基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物件定位搜尋智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

解乃軍 陸欣云 劉婷 朱甜甜

摘 要：“基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物件定位搜尋智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)”，綜合運(yùn)用嵌入式系統(tǒng)、無(wú)線傳輸、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)。本系統(tǒng)主要由上位機(jī)、手持終端及電子標(biāo)簽三大部分構(gòu)成，其中無(wú)線通信模塊采用ZIGBEE協(xié)議。本系統(tǒng)首先對(duì)物件進(jìn)行數(shù)字編碼，然后在上位機(jī)里建立對(duì)應(yīng)的物件檔案，最后通過(guò)操作PC或者手持終端實(shí)現(xiàn)物件定位，同時(shí)還可獲取物件存放的環(huán)境溫度參數(shù)等信息，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸及物件定位。在傳輸抗干擾性，低功耗等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：上位機(jī)；手持終端；電子標(biāo)簽；ZIGBEE

1 引言

隨著科技的發(fā)展，生活質(zhì)量的提高，個(gè)人及單位的物品越來(lái)越多，往往當(dāng)人們需要尋找一個(gè)物件或多個(gè)物件時(shí)就變得困難，且非常不方便。

2 物件定位搜尋過(guò)程描述

物件定位搜尋簡(jiǎn)單流程為：首先，設(shè)定好物件的相關(guān)信息（包括物件名稱(chēng)、入庫(kù)時(shí)間等），將設(shè)定的信息下載到電子標(biāo)簽?zāi)K中，然后將電子標(biāo)簽固定在對(duì)應(yīng)的物件上，則完成電子標(biāo)簽設(shè)定。其次，通過(guò)操作PC上位機(jī)或者手持終端上的按鍵，查找處于網(wǎng)絡(luò)中的帶有ID的標(biāo)簽，通過(guò)物件菜單來(lái)定位目標(biāo)物件，以及物件的相關(guān)信息。按下“確認(rèn)鍵”，該電子標(biāo)簽上天線接收到信息，蜂鳴器發(fā)出鳴叫，則確定物件的位置。對(duì)物件定位搜尋影響最大的是ZIGBEE接收和發(fā)射模塊。

3 總體方案

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案包含兩項(xiàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容。第一部分為軟件部分的設(shè)計(jì)；第二部分為硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。其中，第一部分軟件設(shè)計(jì)部分由上位機(jī)和控制系統(tǒng)程序組成。第二部分是整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括手持終端以及電子標(biāo)簽兩大部分的電路設(shè)計(jì)。

3.1系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1.1 物件定位系統(tǒng)上位機(jī)的設(shè)計(jì)

上位機(jī)為控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)的通信和控制整個(gè)系統(tǒng)的工作，可以設(shè)置傳輸?shù)牟ㄌ芈?、?shù)據(jù)位、校驗(yàn)位以及停止位等參數(shù)。在PC機(jī)中輸入要查找的物件名稱(chēng)或者通過(guò)手持終端物品菜單選擇要查找的物品名稱(chēng)，點(diǎn)擊“查找”鍵后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的該物件的信息將反饋到界面，點(diǎn)擊“定位”后，物件標(biāo)簽上的蜂鳴器發(fā)出鳴叫，則實(shí)現(xiàn)物件定位。上位機(jī)還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)清零、保存等功能，實(shí)現(xiàn)無(wú)手持終端物件無(wú)線定位。

3.1.2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)ZigBee無(wú)線模塊采用的是Z-Stack協(xié)議棧。該協(xié)議棧中的協(xié)議可以分為兩部分，IEEE 802.15.4定義了PHY（物理層）和MAC（介質(zhì)訪問(wèn)層）技術(shù)規(guī)范；ZigBee聯(lián)盟定義了NWK（網(wǎng)絡(luò)層）、APS（應(yīng)用程序支持子層）、APL（應(yīng)用層）技術(shù)規(guī)范。協(xié)議棧將各個(gè)層定義的協(xié)議集合在一起，以函數(shù)的形式給用戶(hù)提供API（應(yīng)用層），用戶(hù)可以直接調(diào)用。

3.2 協(xié)議棧API（應(yīng)用層）函數(shù)

3.2.1 ZDO（設(shè)備對(duì)象層）

設(shè)備對(duì)象層ZDO（ZigBee Device Object）層，提供了管理一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)所要使用的功能函數(shù)。ZDO API為協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備提供了應(yīng)用端點(diǎn)的管理函數(shù)，其中包括：建立、發(fā)現(xiàn)和加入一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，綁定應(yīng)用端點(diǎn)和安全管理。ZDP（ZigBee Device Profile）即ZigBee設(shè)備規(guī)范，描述了ZDO內(nèi)部一般性的ZigBee設(shè)備功能是如何實(shí)現(xiàn)的。它定義了使用命令和響應(yīng)對(duì)的設(shè)備描述和簇。ZDP為ZDO和應(yīng)用程序提供如下的功能：設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)；設(shè)備和服務(wù)發(fā)現(xiàn)；終端設(shè)備綁定、綁定和取消綁定服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。

3.2.2 AF（應(yīng)用框架層）

應(yīng)用框架層AF（Application Framework），提供了針對(duì)協(xié)議棧的應(yīng)用端點(diǎn)和設(shè)備端點(diǎn)接口，其中主要包含：設(shè)備描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)收、發(fā)函數(shù)，端點(diǎn)管理。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)設(shè)備都是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有唯一的IEEE地址（64位）和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址（16位）。網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)必須指定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的短地址，數(shù)據(jù)才能被接收。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有241個(gè)端點(diǎn)，其中端點(diǎn)0由ZDO層使用，它是不可缺少的。端點(diǎn)1～240由應(yīng)用程序分配使用，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用程序必須登記注冊(cè)一個(gè)或多個(gè)端點(diǎn)，這樣才能發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

3.2.3 APS（應(yīng)用支持子層）

應(yīng)用支持子層APS（Application Support Sublayer）為設(shè)備對(duì)象和應(yīng)用實(shí)體提供了以下的支持服務(wù)：綁定表管理、組表管理、快速地址查詢(xún)。

3.2.4 NWK（網(wǎng)絡(luò)層）

網(wǎng)絡(luò)層NWK（ZigBee network），為上層提供了管理服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)。

3.2.5 ZMAC（介質(zhì)訪問(wèn)層）

介質(zhì)訪問(wèn)層ZMAC，在IEEE802.15.4與網(wǎng)絡(luò)層之間提供接口。

4 系統(tǒng)軟件的主程序

Z-Stack協(xié)議棧的主程序是一個(gè)小型的操作系統(tǒng)（本質(zhì)也是大型的程序），它幫助我們只考慮底層和網(wǎng)絡(luò)層的內(nèi)容，將復(fù)雜部分屏蔽掉。讓用戶(hù)通過(guò)上述的API函數(shù)就可以輕易使用ZigBee。Z-Stack采用任務(wù)輪詢(xún)的工作方式執(zhí)行任務(wù)。

4.1 按鍵的功能

（1）作路由器功能時(shí)，復(fù)位鍵的功能是電路復(fù)位，S1懸空，S2查找網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，S3查找具體的某一設(shè)備；

（2）作為電子標(biāo)簽?zāi)K，復(fù)位鍵的功能是電路復(fù)位，S2按下則表示已經(jīng)查找到相關(guān)物件；

（3）作為手持終端使用的模塊，復(fù)位鍵的功能是電路復(fù)位，S1查找，短時(shí)間按S2菜單，長(zhǎng)時(shí)間按S2則查找當(dāng)前光標(biāo)下對(duì)應(yīng)的物件，S3取消定位。

4.2 液晶顯示屏的功能

采用Nokia5110液晶顯示屏來(lái)顯示物件信息，包括各個(gè)物件的ID值以及物品的名稱(chēng)等，取下電子標(biāo)簽上的液晶屏，可以使得整個(gè)模塊功耗更低，實(shí)現(xiàn)模塊的高性能、低功耗。

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)在我們所有隊(duì)員的努力下，在我的指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)下終于順利做出了實(shí)物模型。在該模型的基礎(chǔ)上我們對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證，制作出一套成品以及完成上位機(jī)軟件的編寫(xiě)。本設(shè)計(jì)體現(xiàn)出了團(tuán)隊(duì)的重要性，同時(shí)體現(xiàn)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，讓我們團(tuán)隊(duì)的所有成員都得到了一次鍛煉。

參考文獻(xiàn)

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