基于Zigbee的自動(dòng)校準(zhǔn)電子時(shí)鐘集群控制系統(tǒng)

韓曉英 陳峰 朱靜

(1．廣州大學(xué) 實(shí)驗(yàn)中心，廣州 510006;2．暨南大學(xué) 信息技術(shù)研究所，廣州 510085)

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，時(shí)鐘成為人們?nèi)粘９ぷ骱蜕铍x不開的工具。手機(jī)普及后，佩戴手表的人越來越少，人們更習(xí)慣借助于手機(jī)查看時(shí)間，但是有些場(chǎng)合則不便使用查看時(shí)間，如在學(xué)校上課的教室、各種大型考試的考場(chǎng)、工廠的車間等，上課時(shí)教師或?qū)W生使用手機(jī)查看時(shí)間會(huì)嚴(yán)重影響教學(xué)效果和學(xué)習(xí)效果［1－2］。同時(shí)，信息技術(shù)的發(fā)展也使手機(jī)、手表成為考試作弊的工具，因此考試時(shí)不允許攜帶手機(jī)，與考生需要把握考試時(shí)間形成了一個(gè)難以協(xié)調(diào)的矛盾，故下課提醒和考生命令提醒的統(tǒng)一性和規(guī)范化，成了學(xué)校和考試組織單位的亟待解決的問題。

傳統(tǒng)的電子時(shí)鐘只能單純的顯示時(shí)間，各個(gè)時(shí)鐘之間無法實(shí)現(xiàn)彼此的同步時(shí)間校準(zhǔn)，對(duì)人們的工作生活造成了一定的影響［3－5］。隨著電子時(shí)鐘系統(tǒng)的發(fā)展，需功能的增加，研發(fā)一種自動(dòng)校準(zhǔn)電子時(shí)鐘集群控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電子時(shí)鐘集群自動(dòng)校準(zhǔn)，同步播報(bào)文本信息和音頻信息，方便各種通知及緊急播報(bào)，是解決學(xué)校、考場(chǎng)等區(qū)域性場(chǎng)所的現(xiàn)實(shí)問題迫切需求。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成，上位機(jī)以接入了Zigbee模塊的PC機(jī)為主體，主要包括STM32單片機(jī)、Zigbee無線模塊和聯(lián)網(wǎng)工控機(jī)。下位機(jī)包括STM32單片機(jī)、Zigbee模塊、LED點(diǎn)陣顯示屏、驅(qū)動(dòng)電路和振鈴器。上位機(jī)程序利用Internet從網(wǎng)絡(luò)獲取時(shí)鐘信息并經(jīng)Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)將之傳送至各下位機(jī)，下位機(jī)上的Zigbee模塊將接收到的信息通過LED點(diǎn)陣顯示屏更新，從而實(shí)現(xiàn)一發(fā)多收。

2 無線組網(wǎng)系統(tǒng)硬件構(gòu)成

2.1 3G網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)校時(shí)

自動(dòng)校時(shí)利用工控機(jī)直接聯(lián)網(wǎng)，使用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)協(xié)議NTP(network time protocol)來進(jìn)行計(jì)算機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘的自動(dòng)同步校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)時(shí)間時(shí)鐘功能。設(shè)置如圖2所示。

2.2 Zigbee無線組網(wǎng)系統(tǒng)

無線傳感系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要涉及無線傳感層的Zigbee采集單元，該單元采用泰鼎克 (DTK)公司DRF1605模塊進(jìn)行組網(wǎng)，采用STM32VC103xx作為核心處理單元。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

Zigbee網(wǎng)絡(luò)具有三種網(wǎng)絡(luò)形態(tài)節(jié)點(diǎn):Coordinator(中心協(xié)調(diào)器)，Router(路由器)，End Device(終端節(jié)點(diǎn))［6］。Coordinator:全網(wǎng)絡(luò)唯一，用以創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并給新加入的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址。Coordinator通常定義為不能掉電的設(shè)備，沒有低功耗狀。Router:負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)資料包，尋找最適合的路由路徑，也可以收發(fā)數(shù)據(jù)，當(dāng)成一個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，還能保持網(wǎng)絡(luò)，為后加入的節(jié)點(diǎn)分配地址。Router通常定義為具有電源供電的設(shè)備，不能進(jìn)入低功耗狀態(tài)。End Device:通常定義為電池供電的低功耗設(shè)備，通常只周期性接收數(shù)據(jù)，不發(fā)送數(shù)據(jù)。

本文中主要功能是無線數(shù)據(jù)傳輸，最終組成連接MESH網(wǎng) (即:網(wǎng)狀網(wǎng))。每個(gè)節(jié)點(diǎn)既收發(fā)數(shù)據(jù)，也能擔(dān)任其它節(jié)點(diǎn)的路由器，所有的數(shù)據(jù)傳輸路由是自動(dòng)計(jì)算的，采用一個(gè)Coordinator和多個(gè)Router共同組網(wǎng)的方式，結(jié)點(diǎn)分布如圖3所示。

圖2 電子時(shí)鐘基準(zhǔn)時(shí)間校準(zhǔn)

3 系統(tǒng)軟件構(gòu)成

3.1 上位機(jī)控制模塊實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)硬件采用現(xiàn)成ARM系列單片機(jī)開發(fā)設(shè)備，需要進(jìn)行Uboot的移植，Linux操作系統(tǒng)移植，文件系統(tǒng)移植，字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，QT用戶操作界面開發(fā)等功能［7－9］。針對(duì)多媒體課室需求，分別開發(fā)上課系統(tǒng)和考試系統(tǒng)。上課系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際教學(xué)安排，定時(shí)統(tǒng)一響鈴和液晶屏顯示提醒，并根據(jù)需要發(fā)布一些課間、課后通知、注意事項(xiàng)等?？荚囅到y(tǒng)可以根據(jù)不同類型考試設(shè)置考試鈴聲和播報(bào)考試命令。主要包括以下模塊:

圖3 Zigbee結(jié)點(diǎn)分布圖

時(shí)間提取模塊。利用Format從操作系統(tǒng)中獲取日期和時(shí)間，再將其保存起來，最后包裝好傳遞給通信模塊。

字模的提取模塊:通過行和列從圖片中獲取像素點(diǎn)，再歸一化，使其成為單色像素點(diǎn)，最后用新數(shù)組存放起來

定時(shí)計(jì)劃配置模塊:通過計(jì)劃配置模塊可以對(duì)特定時(shí)間的文字內(nèi)容進(jìn)行配置。利用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取與存儲(chǔ)。

網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通狀態(tài)顯示模塊:上位機(jī)在與下位機(jī)成功建立網(wǎng)絡(luò)連接，時(shí)間同步后，文字信息廣播同步后，指示燈皆相應(yīng)產(chǎn)生變化，以告知用戶。

用戶操作功能模塊:應(yīng)用功能封裝成一鍵按鈕，用戶在前端直接操作按鈕，輸入文字皆可，后臺(tái)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

發(fā)送校準(zhǔn)時(shí)間:利用工控機(jī)聯(lián)網(wǎng)，使用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)協(xié)議來進(jìn)行計(jì)算機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘的自動(dòng)同步校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)時(shí)間約定。

通過科學(xué)化、合理化、人性化設(shè)計(jì)人機(jī)友好界面，實(shí)現(xiàn)學(xué)校、工廠等全單位無線通信電子時(shí)鐘系統(tǒng)管理，界面設(shè)置如圖4所示。

圖4 電子時(shí)鐘控制系統(tǒng)界面

3.2 下位機(jī)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

下位機(jī)由STM32控制器、LED點(diǎn)陣屏、ZigBee無線通信、按鍵、音頻輸出、蜂鳴器等模塊組成。控制軟件采用C#高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言進(jìn)行開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)的功能包括從網(wǎng)絡(luò)獲取時(shí)間并生成相應(yīng)的字模點(diǎn)陣，經(jīng)算法處理后通過串口發(fā)送給接入PC機(jī)的Zigbee模塊，并最終由Zigbee模塊發(fā)送給各下位機(jī)。下位機(jī)分為L(zhǎng)ED點(diǎn)陣屏的驅(qū)動(dòng)函數(shù)、基于TCPIP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層函數(shù)、應(yīng)用層函數(shù)、ZigBee通信函數(shù)、按鍵和蜂鳴器驅(qū)動(dòng)函數(shù)、音頻驅(qū)動(dòng)函數(shù)共六個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。電子時(shí)鐘集群控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 電子時(shí)鐘集群控制系統(tǒng)

4 結(jié)語

應(yīng)用Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)了自動(dòng)校時(shí)電子時(shí)鐘集群控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域內(nèi)多個(gè)時(shí)鐘的集中統(tǒng)一監(jiān)測(cè)控制，為區(qū)域內(nèi)多個(gè)時(shí)鐘的統(tǒng)一維護(hù)和管理提供軟硬件技術(shù)支持。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無線群內(nèi)多個(gè)電子時(shí)鐘與網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步，并能根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)時(shí)鐘提醒、發(fā)布緊急通知、統(tǒng)一發(fā)布信息等，對(duì)多媒體教室、正規(guī)考試考場(chǎng)非常實(shí)用。

［1］韓雪．基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧校園系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［J］．電子設(shè)計(jì)工程，2011(24):43－44．

［2］李盧一，鄭燕林．物聯(lián)網(wǎng)在教育中的應(yīng)用［J］．現(xiàn)代教育技術(shù)，2010，20(2):8－10．

［3］王曉靜，張晉．物聯(lián)網(wǎng)研究綜述［J］．遼寧大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，37(1):37－38．

［4］蔣源，王伏華．物聯(lián)網(wǎng)研究綜述［J］．電腦知識(shí)與技術(shù)，2011(30):24－26．

［5］靳桅．基于51系列單片機(jī)的LED顯示屏開發(fā)技術(shù)［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009:145．

［6］彭宇，喬立巖．基于ZigBee的無線并行測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法:中國(guó):CN101783708 B［P］．2010－01－21．

［7］鄭石平，馮學(xué)智．基于TCP的跨網(wǎng)段文件傳輸［J］．計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2007(3):1064－1068．

［8］Li Zheng．Zigbee wireless sensor network in industrial applications［C］．In:2006 SICE － ICASE international Joint Conference．Washington D．C．:IEEE Computer Society，2006:1067 －1070．

［9］唐瑛，張立國(guó)．基于自助服務(wù)的高校智慧校園構(gòu)建研究［J］．中國(guó)教育信息化，2014(2):46－48．