李 為,唐亞軍,譚富元
(中移物聯(lián)網(wǎng)有限公司,重慶 401336)
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,實現(xiàn)節(jié)能和高效管理[1]。
針對當前企業(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)計并實現(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,實現(xiàn)洗手間狀態(tài)信息主動上報和顯示[2-3]。
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,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]。
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。
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洗手間狀態(tài);LCD顯示屏安裝在洗手間入口位置,用于實時滾動顯示企業(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,負責(zé)管理和維護智能紅外探測終端上報的數(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
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)機制(默認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計時器:用于獲取基站時間,進行時間和日期的計時。
(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。每當檢測到活動人體時輸出高電平,無人情況下為低電平,以準確進行洗手間狀態(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。
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,進行時間和日期的計時。
(5)基本定時器:用于控制模組定時拉取報文,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)器拉取報文,并通過串口將報文信息交付給MCU處理。
本設(shè)計中,應(yīng)用服務(wù)器負責(zé)管理和維護智能紅外探測終端上報的數(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:應(yīng)用服務(wù)器可調(diào)用OneNET云平臺提供的API接口進行設(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的數(shù)據(jù),并通過串口將報文信息交付給MCU,實現(xiàn)LCD顯示屏實時顯示洗手間狀態(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)。
智能紅外探測終端上電后,完成初始化操作,測試實物如圖13所示。紅外傳感器模塊用于實時檢測活動人體,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核心板的控制下實時通過HTTP協(xié)議從應(yīng)用服務(wù)器拉取報文,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
本文設(shè)計了一種基于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,實現(xiàn)洗手間狀態(tài)信息主動上報和顯示。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,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)險和傳輸時延等優(yōu)點[11-12]。