一種基于物聯(lián)網(wǎng)的食堂信息采集系統(tǒng)研究

摘 要：國(guó)內(nèi)高校食堂普遍存在資源有限，用餐時(shí)間人流量大且分布不均特點(diǎn)進(jìn)而導(dǎo)致用餐時(shí)間十分擁擠。而對(duì)于高校大規(guī)模建設(shè)食堂又十分浪費(fèi)，于是我們關(guān)注于通過(guò)提高食堂座位資源利用率來(lái)緩解就餐期間擁擠的問(wèn)題。在前期研究的基礎(chǔ)上，本文比較了不同的硬件實(shí)現(xiàn)方案并進(jìn)行了實(shí)際的驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；食堂信息采集系統(tǒng)；研究

0 引言

問(wèn)題主要難點(diǎn)在于：對(duì)現(xiàn)有食堂不可能進(jìn)行大規(guī)模改造，所以要求設(shè)備的安裝、維護(hù)盡可能的方便。以我校健翔橋校區(qū)為例，食堂一樓大概有兩百多張桌椅。規(guī)模過(guò)大、成本過(guò)高，而且分布式的供電是個(gè)很大的工程問(wèn)題。因此，本文主要對(duì)下位機(jī)收集信息和上下位機(jī)及手機(jī)之間通訊進(jìn)行了實(shí)證，分別嘗試了有線、WIFI、多對(duì)一射頻、Zigbee方式。

1 系統(tǒng)方案

（1）基于AT89C51單片機(jī)的無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)圖像如圖所示，該無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是在單片機(jī)控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括傳感器與A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)系統(tǒng)、無(wú)線發(fā)送接收器、無(wú)線發(fā)送接收器等電路。無(wú)線發(fā)送接收器接受數(shù)據(jù)之后將其顯示或傳輸給再上一級(jí)或是計(jì)算機(jī)。

（2）基于CC1100的無(wú)線傳輸系統(tǒng)，傳感器將采集到的數(shù)據(jù)送入子控制器AT89S52單片機(jī)進(jìn)行綜合處理，處理后得到的桌椅使用情況信息經(jīng)無(wú)線傳輸模塊CC1100發(fā)送到主機(jī)進(jìn)行顯示等相應(yīng)處理。具有布線簡(jiǎn)單、功耗低和無(wú)線收發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸控制器采用美國(guó)ATMEL公司研發(fā)的AT89S52單片機(jī)，是一種高性能、低功耗的8位微控制器，具有8k Byte可編程Flash存儲(chǔ)器。由子控制器控制無(wú)線模塊收發(fā)數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行顯示等處理；主控制器循環(huán)地接收從機(jī)端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，控制人機(jī)接口，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理。

數(shù)據(jù)傳輸模塊采用TI公司開(kāi)發(fā)的無(wú)線收發(fā)芯片CC1100，可根據(jù)需要設(shè)置不同的工作頻率（可選頻率為315MHz、433MHz、868MHz和915MHz），該系統(tǒng)使用的頻率為433MHz。芯片以串行方式通訊，提供多達(dá)256個(gè)信道，能以單片機(jī)為控制核心搭建傳輸距離達(dá)200m以上的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，而且功率低，其工作狀態(tài)分為IDEL（待機(jī)）、RX（接收）、TX（發(fā)送），支持遠(yuǎn)程喚醒功能，能進(jìn)一步降低遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)的功耗。

而后是餐桌與上位機(jī)（擬為遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)）直接的無(wú)線數(shù)據(jù)通信。我們將采用多對(duì)一的遠(yuǎn)程射頻通信，由多張餐桌作為信號(hào)發(fā)送端，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)（或是工控機(jī)）作為接收端，進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集和處理。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)將對(duì)餐桌進(jìn)行編碼，而后返回?cái)?shù)據(jù)，具體技術(shù)方案預(yù)計(jì)可能采用上述基于CC1100的無(wú)線傳輸系統(tǒng)，CC1100芯片以串行方式通訊，提供多達(dá)256個(gè)信道，滿足多對(duì)一的遠(yuǎn)程信息傳輸。

2 實(shí)證研究

對(duì)于桌椅之間的通信。在實(shí)際操作中，我們發(fā)現(xiàn)方案一沒(méi)有辦法滿足收集信息的需要（需要采集并控制4個(gè)傳感器和5個(gè)開(kāi)關(guān)），方案二成本較高，而且調(diào)試復(fù)雜，容易脫落，維護(hù)成本較高。

所以我們最后采用有線的方式，傳感器使用壓力傳感器，而桌子正面提供了5個(gè)開(kāi)關(guān)，其中4個(gè)為壓力傳感配套用來(lái)收集座位實(shí)際有人與否的情況，開(kāi)關(guān)則提供給就餐者使用。

這種方式椅子從多種傳感器收集數(shù)據(jù)發(fā)送給桌子端，桌椅之間較近，受。外界干擾較小，成本低，可靠性高。

對(duì)于下位機(jī)我們選擇了MSP430。原因有三：（1）MSP430 有超低的功耗，在降低芯片的電源電壓和靈活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處。該系列單片機(jī)多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。（2）豐富的片內(nèi)外設(shè)。它是混合信號(hào)處理器，能夠針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，將多個(gè)不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供“單片機(jī)”解決方案。（3）開(kāi)發(fā)環(huán)境方便高效，可以用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。對(duì)于FLASH型，因?yàn)槠骷瑑?nèi)有JTAG調(diào)試接口，還有可電擦寫(xiě)的 FLASH 存儲(chǔ)器，因此采用先下載程序到FLASH內(nèi)，再在器件內(nèi)通過(guò)軟件控制程序的運(yùn)行，由JTAG接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試使用的方法進(jìn)行開(kāi)發(fā)。這種方式只需要一臺(tái)PC機(jī)和一個(gè)JTAG調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。

對(duì)于上下位機(jī)間的通訊，我們起初采用了WIFI1232-B2模塊，它可以串口轉(zhuǎn)WIFI，支持802.11 b/g/n協(xié)議，最大32個(gè)TCP連接數(shù)，支持Station/AP模式的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，工作電壓3.3V，支持TCP/UDP/ARP/ICMP/DHCP/DNS/HTTP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。于是上位機(jī)可以直接使用筆記本，開(kāi)發(fā)十分便捷。因?yàn)樯衔粰C(jī)是筆記本，所以上位機(jī)和顯示屏以及手機(jī)的通訊就十分簡(jiǎn)單了（可以使用網(wǎng)絡(luò)/藍(lán)牙等），一條控制通路的開(kāi)發(fā)很快就完成了。

但是鑒于這款集成模塊成本較高，我們決定上位機(jī)使用運(yùn)行Linux的ARM9來(lái)實(shí)現(xiàn)，這是博創(chuàng)科技公司的“魔法士”嵌入式開(kāi)發(fā)套件，因此和手機(jī)的通訊也改成了GSM方式，直接由上位機(jī)發(fā)送需要清潔的桌子編號(hào)給清潔人員身上的手機(jī)。

而顯示部分則使用一個(gè)運(yùn)行Android的手機(jī)擴(kuò)展屏幕得到，這是一種比較成熟的技術(shù)。實(shí)時(shí)顯示每個(gè)座位的占用和清潔狀況，并給出下一段（1分鐘內(nèi)）可能出現(xiàn)的新座位的預(yù)測(cè)位置。

3 總結(jié)

對(duì)于國(guó)內(nèi)高校食堂普遍存在資源有限，用餐時(shí)間人流量大且分布不均特點(diǎn)進(jìn)而導(dǎo)致用餐時(shí)間十分擁擠。我們關(guān)注于通過(guò)提高食堂座位資源利用率來(lái)緩解就餐期間擁擠的問(wèn)題。在前期研究的基礎(chǔ)上，本文比較了不同的硬件實(shí)現(xiàn)方案并進(jìn)行了實(shí)際的驗(yàn)證。最終選擇的方案成本可控且布置簡(jiǎn)單，但是限于時(shí)間和精力所限，沒(méi)能實(shí)現(xiàn)更靈活、面向?qū)嶋H的功能應(yīng)用，十分抱歉。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：北京信息科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院）