基于GPS+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

汪剛 張振峰 王萍

（南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué) 江蘇省南京市 210000）

通常情況下，包括大、中、小學(xué)在內(nèi)的各類教育場所、部隊(duì)營區(qū)、大型醫(yī)院、工廠、企事業(yè)單位等，都需要一個(gè)統(tǒng)一而精確的時(shí)鐘系統(tǒng)，作為工作同步與協(xié)調(diào)的參考依據(jù)，但目前常見的時(shí)鐘存在時(shí)間不準(zhǔn)確、不統(tǒng)一、時(shí)鐘供電不穩(wěn)定、時(shí)鐘鬧鈴設(shè)置不靈活、時(shí)鐘設(shè)置不便捷、功能單一等諸多缺陷。本項(xiàng)目提出一種基于GPS+物聯(lián)網(wǎng)的智能時(shí)鐘系統(tǒng)，能通過GPS 技術(shù)獲得精準(zhǔn)而統(tǒng)一的時(shí)間，通過服務(wù)器上的后臺(tái)管理系統(tǒng)對區(qū)域內(nèi)所有時(shí)鐘終端進(jìn)行統(tǒng)一授時(shí)和管理控制，時(shí)鐘終端獲得豐富的時(shí)間信息，同時(shí)還具備個(gè)性化的語音播放（鬧鈴）等功能，很好的解決了現(xiàn)實(shí)中眾多應(yīng)用場景中因時(shí)鐘問題而帶來的痛點(diǎn)，將有效促進(jìn)工作的協(xié)調(diào)與同步、促進(jìn)職場環(huán)境的改善、促進(jìn)設(shè)備個(gè)性化服務(wù)及管理性能的提升。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

1.1 服務(wù)器端需求

利用DSP 采集GPS 信號(hào)獲得時(shí)間源，并通過軟件補(bǔ)差完成校驗(yàn)獲得中國標(biāo)準(zhǔn)的北京時(shí)間信息，作為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有時(shí)鐘終端的時(shí)間信息源。

1.2 時(shí)鐘終端設(shè)計(jì)需求

系統(tǒng)內(nèi)所有時(shí)鐘終端通過加載以太網(wǎng)通信模塊，達(dá)到與服務(wù)器端通信連接，獲取上述豐富的時(shí)間信息，包括年、月、日、時(shí)、分，星期、周次（自定義起止時(shí)間）等，通過LED 陣列或者數(shù)碼管顯示，每個(gè)時(shí)鐘終端還可以實(shí)時(shí)顯示所在場地的溫度、濕度等信息。系統(tǒng)內(nèi)所有時(shí)鐘終端可以接收服務(wù)器端發(fā)送的音頻文件（MP3 格式）并存儲(chǔ)在本地機(jī)器上，可以根據(jù)設(shè)置好的鬧鈴時(shí)間（不同時(shí)段播放不同的音頻文件）播放相應(yīng)的音頻文件。

1.3 后臺(tái)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

后臺(tái)管理系統(tǒng)可以定義設(shè)備物理地址編號(hào)，可以批量集中管理終端設(shè)備，查看每個(gè)時(shí)鐘當(dāng)前狀態(tài)（正常、故障、未連接）；可以向終端設(shè)備發(fā)送音頻文件，傳遞豐富的當(dāng)前時(shí)間參數(shù)、鬧鐘參數(shù)，還可以調(diào)節(jié)終端設(shè)備的播放音量；根據(jù)實(shí)際需要，可以批量控制終端設(shè)備的開機(jī)、關(guān)機(jī)以及終端設(shè)備的定時(shí)開關(guān)機(jī)信息。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 服務(wù)器端設(shè)計(jì)

利用DSP 模塊采集GPS 信號(hào)，結(jié)合天線、地波校時(shí)模塊、時(shí)鐘芯片等設(shè)計(jì)并獲得精準(zhǔn)時(shí)間源，系統(tǒng)在每天特定時(shí)間通過接收時(shí)間源信息，分析并通過軟件進(jìn)行時(shí)間補(bǔ)償計(jì)算，從而完成精準(zhǔn)校時(shí)。后臺(tái)服務(wù)器端通過系統(tǒng)WEB 客戶端連接網(wǎng)絡(luò)內(nèi)終端主板系統(tǒng)，完成對所有連接設(shè)備的管理和控制，系統(tǒng)采用加密方式傳輸數(shù)據(jù)信息，保證系統(tǒng)的安全。

2.2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

圖1：系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2：系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

圖3：時(shí)鐘終端產(chǎn)品樣機(jī)

系統(tǒng)架構(gòu)采用基于物聯(lián)網(wǎng)的通信模式，將終端產(chǎn)品通過有線或者無線模式連接到后臺(tái)控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)對所有終端進(jìn)行管理和控制。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2.3 時(shí)鐘終端硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

終端硬件模塊主要包括有線網(wǎng)絡(luò)模塊、Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)模塊、溫濕度傳感器、時(shí)鐘模塊、MCU、外部存儲(chǔ)設(shè)備、MP3 音樂播放模塊、喇叭/音響、顯示裝置、降壓電路等組成。終端顯示部分由于只需要顯示時(shí)間，通過對比發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管具有最佳的性價(jià)比，滿足需求。下位機(jī)采集溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)將環(huán)境溫度和濕度通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到后臺(tái)，統(tǒng)一查看。如圖2所示為系統(tǒng)硬件架構(gòu)體系。

圖4：后臺(tái)管理系統(tǒng)主界面

2.4 后臺(tái)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

后臺(tái)管理系統(tǒng)與終端設(shè)備數(shù)據(jù)通信協(xié)議通常采用WebSocket 協(xié)議，該協(xié)議是為HTML5 應(yīng)用方便與服務(wù)器雙向通訊而設(shè)計(jì)的協(xié)議，HTTP 握手然后轉(zhuǎn)TCP 協(xié)議，用于取代之前的Server Push、Comet、長輪詢等老舊實(shí)現(xiàn)，但在實(shí)際基于物聯(lián)網(wǎng)場景設(shè)計(jì)時(shí)，還需要適應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)的QoS、層級(jí)主題、遺言等，因此選MQTT 協(xié)議更合適，該協(xié)議是基于TCP 的Pub/Sub 協(xié)議，有許多為物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化的特性，因此更適合本項(xiàng)目終端與后臺(tái)控制系統(tǒng)的連接通信。后臺(tái)管理系統(tǒng)采用B/S 模式，選擇主流的開發(fā)體系架構(gòu)：Windows+ Apache + PHP +MySQL，系統(tǒng)與終端設(shè)備數(shù)據(jù)通信協(xié)議選擇MQTT。

3 功能實(shí)現(xiàn)

3.1 時(shí)鐘終端功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)時(shí)鐘終端主板的網(wǎng)絡(luò)通信模塊是基于TCP/IP 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，Wi-Fi 模塊采用ESP8266-12F 設(shè)計(jì)，有線模塊核心采用W5500，RJ45 接口連接，MCU 使用了STM 公司的STM32F407ZGT6 單片機(jī)，該單片機(jī)基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex 內(nèi)核，外圍接口豐富，實(shí)現(xiàn)對該裝置的總控。系統(tǒng)對終端設(shè)備初始化時(shí)會(huì)設(shè)置設(shè)備名、服務(wù)UUID、發(fā)射功率、網(wǎng)絡(luò)名稱、配對密碼等信息。設(shè)備加電啟動(dòng)后，單片機(jī)收到網(wǎng)絡(luò)模塊接收到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行軟件解密，從而保障了系統(tǒng)的安全。用戶通過后臺(tái)管理系統(tǒng)設(shè)置鬧鈴以及鈴聲（選定的音頻文件），當(dāng)時(shí)間到達(dá)設(shè)定時(shí)間時(shí)，MCU 就會(huì)通過SDIO 讀取、DMA 搬運(yùn)外部存儲(chǔ)設(shè)備中所選鈴聲的音頻數(shù)據(jù)，傳遞給音頻編解碼芯片，再輸出到喇叭/音響，從而達(dá)到鬧鈴以及播放音頻文件的目的。時(shí)鐘終端最終產(chǎn)品樣機(jī)如圖3所示。

3.2 后臺(tái)管理系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

后臺(tái)管控系統(tǒng)主要包括控制臺(tái)、終端設(shè)備初始化、終端設(shè)備管理控制、場景位置信息管理、學(xué)期管理、鬧鈴時(shí)效管理、附件管理、權(quán)限管理、日志管理等模塊。臺(tái)管理系統(tǒng)主界面如圖4所示。

（1）控制臺(tái)模塊主要用于直觀顯示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有終端的狀態(tài)，包括終端個(gè)數(shù)、正常終端數(shù)、斷聯(lián)終端數(shù)、故障終端數(shù)等信息。

（2）終端設(shè)備初始化模塊主要對終端信息進(jìn)行增加及查看等操作，默認(rèn)顯示系統(tǒng)中所有終端的相關(guān)信息，包括終端名稱/編號(hào)、位置信息、注冊時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)及當(dāng)前狀態(tài)等。

（3）終端設(shè)備管理控制模塊主要包括開關(guān)機(jī)設(shè)置、清除指令設(shè)置、時(shí)間設(shè)置、定時(shí)開關(guān)機(jī)設(shè)置、鬧鈴設(shè)置、發(fā)送音頻文件、場景位置設(shè)置、學(xué)期管理等子功能，實(shí)現(xiàn)批量設(shè)置終端信息，包括時(shí)間、鬧鈴、音頻文件、音量大小及定時(shí)開關(guān)機(jī)等。其中發(fā)送音頻文件是向指定設(shè)備發(fā)送音頻，并存儲(chǔ)到指定設(shè)備上；鬧鈴設(shè)置模塊可以選擇指定的終端進(jìn)行設(shè)置，包括鬧鈴時(shí)間、播放音頻、鬧鈴重復(fù)日期等。

（4）場景位置信息管理主要是為系統(tǒng)配置所在場景中各樓宇信息以及各個(gè)樓宇內(nèi)部的房間信息，包括樓宇編號(hào)、樓宇名稱、房間編號(hào)、房間名稱等信息。

（5）學(xué)期管理管理模塊主要是設(shè)置當(dāng)前學(xué)期的開始和結(jié)束時(shí)間，這樣終端就可以根據(jù)起止時(shí)間進(jìn)行計(jì)算當(dāng)前的周次信息。

（6）鬧鈴時(shí)效管理模塊主要是用戶可以批量操作在特定的時(shí)間段將之前設(shè)置的鬧鈴進(jìn)行生效與失效設(shè)置。

（7）附件管理模塊主要是用于上傳各類mp3 格式的音頻文件，并可以通過該模塊將音頻文件下發(fā)到指定終端設(shè)備上。

（8）權(quán)限管理模塊主要是為系統(tǒng)設(shè)置多個(gè)級(jí)別不同權(quán)限的管理人員，方便管理人員進(jìn)行不同區(qū)域或不同功能模塊的管理。

（9）日志管理模塊主要是為了提高系統(tǒng)的安全性，完整記錄每一個(gè)登錄系統(tǒng)的用戶時(shí)間以及其中系統(tǒng)中的詳細(xì)操作記錄，方便查詢與追溯。

4 系統(tǒng)特色

（1）系統(tǒng)采用GPS 授時(shí)模塊，使得全域內(nèi)所有時(shí)鐘終端走時(shí)精準(zhǔn)統(tǒng)一，時(shí)間信息豐富，同時(shí)采集并顯示所在場所的溫濕度信息。

（2）系統(tǒng)在部署和管理方面都很靈活、方便，時(shí)鐘終端既可通過有線以太網(wǎng)連接，也可通過無線Wi-Fi 連接服務(wù)器端；管理方面可以根據(jù)根據(jù)物理場所（按樓宇、房間等）指定管理員，便于個(gè)性化集中式管理。

（3）系統(tǒng)可以針對區(qū)域內(nèi)不同場所的時(shí)鐘設(shè)備設(shè)置不同的鬧鈴、播放不同音頻文件，從而實(shí)現(xiàn)個(gè)性化鬧鈴、打鈴以及語音播放功能。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用GPS+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決了各類教育場所經(jīng)常出現(xiàn)的時(shí)鐘時(shí)間不準(zhǔn)確、不統(tǒng)一、故障頻發(fā)、維護(hù)不及時(shí)、打鈴不同步等諸多問題，可完全替代傳統(tǒng)的石英鐘加單一打鈴系統(tǒng)。該系統(tǒng)的終端設(shè)備時(shí)尚大方，擁有豐富的時(shí)間顯示和環(huán)境溫濕度顯示，還可以個(gè)性化的設(shè)置打鈴環(huán)節(jié)，同時(shí)解決了教育場所的包含音樂、通知、考場指令等音頻播放問題。系統(tǒng)后臺(tái)采用安全的通信技術(shù)，對全域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有終端設(shè)備采取集中管理與控制，真正實(shí)現(xiàn)了安全、可靠、先進(jìn)、智能的時(shí)鐘終端及管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)是基于微電腦控制技術(shù)的智能電子電器設(shè)備開發(fā)的一次創(chuàng)新，也是一項(xiàng)基于GPS+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的科技發(fā)明與創(chuàng)造（目前已獲得國家發(fā)明專利和實(shí)用新型專利），后期將在目前的研究成果基礎(chǔ)上，積極拓展產(chǎn)品的功能，提升產(chǎn)品的穩(wěn)定性。