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        基于NB-IoT技術(shù)的智慧洗手間管理系統(tǒng)

        2021-10-10 02:56:56唐亞軍譚富元
        物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2021年9期
        關(guān)鍵詞:洗手間模組顯示屏

        李 為,唐亞軍,譚富元

        (中移物聯(lián)網(wǎng)有限公司,重慶 401336)

        0 引 言

        隨著信息通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展,智慧樓宇憑借其信息化、智能化、可視化和高度集成化等特點(diǎn)日益成為現(xiàn)代化城市建設(shè)的重要組成部分。智慧樓宇是寫字樓與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合,通過采用無線通信和傳感器等技術(shù),將各類樓宇系統(tǒng)、運(yùn)維管理體系、人的行為有序結(jié)合在一起,打造成為集數(shù)字化、智能化于一體的智慧樓宇,以保障樓宇內(nèi)工作環(huán)境的舒適程度,實(shí)現(xiàn)節(jié)能和高效管理[1]。

        針對當(dāng)前企業(yè)辦公樓洗手間存在的資源緊張問題,例如工作日早晨8:00—10:00期間是使用洗手間的高峰期,由于洗手間數(shù)量有限,經(jīng)常出現(xiàn)無洗手間空閑位置、等待時間過長等問題,浪費(fèi)了員工的工作時間,降低了工作效率。員工需求:第一時間知曉洗手間是否處于空閑狀態(tài),就近樓層是否有空位。

        針對上述現(xiàn)象,本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)技術(shù)的智慧洗手間管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r檢測洗手間的狀態(tài),并通過NB-IoT將數(shù)據(jù)傳輸至OneNET云平臺,將洗手間狀態(tài)變更數(shù)據(jù)推送并顯示在LCD顯示屏上,實(shí)現(xiàn)洗手間狀態(tài)信息主動上報(bào)和顯示[2-3]。

        1 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)

        窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)屬于蜂窩物聯(lián)網(wǎng),是物聯(lián)網(wǎng)通信領(lǐng)域的新興技術(shù),具有廣覆蓋、大連接、低功耗、低成本等特點(diǎn),可以廣泛應(yīng)用于多種應(yīng)用場景,如智慧停車、能源安防、智慧農(nóng)業(yè)等[4-6]。

        2 OneNET云平臺

        OneNET云平臺是由中國移動打造的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放平臺。平臺能夠幫助開發(fā)者輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)備接入與設(shè)備連接,快速完成產(chǎn)品開發(fā)部署,具備設(shè)備接入、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)及訪問安全、豐富API支持等功能。另外,OneNET云平臺還可提供數(shù)據(jù)推送功能,將平臺作為客戶端,將相關(guān)信息以HTTP/HTTPS請求的方式推送至應(yīng)用服務(wù)器。

        3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

        基于NB-IoT技術(shù)的智慧洗手間管理系統(tǒng)由智能紅外探測終端、LCD顯示屏和應(yīng)用服務(wù)器構(gòu)成。其中,智能紅外探測終端安裝在洗手間靠內(nèi)的墻壁上,主要用于探測和上報(bào)洗手間狀態(tài);LCD顯示屏安裝在洗手間入口位置,用于實(shí)時滾動顯示企業(yè)辦公樓各樓層洗手間的使用情況;應(yīng)用服務(wù)器采用Workerman通信框架搭建,負(fù)責(zé)管理和維護(hù)智能紅外探測終端上報(bào)的數(shù)據(jù)。另外,企業(yè)員工可隨時訪問應(yīng)用服務(wù)器,實(shí)時查看洗手間狀態(tài)[7-8]。系統(tǒng)組成原理如圖1所示,系統(tǒng)工作示意圖如圖2所示。

        圖1 系統(tǒng)組成

        圖2 系統(tǒng)工作示意圖

        4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

        4.1 智能紅外探測終端實(shí)現(xiàn)

        圖3 紅外探測終端工作原理

        圖4 MCU最小系統(tǒng)電路

        圖5 NB-IoT模組電路

        圖6 電池電壓輸入電路

        圖7 智能紅外探測終端代碼流程

        終端采用MCU STM32F103RCT6運(yùn)作,使用的資源包括5個部分:

        (1)基本定時器(2個):1個定時器用于定時進(jìn)入系統(tǒng)低功耗模式,1個定時器用于紅外終端的誤觸發(fā)機(jī)制(默認(rèn)300 ms為有效觸發(fā)時延)。

        (2)UART串口:Main串口與NB-IoT模組通信,Debug串口用于打印NB-IoT模組Log信息。

        (3)內(nèi)部RTC計(jì)時器:用于獲取基站時間,進(jìn)行時間和日期的計(jì)時。

        (4)I/O口:主要用于讀取紅外模塊的輸出數(shù)據(jù),控制模組的電源和紅外模塊電源。

        (5)SWD口(串行調(diào)試口):用于下載MCU調(diào)試程序。

        教學(xué)知識、教學(xué)技能、教育理念、教學(xué)行為、教學(xué)能力、教學(xué)藝術(shù)等構(gòu)成教師教學(xué)能力系統(tǒng)。遵循教學(xué)能力依序逐層遞進(jìn)發(fā)展規(guī)律,工科新教師培訓(xùn)則會事半功倍。

        紅外傳感器模塊主要有3個I/O口,VCC(接入電路電壓)、GND(接地)和I/O狀態(tài)輸出口。每當(dāng)檢測到活動人體時輸出高電平,無人情況下為低電平,以準(zhǔn)確進(jìn)行洗手間狀態(tài)判斷。

        NB-IoT模組:采用LWM2M協(xié)議通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)連接OneNET云平臺,主要向云平臺上報(bào)洗手間狀態(tài)等信息,平臺通過HTTP協(xié)議將數(shù)據(jù)推送至應(yīng)用服務(wù)器。

        4.2 LCD顯示屏實(shí)現(xiàn)

        LCD顯示屏工作原理如圖8所示。終端由MCU STM32F429核心板、LCD-RGB屏幕和NB-IoT模組構(gòu)成,主要電路如圖9所示。

        圖8 LCD顯示屏工作原理

        圖9 顯示屏核心板電路

        STM32F429 核心板主要用到以下資源:

        (1)RGB-LCD接口:用于與LCD屏幕連接。

        (2)W25Q256 32MB的SPI FLASH:用于存放圖片信息。

        (3)UART串口:MCU與NB-IoT模組通過UART1串口通信,UART2用于打印Debug信息。

        (4)內(nèi)部RTC定時器:獲取基站時間后,進(jìn)行時間和日期的計(jì)時。

        (5)基本定時器:用于控制模組定時拉取報(bào)文,定時更新屏幕信息。

        (6)SWD口:用于下載MCU調(diào)試程序。

        ATK1018 RGB-LCD屏幕:該電容觸摸屏模塊可提供RGB&LVDS兩種接口,最高支持24位真彩顯示,1280×800像素。自帶驅(qū)動芯片,MCU移植驅(qū)動代碼后,便能進(jìn)行屏幕開發(fā)。NB-IoT模組(LCD顯示屏部分)電路如圖10所示,LCD顯示屏代碼流程如圖11所示。

        圖10 NB-IoT模組電路(LCD顯示屏部分)

        圖11 LCD顯示屏代碼流程

        NB-IoT模組:NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通信采用HTTP協(xié)議從應(yīng)用服務(wù)器拉取報(bào)文,并通過串口將報(bào)文信息交付給MCU處理。

        4.3 應(yīng)用服務(wù)器實(shí)現(xiàn)

        本設(shè)計(jì)中,應(yīng)用服務(wù)器負(fù)責(zé)管理和維護(hù)智能紅外探測終端上報(bào)的數(shù)據(jù)。另外,企業(yè)員工可隨時訪問應(yīng)用服務(wù)器,實(shí)時查看洗手間狀態(tài)。應(yīng)用服務(wù)器工作原理如圖12所示。

        圖12 應(yīng)用服務(wù)器工作原理

        (1)Workerman通信框架:應(yīng)用服務(wù)器采用異步PHP Socket框架搭建,支持高并發(fā)、TCP長連接、HTTP、WebSocket等,穩(wěn)定性高。

        (2)數(shù)據(jù)管理和維護(hù):應(yīng)用服務(wù)器可調(diào)用OneNET云平臺提供的API接口進(jìn)行設(shè)備管理、數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備命令反向交互等操作。

        (3)數(shù)據(jù)訪問:終端可通過HTTP協(xié)議-GET請求定時從應(yīng)用服務(wù)器拉取紅外探測終端上報(bào)的數(shù)據(jù),并通過串口將報(bào)文信息交付給MCU,實(shí)現(xiàn)LCD顯示屏實(shí)時顯示洗手間狀態(tài)的目的。另外,企業(yè)員工可隨時訪問應(yīng)用服務(wù)器,查看洗手間狀態(tài)。

        5 測試結(jié)果與分析

        智能紅外探測終端上電后,完成初始化操作,測試實(shí)物如圖13所示。紅外傳感器模塊用于實(shí)時檢測活動人體,NBIoT模組自動連網(wǎng)并在MCU STM32F103RCT6的控制下上報(bào)洗手間狀態(tài)。在OneNET云平臺上能夠看到相應(yīng)的智能紅外探測終端在線情況和洗手間狀態(tài)信息,測試效果如圖14和圖15所示。

        圖13 紅外探測終端實(shí)物

        圖14 智能紅外探測終端在線情況

        圖15 洗手間空閑狀態(tài)信息

        LCD顯示屏上電后,終端完成初始化操作,NB-IoT模組自動連網(wǎng)并在MCU STM32F429核心板的控制下實(shí)時通過HTTP協(xié)議從應(yīng)用服務(wù)器拉取報(bào)文,并將洗手間空閑狀態(tài)信息顯示在屏幕上[9-10],測試效果如圖16所示。

        圖16 LCD顯示屏信息

        6 結(jié) 語

        本文設(shè)計(jì)了一種基于NB-IoT技術(shù)的智慧洗手間管理系統(tǒng),終端能夠?qū)崟r檢測洗手間狀態(tài),并通過NB-IoT技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸至OneNET云平臺,將洗手間狀態(tài)變更數(shù)據(jù)推送并顯示在LCD顯示屏上,實(shí)現(xiàn)洗手間狀態(tài)信息主動上報(bào)和顯示。本文將硬件和軟件技術(shù)相結(jié)合,使系統(tǒng)在一定程度上具備終端接入量更大,網(wǎng)絡(luò)穿透力更強(qiáng),通信更加安全,系統(tǒng)整體功耗更低,電源轉(zhuǎn)換率更高,并降低終端無線接入側(cè)的并發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和傳輸時延等優(yōu)點(diǎn)[11-12]。

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