范 君，胡為民，蔡彬彬，業(yè)巧林，業(yè) 寧

基于Packet Tracer的車輛道閘系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

范 君1,2，胡為民3，蔡彬彬2，業(yè)巧林1，業(yè) 寧1

（1. 南京林業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094；2. 江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 南通 226007；3. 江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 圖文中心，江蘇 南通 226007）

利用Packet Tracer的物聯(lián)網(wǎng)仿真系統(tǒng)平臺(tái)，規(guī)劃和設(shè)計(jì)了車輛道閘實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括RFID讀卡器、車牌顯示器、監(jiān)視器、地感線圈、車輛道閘、通行車輛等物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)象。根據(jù)道閘系統(tǒng)工作原理設(shè)計(jì)了道閘系統(tǒng)物件的硬件接口、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹④浖δ?，并通過Python軟件編程和IoT服務(wù)器邏輯控制編程，實(shí)現(xiàn)了道閘系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真，為物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐教學(xué)提供了有效、可行的解決思路。

道閘系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；Packet Tracer；Python

隨著通信技術(shù)、人工智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也得到快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)在智能家居[1]、智能制造[2-3]、智能交通[4]、智慧農(nóng)業(yè)[5]、智慧城市[6]等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并且推動(dòng)了高校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才的培養(yǎng)[7]。

Packet Trace是一款網(wǎng)絡(luò)模擬平臺(tái)，利用該平臺(tái)可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)和通信仿真實(shí)驗(yàn)，以及物聯(lián)網(wǎng)仿真實(shí) 驗(yàn)[8-9]。筆者利用該平臺(tái)7.2版本，設(shè)計(jì)了基于車輛出入口道閘系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)起到很好的支撐作用。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

道閘實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)采用了物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)模式[10]，即系統(tǒng)由感知層、傳輸層和應(yīng)用層組成，如圖1所示。

感知層由2組地感線圈和RFID讀卡器組成，被控設(shè)備包括監(jiān)控器、道閘和顯示器。

傳輸層中的MCU控制單元負(fù)責(zé)采集和處理地感線圈數(shù)據(jù)。MCU、RFID讀卡器和被控設(shè)備與IoT服務(wù)器（無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備）交互信息，IoT服務(wù)器根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯，對(duì)上述設(shè)備狀態(tài)實(shí)施變更以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備控制。

圖1 道閘系統(tǒng)架構(gòu)圖

應(yīng)用層包括PC終端、移動(dòng)終端，可通過上述終端登錄IoT服務(wù)器觀察和監(jiān)控被控設(shè)備工作狀態(tài)，并可在登錄界面通過手工發(fā)出控制信號(hào)，對(duì)被控設(shè)備進(jìn)行控制，可遠(yuǎn)程控制道閘系統(tǒng)。

道閘實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是在上述物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，在Packet Tracer中結(jié)合了物件的硬件設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)硬件整體規(guī)劃

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，規(guī)劃了MCU控制板、地感線圈、RFID讀卡器、車牌顯示器、監(jiān)視器、補(bǔ)光燈、道閘、測試車輛等不同的物聯(lián)網(wǎng)物件對(duì)象，各對(duì)象的硬件端口如表1所示。在Python編程實(shí)現(xiàn)過程中，表中的模擬接口可以接收不同的電平數(shù)據(jù)，而數(shù)字接口接收的高低電平對(duì)應(yīng)1023和0兩個(gè)數(shù)值。

表1 道閘系統(tǒng)物件對(duì)象的硬件端口表

注：A0表示物件硬件電路中的模擬接口0，D0表示數(shù)字接口0。

2.2 實(shí)驗(yàn)物件硬件設(shè)計(jì)

Packet Tracer提供了較多的傳感器和執(zhí)行元器件，但這些元器件并不能直接用于道閘實(shí)驗(yàn)，需要改進(jìn)或自行設(shè)計(jì)。

以道閘物件的設(shè)計(jì)為例：

（1）需要使用繪圖軟件繪制道閘開啟、道閘閉合圖像，并將圖像調(diào)整為適當(dāng)大小；

（2）選擇設(shè)備選擇區(qū)“Component/boards”中的Thing對(duì)象，名稱修改為Barrier Gate，在該對(duì)象的屬性框中的選項(xiàng)卡“I/O Config”中添加“PT-IOT-NW-1W”無線網(wǎng)卡、保留1個(gè)硬件數(shù)字槽位；

（3）在“Thing Editor”選項(xiàng)卡中，通過“Properties”“Layout”“Rules”二級(jí)選項(xiàng)卡綁定之前的圖像、關(guān)聯(lián)硬件引腳接口、設(shè)置引腳電平規(guī)則。

實(shí)驗(yàn)背景圖參照道閘系統(tǒng)布局[11-13]，以收費(fèi)管理崗?fù)橹行?，給出了兩個(gè)方向的進(jìn)出通道，每個(gè)通道標(biāo)志了IN和OUT方向，并在圖中設(shè)置緩沖帶減速標(biāo)志。在兩個(gè)通道中，實(shí)驗(yàn)工作基于入口通道，入口通道一側(cè)的地感線圈、RFID讀卡器、顯示器、攝像機(jī)、道閘系統(tǒng)等將通過創(chuàng)建實(shí)際的設(shè)備對(duì)象來添加。而出口一側(cè)的道閘和攝像機(jī)以背景圖的形式體現(xiàn)。

所設(shè)計(jì)的各個(gè)實(shí)驗(yàn)物件參照背景圖放置，最終構(gòu)成實(shí)驗(yàn)整體拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 整體系統(tǒng)拓?fù)鋱D

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)通過IoT服務(wù)器對(duì)道閘系統(tǒng)管理智能化，IoT服務(wù)器數(shù)據(jù)交互采用了無線方式。地感線圈、測試車輛、顯示器因不需要與IoT服務(wù)器直接交互而未配置無線網(wǎng)卡，其他對(duì)象都設(shè)置了無線網(wǎng)卡與無線網(wǎng)關(guān)IoT服務(wù)器交互。

無線網(wǎng)關(guān)選用DLC100設(shè)備，該設(shè)備上配置IP地址為192.168.25.1/24，并配置了該網(wǎng)段DHCP地址池，登錄名和密碼均為admin，無線其他參數(shù)配置采用默認(rèn)值。

4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)物件軟件功能設(shè)計(jì)

完成硬件和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)后，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行物件的軟件設(shè)計(jì)和編程。整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以IoT服務(wù)器為核心，除地感線圈與MCU交互，顯示器與RFID交互外，其他物件均需要與IoT服務(wù)器交互信息，IoT服務(wù)器根據(jù)接收的信息控制道閘的開啟和閉合。系統(tǒng)中各個(gè)物件功能規(guī)劃如下所述，功能模塊時(shí)序如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)UML軟件時(shí)序圖設(shè)計(jì)

（1）汽車功能設(shè)計(jì)。設(shè)置車輛車牌號(hào)、RFID卡號(hào)和重量3個(gè)基本參數(shù)，這3個(gè)參數(shù)分別用于顯示器車牌信息顯示、RFID讀卡器識(shí)別和地感線圈探測。

（2）地感線圈功能設(shè)計(jì)。地感線圈具有探測一定范圍內(nèi)物件的功能，以獲取經(jīng)過的汽車的重量信息，在判別重量數(shù)值達(dá)到閾值上限后通過A0端寫操作通知MCU。

（3）MCU功能設(shè)計(jì)。MCU接收來自地感線圈1、地感線圈2的信息，根據(jù)接收的2個(gè)地感線圈信息判斷車輛通過減震帶已經(jīng)進(jìn)入通道、車輛已經(jīng)離開道閘這兩種不同的狀態(tài)，并向IoT服務(wù)器告知車輛通行狀態(tài)，再由IoT服務(wù)器判別后控制道閘開啟、閉合狀態(tài)。

（4）RFID讀卡器功能設(shè)計(jì)。如果沒有車輛通過，RFID將處于低功耗狀態(tài)，此時(shí)功耗指示燈不顯示；當(dāng)?shù)馗芯€圈1探測到有車輛通過時(shí)，RFID就進(jìn)入工作等待狀態(tài)，此時(shí)讀卡器的功耗指示燈顯示綠色。當(dāng)車輛進(jìn)入到RFID探測區(qū)域后，RFID讀卡器讀出車輛的RFID數(shù)據(jù)并判斷車輛是否是免費(fèi)的合規(guī)車輛（數(shù)值范圍：1 000~2 000），RFID卡的判別指示燈顯示綠燈，否則RFID判別指示燈顯示紅色。RFID判別后的信息均需發(fā)送給IoT服務(wù)器。

（5）監(jiān)視器功能設(shè)計(jì)。當(dāng)有車輛進(jìn)入或離開通道時(shí)，MCU接收到地感線圈探測反饋，由IoT服務(wù)器設(shè)置監(jiān)視器和補(bǔ)光燈進(jìn)入工作狀態(tài)或關(guān)閉狀態(tài)。

（6）道閘功能設(shè)計(jì)。在監(jiān)視器與補(bǔ)光燈進(jìn)入工作狀態(tài)后，根據(jù)RFID讀卡的信息，如果是合規(guī)車輛，則IoT網(wǎng)關(guān)自動(dòng)開啟道閘，車輛離開后道閘關(guān)閉；如果是不合規(guī)車輛，指示卡則由人工開啟道閘，車輛離開后可以自動(dòng)或手動(dòng)關(guān)閉。

（7）顯示器功能設(shè)計(jì)。接收來自RFID讀卡器 獲取的車牌信息，并將車牌信息在規(guī)定的顯示區(qū)域內(nèi)顯示。

（8）IoT服務(wù)器網(wǎng)關(guān)功能設(shè)計(jì)。接收MCU、RFID讀卡器、監(jiān)視器、道閘的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，根據(jù)車輛進(jìn)入、離開通道情況，RFID讀卡合規(guī)/不合規(guī)，設(shè)置監(jiān)視器、道閘開啟和閉合的操作，并可以通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)上述物件的狀態(tài)數(shù)值進(jìn)行修改，以達(dá)到遠(yuǎn)程控制物件的目標(biāo)。

（9）Enviroment環(huán)境變量功能設(shè)計(jì)。Packet Tracer平臺(tái)中的Python函數(shù)編程環(huán)境提供了Enviroment環(huán)境變量對(duì)象及函數(shù)的訪問的方式，此處使用該類型的變量實(shí)現(xiàn)RFID讀卡器和顯示器兩個(gè)不同物件之間車牌信息的直接傳輸。

4.2 物件內(nèi)Python編程

基于Packet Tracer平臺(tái)的物件Python編程的主要工作涉及物件的基本屬性定義、回調(diào)函數(shù)的定義、數(shù)據(jù)信息處理，以及內(nèi)部狀態(tài)變化對(duì)應(yīng)的邏輯處理，以使得物件與物件之間、物件與IoT服務(wù)器之間能夠正常地交互信息。與IoT服務(wù)器交互的物件，其硬件電路接口電平發(fā)生變化或通過無線收到IoT服務(wù)器數(shù)據(jù)時(shí)，在該物件中的Python代碼都將采用回調(diào)函數(shù)進(jìn)行信息處理。

4.3 物件間邏輯控制編程

IoT服務(wù)器接收到與之交互的物件傳遞的狀態(tài)信息后，將通過在IoT服務(wù)器中的偽代碼編程實(shí)現(xiàn)服務(wù)器側(cè)的邏輯條件控制，其邏輯控制對(duì)應(yīng)時(shí)序圖復(fù)合框中Opt部分。

5 結(jié)語

車輛道閘實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)融合了硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)工程技術(shù)和軟件編程技術(shù)，具有開放、靈活、二次開發(fā)方便的特點(diǎn)?；诂F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以融合計(jì)時(shí)與計(jì)費(fèi)功能、將停車管理功能擴(kuò)展為停車場系統(tǒng)，也可通過以下途徑擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：

（1）感知層實(shí)驗(yàn)：可以將Packet Tracer平臺(tái)已有的環(huán)境傳感器（CO2、光照、風(fēng)速濕度、溫度等）結(jié)合到該系統(tǒng)，也可自行創(chuàng)建新的傳感器融合到系統(tǒng)中。

（2）傳輸層實(shí)驗(yàn)：可以擴(kuò)展出口通道的道閘系統(tǒng)，或者設(shè)計(jì)多出口道閘系統(tǒng)，增加MCU控制節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)無線、有線混合網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)方式，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程服務(wù)器代替無線網(wǎng)關(guān)作為IoT網(wǎng)關(guān)。

（3）控制設(shè)備實(shí)驗(yàn)：可以將Packet Tracer平臺(tái)已有的控制設(shè)備（太陽能板、電池、警報(bào)器等）結(jié)合到系統(tǒng)中，或者增加非機(jī)動(dòng)車道道閘控制設(shè)備，拓展控制設(shè)備。

上述實(shí)驗(yàn)可以應(yīng)用的課程包括Python編程基礎(chǔ)、物聯(lián)網(wǎng)概論、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成、安防工程設(shè)計(jì)等課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。

基于Packet Tracer平臺(tái)的車輛道閘實(shí)驗(yàn)環(huán)境不受實(shí)驗(yàn)環(huán)境物理?xiàng)l件限制，學(xué)生一人一機(jī)的實(shí)驗(yàn)條件，能夠很好地將課程的示教、開發(fā)與實(shí)訓(xùn)相融合，最大限度地拓展學(xué)生的動(dòng)手能力，且該系統(tǒng)所具有的擴(kuò)展性使得該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具備有效培養(yǎng)和提升學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新的能力。

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Design of Internet of things experiment for vehicle gate system based on Packet Tracer

FAN Jun1,2, HU Weimin3, CAI Binbin2, YE Qiaolin1, YE Ning1

(1. College of Information Science and Technology, Nanjing Forestry University, Nanjing 210094, China; 2. School of Civil Engineering, Jiangsu College of Engineering and Technology, Nantong 226007, China;3. Library and Information Center, Jiangsu College of Engineering and Technology, Nantong 226007, China)

The experimental system of vehicle lanes and gates is planned and designed by using Packet Tracer’s Internet of things simulation system platform. The system includes the experimental objects of Internet of things such as the RFID card reader, license plate display, monitor, ground inductance coil, vehicle lane brake, traffic vehicle, etc. According to the working principle of the gate system, the hardware interface, network topology and software functions of the gate system objects are designed. The simulation of the gate system experiment is realized through Python software programming and IoT server logic control programming, which provides an effective and feasible solution for the practical teaching of the Internet of things.

barrier gate system; Internet of things; Packet Tracer; Python

TP391.9

A

1002-4956(2019)11-0133-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.032

2018-10-24

江蘇省高等職業(yè)院校國內(nèi)高級(jí)訪問學(xué)者計(jì)劃項(xiàng)目（2016GRFX013）；江蘇省青藍(lán)工程培養(yǎng)對(duì)象資助項(xiàng)目（2016-15）；江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院2015年教學(xué)改革立項(xiàng)項(xiàng)目（序號(hào)18）；江蘇省教育信息化研究課題（2019年企業(yè)委托課題，序號(hào)30）

范君（1975—），男，江蘇南通，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)槟Ｊ阶R(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)和網(wǎng)絡(luò)工程。E-mail: 13773679049@139.com