基于物聯(lián)網(wǎng)的智能學(xué)生宿舍系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：本文是在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上，以學(xué)生宿舍為研究對(duì)象，建立一個(gè)對(duì)學(xué)生宿舍環(huán)境實(shí)現(xiàn)控制與管理的智能化系統(tǒng)。系統(tǒng)采用ARM S3C6410 作為核心控制處理器，嵌入式Linux系統(tǒng)為智能學(xué)生宿舍總中心控制系統(tǒng)，以ZigBee近距離無(wú)線傳輸協(xié)議組建宿舍控制監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)增設(shè)服務(wù)器以及開(kāi)發(fā)Android 應(yīng)用程序，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和普及率，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生宿舍居住和管理的智能化。

關(guān)鍵詞：嵌入式；物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee；智能學(xué)生宿舍；智能家居

中圖分類號(hào)：TP273

物聯(lián)網(wǎng)是在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用RFID、無(wú)線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，構(gòu)造一個(gè)覆蓋萬(wàn)事萬(wàn)物的網(wǎng)絡(luò)世界，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，可以對(duì)各個(gè)事物進(jìn)行智能化管理和互動(dòng)[1]。如今，智能家居的理念不斷深入人心，許多家用電器都實(shí)現(xiàn)了智能化控制，但很少有將這種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于大學(xué)生宿舍。然而，學(xué)校宿舍用電安全及財(cái)產(chǎn)安全一直是社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，所以設(shè)計(jì)一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能控制系統(tǒng)來(lái)對(duì)學(xué)生宿舍進(jìn)行管理是有現(xiàn)實(shí)意義的。

1 系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)是以ARM 嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用無(wú)線傳感器技術(shù)、RFID以及信號(hào)處理與通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體架構(gòu)。該系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)對(duì)宿舍的門(mén)禁、照明、采光和供電插座進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與管理，利用RFID對(duì)人員進(jìn)出進(jìn)行記錄。

智能宿舍系統(tǒng)按照功能結(jié)構(gòu)可以分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層。系統(tǒng)應(yīng)用層的具體實(shí)物包含了Android應(yīng)用程序及其服務(wù)器相關(guān)程序。在系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層中，服務(wù)器是建立外網(wǎng)通信的核心部分，宿舍網(wǎng)關(guān)是建立內(nèi)部通信連接數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵牟糠?。在tiny6410開(kāi)發(fā)板上擴(kuò)展ZigBee模塊作為宿舍網(wǎng)關(guān)，負(fù)責(zé)宿舍內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)的感知層是采用ZigBee近距離無(wú)線傳輸協(xié)議來(lái)組建宿舍內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展不同的模塊以實(shí)現(xiàn)不同功能。智能宿舍系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

2 智能宿舍系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能宿舍系統(tǒng)硬件主要是宿舍網(wǎng)關(guān)（嵌入式Linux網(wǎng)關(guān)）、ZigBee自組網(wǎng)中各個(gè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。智能宿舍網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)是建立在嵌入式Linux系統(tǒng)上，與服務(wù)器建立TCP連接，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，并與ZigBee協(xié)調(diào)器建立串行數(shù)據(jù)通信連接，ZigBee協(xié)調(diào)器通過(guò)組建內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)相互間的通信連接，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的管理與控制。

智能宿舍網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)采用的是Tiny6410 嵌入式開(kāi)發(fā)板[3]，其配有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口和四個(gè)串行通信接口，可以簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。在移植嵌入式Linux系統(tǒng)后，只需要在該系統(tǒng)上運(yùn)行建立網(wǎng)絡(luò)與串行通信連接的應(yīng)用程序。

ZigBee節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)采的是TI公司的CC2530F256芯片，單個(gè)芯片上整合ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。[2]

圖1 智能宿舍系統(tǒng)的總體架構(gòu)

2.1 嵌入式Linux網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

Linux內(nèi)核支持DM9000 的驅(qū)動(dòng)和串行通信接口驅(qū)動(dòng)，并且對(duì)TCP/IP協(xié)議有良好的支持，設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)通信程序較容易，作為智能宿舍的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)，要處理來(lái)自服務(wù)器的控制指令數(shù)據(jù)，解析后通過(guò)串行通信方式傳遞給ZigBee協(xié)調(diào)器，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的獲取與傳輸，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 ZigBee節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

寢室環(huán)境中，各功能設(shè)備的通訊是基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。介于智能宿舍的規(guī)模，即網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大、節(jié)點(diǎn)較多等因素，宿舍內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選擇星形結(jié)構(gòu)。在實(shí)際環(huán)境中搭建的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，必要的硬件設(shè)備按結(jié)構(gòu)可分為協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)。

2.2.1 ZigBee協(xié)調(diào)器

ZigBee組網(wǎng)具有自組織的特點(diǎn)。ZigBee 協(xié)調(diào)器主要是組建整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)相互間的數(shù)據(jù)傳輸，并與嵌入式智能宿舍網(wǎng)關(guān)建立通信連接，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳及指令的下發(fā)。

2.2.2 終端節(jié)點(diǎn)

在學(xué)生宿舍環(huán)境中，安全方面是首要考慮的。所以終端節(jié)點(diǎn)的功能設(shè)計(jì)，包含了RFID門(mén)禁系統(tǒng)、照明與插座控制節(jié)點(diǎn)、窗簾電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)等。

（1）門(mén)禁控制節(jié)點(diǎn)。RFID門(mén)禁系統(tǒng)采用RC522 13.56MHZ 高頻的射頻識(shí)別模塊，可以快速、準(zhǔn)確地讀取常見(jiàn)類型的學(xué)生校園卡，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)門(mén)閥的控制。由于本RFID門(mén)禁系統(tǒng)是通過(guò)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)控制，通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)Android 手機(jī)的遠(yuǎn)程控制。當(dāng)需要遠(yuǎn)程開(kāi)門(mén)時(shí)，點(diǎn)擊Android 系統(tǒng)上的開(kāi)門(mén)按鈕，通過(guò)Internet和ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆撻T(mén)禁系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)上，通過(guò)該節(jié)點(diǎn)對(duì)門(mén)閥的控制實(shí)現(xiàn)開(kāi)門(mén)。同時(shí)，還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程管理此門(mén)禁系統(tǒng)，當(dāng)需要鎖定某種RFID卡號(hào)，通過(guò)鎖定按鈕以實(shí)現(xiàn)RFID射頻識(shí)別的失效；需要恢復(fù)時(shí)，通過(guò)解鎖按鈕恢復(fù)。

圖3 門(mén)禁節(jié)點(diǎn)原理圖

（2）照明與插座控制節(jié)點(diǎn)。與門(mén)禁節(jié)點(diǎn)原理相似，電燈與插座都是CC2530 單片機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電燈以及用電器件的控制。當(dāng)接收到網(wǎng)絡(luò)傳遞的指令數(shù)據(jù)時(shí)，ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)執(zhí)行相應(yīng)的控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)電燈或是用電器件的開(kāi)關(guān)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了學(xué)生宿舍的用電器件的管理以控制，以無(wú)接觸方式實(shí)現(xiàn)用電器件的控制，保證了用電的安全可靠。

（3）窗簾電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)。窗簾控制就是通過(guò)CC2530 單片機(jī)通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，原理與門(mén)禁節(jié)點(diǎn)類似。當(dāng)該終端節(jié)點(diǎn)接收到相關(guān)控制指令通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的以實(shí)現(xiàn)窗簾的開(kāi)關(guān)控制，這里可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)需要來(lái)控制窗簾的開(kāi)合度，保證室內(nèi)的合理化采光控制。

3 智能宿舍系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 服務(wù)器程序設(shè)計(jì)

服務(wù)器程序是建立在具有固定IP的服務(wù)器上，最主要的作用是建立 Android 手機(jī)客戶端和嵌入式系統(tǒng)的TCP 連接的線程間的管理和通信。嵌入式Linux系統(tǒng)與服務(wù)器建立TCP連接后，服務(wù)創(chuàng)建相應(yīng)線程與其通信，當(dāng)Android 手機(jī)客戶端建立連接時(shí)，服務(wù)器創(chuàng)建另一個(gè)線程與其通信，服務(wù)器將兩者通信數(shù)據(jù)相互傳輸，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)客戶端線程的通信。

3.2 Android 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

Android應(yīng)用程序是用戶遠(yuǎn)程訪問(wèn)控制宿舍的客戶端。應(yīng)用程序設(shè)計(jì)就是與ZigBee節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的，分為門(mén)禁的控制按鈕、電燈的開(kāi)關(guān)按鈕、插座的通斷按鈕和窗簾的開(kāi)閉按鈕。應(yīng)用程序首次安裝登錄時(shí)，會(huì)與手機(jī)號(hào)進(jìn)行綁定，以提高系統(tǒng)的安全性。登錄后與服務(wù)器建立TCP連接，按鈕動(dòng)作會(huì)向服務(wù)器發(fā)送相應(yīng)的控制指令，達(dá)到控制目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了學(xué)生宿舍的智能化管理與控制功能，整體結(jié)構(gòu)清晰明了，節(jié)點(diǎn)安裝方便?？梢愿鶕?jù)實(shí)際需求擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的功能，適用于不同環(huán)境。此項(xiàng)技術(shù)將Web技術(shù)、嵌入式技術(shù)和ZigBee技術(shù)完美的結(jié)合，在學(xué)生宿舍方面的應(yīng)用與推廣有較好的前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]Luigi A，Antonio I，Giacomo M.The internet of things：A survey[J].Computer Networks，2010：784-2805

[2]Texas Instruments.A True System-on-Chip Solution for 2.4-GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee Applications[EB/OL].http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc2530.pdf.

[3]友善之臂.Tiny6410開(kāi)發(fā)板[EB/OL].http：//www.arm9.net/tiny6410.asp.

作者簡(jiǎn)介：華旺東（1992.01-），男，湖北武漢人，本科，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)；張仕臻（1989.06-），男，湖北十堰人，江漢大學(xué)研究生處，研究生，研究方向：系統(tǒng)工程；王松（1992.08-），男，湖北武漢人，本科。

作者單位：江漢大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，湖北武漢 430056