對傳感網(wǎng)中執(zhí)行器的控制接口。中間件層包括通訊和服務(wù)協(xié)議、數(shù)據(jù)庫兩部分。

3.1 系統(tǒng)控制設(shè)計

系統(tǒng)控制上電后首先將進行單片機的初始化設(shè)置，如引腳的功能設(shè)置、時鐘設(shè)置，串口設(shè)置等；然后發(fā)送命令開啟通信模塊TC35，并作相關(guān)設(shè)置，然后通過發(fā)送AT命令來控制TC35進行信息的收發(fā)。

3.2 TC35通訊設(shè)計

TC35收到信息時，其能夠通過串口發(fā)出相應(yīng)提示信息，單片機也可以通過串口向其發(fā)送各種控制命令和待發(fā)送的消息內(nèi)容。

TC35模塊通過AT+CMGR指令判讀短信來電，并與事先寫入單片機EEPROM的授權(quán)的認證信息等內(nèi)容進行比對，即可執(zhí)行相應(yīng)控制動作?，F(xiàn)場報警傳感器觸發(fā)時，系統(tǒng)則立即將對應(yīng)的消息內(nèi)容發(fā)送給遠程的系統(tǒng)管理員。

3.3 通訊和服務(wù)協(xié)議

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以連接使用TCP/IP、GPRS等不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的傳感網(wǎng)，與傳感網(wǎng)的sink節(jié)點間的通信報文為二進制數(shù)據(jù)流，與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用之間的通信報文為類HTTP的精簡UDP數(shù)據(jù)包并提供節(jié)點事件訂閱和對傳感網(wǎng)中執(zhí)行器的控制接口。

通訊和服務(wù)協(xié)議主要任務(wù)是把各種協(xié)議都轉(zhuǎn)換成標(biāo)準GPRS協(xié)議，協(xié)議轉(zhuǎn)換節(jié)點包括Wi-Fi轉(zhuǎn)GPRS節(jié)點、Zigbee轉(zhuǎn)紅外節(jié)點和GPRS轉(zhuǎn)網(wǎng)口節(jié)點。Wi-Fi轉(zhuǎn)GPRS節(jié)點采用核心板和底板的組成模式，其中核心板采用三星Cortex A8 S5PV210處理器，并且集成了USB Wi-Fi模塊。底板采用Atemga128和TI CC2420芯片，實現(xiàn)了GPRS協(xié)議，底板和核心板通過高速串口相連，這樣就實現(xiàn)了GPRS和Wi-Fi協(xié)議的無縫轉(zhuǎn)換。GPRS轉(zhuǎn)紅外節(jié)點由無線模塊和紅外模塊兩部分組成。

3.4 數(shù)據(jù)庫軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)庫管理平臺軟件與傳感器網(wǎng)絡(luò)之間按照《網(wǎng)關(guān)節(jié)點接口協(xié)議》進行通信，與應(yīng)用程序之間按照《中間件與應(yīng)用程序通信協(xié)議》進行通信。通過該平臺，應(yīng)用程序可以與傳感器網(wǎng)絡(luò)相互通信，獲取數(shù)據(jù)并執(zhí)行查詢、控制操作，協(xié)議的轉(zhuǎn)換由平臺來完成。物聯(lián)網(wǎng)平臺管理傳感器網(wǎng)絡(luò)，并對數(shù)據(jù)進行解析、存儲，并為應(yīng)用程序提供了訪問接口。

物聯(lián)網(wǎng)平臺是一個靈活可配置的軟件系統(tǒng)，通過簡單的操作，用戶可以增加、刪除傳感器類型，可以增加、刪除傳感器控制命令，還可以對協(xié)議進行修改。

3.5 網(wǎng)絡(luò)終端可視化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及與中間件通信方式

物聯(lián)網(wǎng)綜合管理系統(tǒng)的客戶端運行在PC的Web上，能夠與中間件及數(shù)據(jù)庫通信，獲得物聯(lián)網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)并進行圖形化顯示。數(shù)據(jù)分為低速傳感器數(shù)據(jù)以及中高速的視頻數(shù)據(jù)，其中物聯(lián)網(wǎng)各類傳感器數(shù)據(jù)直接讀取數(shù)據(jù)庫，中高速視頻通過《應(yīng)用程序與傳感網(wǎng)中間件通信協(xié)議》與中間件通信獲得。本客戶端可視化程序旨在對物聯(lián)網(wǎng)相應(yīng)的應(yīng)用以可視化的方式進行展示。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)所設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實訓(xùn)室智能云管理系統(tǒng)，是利用互聯(lián)網(wǎng)控制，來實現(xiàn)實訓(xùn)室管理信息的收發(fā)與數(shù)據(jù)的無線傳輸。本系統(tǒng)設(shè)計成本較低，運行穩(wěn)定可靠，已經(jīng)在學(xué)校智慧校園建設(shè)、實訓(xùn)室智能化管理中起到了重要作用，具有廣泛的商業(yè)價值和市場價值。