2015年3月19日
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0 引言
一直以來，我國低壓電網(wǎng)用電側處于無法遠程監(jiān)控狀態(tài)，無法獲知漏電流越限信息及故障跳閘原因，更無法對故障進行定位和自動隔離，增加一線員工的工作量。若要解決此問題，必須裝設帶通信型漏電流動作保護器(下稱智能斷路器)，并把信息實時上傳到主站系統(tǒng)進行分析管理。目前常規(guī)的智能斷路器是通過RS-485總線或GPRS模塊無線公網(wǎng)直接與主站進行數(shù)據(jù)交換，但RS-485總線傳輸距離短、布線不方便且維護量大，GPRS模塊無線公網(wǎng)由于智能斷路器的GPRS模塊節(jié)點多，通信費用高且與主站連接造成多并發(fā)問題。
本文設計一種用于低壓配網(wǎng)負荷及漏電流監(jiān)控的通信管理機，可與分散在一定區(qū)域范圍內的智能斷路器通過自組網(wǎng)的ZigBee模塊無線傳感器網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通信，統(tǒng)一管理各個分散的智能斷路器數(shù)據(jù)，并可通過GPRS模塊無線公網(wǎng)與監(jiān)控主站進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)對智能斷路器的遠程監(jiān)測、分合控制以及運行參數(shù)的設置。
通信管理機擔負ZigBee數(shù)據(jù)采集、命令轉發(fā)、數(shù)據(jù)及狀態(tài)量存儲等工作，其具體功能包括：定時采集并存儲低壓線路智能斷路器的電壓、電流、漏電流數(shù)據(jù)，并定時上傳主站；接收主站命令，向智能斷路器發(fā)遙控命令實現(xiàn)智能斷路器的參數(shù)設置、手自動設置及開關分合控制；存儲告警事件并立即上傳主站。
1 通信結構與智能斷路器
1.1 通信結構
通信管理機通信結構如圖1所示。與智能斷路器間為ZigBee模塊無線傳感器網(wǎng)絡，各個智能斷路器作為ZigBee無線數(shù)傳網(wǎng)絡節(jié)點，通信管理機為ZigBee無線數(shù)傳網(wǎng)絡的協(xié)調器，數(shù)據(jù)傳輸遵循智能斷路器廠家提供的通信協(xié)議。與主站間為GPRS模塊無線公網(wǎng)，主站擁有固定的IP地址，通信管理機上電即自動向特定IP的主站申請連接，待主站對連接響應后，主站和通信管理機便建立起透明的數(shù)據(jù)連接。
圖1 通信管理機通信結構圖
1.2 智能斷路器
智能斷路器是具有數(shù)字化接口，能接收分合閘命令并能將位置信息、狀態(tài)信息等與其它設備進行傳輸?shù)脑O備，集保護、測量、監(jiān)控于一體，具備人機對話顯示、存儲和記憶等功能。本文使用的三相和單相智能斷路器選擇適用于低壓電網(wǎng)的通信型剩余電流斷路器，可運行在手動或自動控制方式下，自動控制方式下突變漏電流、緩變漏電流、電流或電壓越限智能斷路器自動跳閘，并在實時數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)位最后一位表示自動跳閘原因，手動控制方式下不跳閘；其主要外設包括低壓線路的輸入口和輸出口、狀態(tài)指示燈、分合閘按鈕、RS-485接口和交流電源；該系列斷路器的功能如表1所示(只列出主要功能)，包括讀數(shù)據(jù)、讀參數(shù)、設置參數(shù)、智能斷路器分合閘及設置手自動運行方式。智能斷路器通過RS-485接口外擴ZigBee模塊實現(xiàn)與通信管理機的ZigBee無線通信，外擴的ZigBee模塊包括RS-485接口、RS-485轉UART芯片。ZigBee模塊無線傳感器網(wǎng)絡通信具有自組網(wǎng)、低功耗和抗干擾能力強等優(yōu)點，方便通信管理機對智能斷路器進行數(shù)據(jù)查詢及控制。
表1 智能斷路器主要功能
2 通信協(xié)議設計
通信管理機與智能斷路器數(shù)據(jù)傳輸遵循智能斷路器廠家提供的通信協(xié)議(具體參見標準DL/T 645-2007)，下稱“終端規(guī)約”。主要介紹通信管理機與主站的通信協(xié)議，下稱“主站協(xié)議”。
通信管理機與主站數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則采用應答方式，主站主動召喚數(shù)據(jù)或者通信管理機在正常工作狀態(tài)下每隔N 分鐘(時間間隔可設置)主動上報一次數(shù)據(jù)，當產(chǎn)生告警信息時，通信管理機即時上報告警事件。
每幀由幀起始符、數(shù)據(jù)長度、地址域、數(shù)據(jù)單元標識域、數(shù)據(jù)單元域、校驗域等組成，如表2所示。
表2 主站協(xié)議通信幀格式
數(shù)據(jù)傳送，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。起始符值為68H，標識一幀數(shù)據(jù)的開始；數(shù)據(jù)長度為原始數(shù)據(jù)除開始碼、數(shù)據(jù)長度、校驗和及結束碼外的所有數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；地址域為通信管理機地址，數(shù)據(jù)單元標識為傳輸數(shù)據(jù)的類型；數(shù)據(jù)單元為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；校驗和為數(shù)據(jù)長度開始到校驗和之前所有字節(jié)的累加和，不計溢出位；結束符為16H，標識一幀數(shù)據(jù)的結束。對啟動站發(fā)送的無需數(shù)據(jù)返回的命令，從動站校驗通過后一律返回接收正確命令，即系統(tǒng)應答報文。對SOE事件的確認必須加上當前上報的事件計數(shù)器。主站協(xié)議部分數(shù)據(jù)單元標識如表3所示。
表3 主站協(xié)議部分數(shù)據(jù)單元標識
3 硬件設計、
3.1 系統(tǒng)部分
系統(tǒng)部分主要包括中央處理器、存儲系統(tǒng)及其外圍電路。
3.1.1 中央處理器
中央處理器選用digi公司工業(yè)級RCM6710模塊，工作頻率可達162.5 MHz。相對于C51、DSP芯片，該模塊具有數(shù)據(jù)處理能力強、串口多、外設豐富、抗干擾能力強及較高性價比等優(yōu)點，滿足配電網(wǎng)通信規(guī)約轉換器要求。
RCM6710模塊擁有一個USB接口、一個以太網(wǎng)口及6個高速UART接口。主要硬件資源及外設如圖2所示。6個高速UART接口的設計分別為：串口A通過SP3232芯片提供RS-232通信接口，作為調試及程序下載口；串口B和D不作開發(fā)；串口C接ZigBee模塊，實現(xiàn)與智能斷路器通信；串口E與中興ME3000GPRS模塊模塊連接，實現(xiàn)與主站間的數(shù)據(jù)交換；串口F通過RSM3485CT芯片提供隔離RS-485通信接口，作為預留。預留接口是考慮到系統(tǒng)電路設計的通用性及可擴展性，調試成功后可用于其它項目。該模塊外設的串口狀態(tài)指示燈顯示各串口是否處于工作狀態(tài)，板載實時時鐘確保上傳數(shù)據(jù)附帶精確時間。
圖2 通信管理機硬件框圖
3.1.2 存儲系統(tǒng)
存儲系統(tǒng)包括芯片內置存儲器SRAM和板載存儲器。內置的SRAM空間1 MB，用于程序運行；模塊板載1 MB Serial Flash和4 MB Serial Flash，分別作為程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，數(shù)據(jù)存儲器存儲的內容包括：通信管理機地址、IP和主動上傳時間間隔及智能斷路器的歷史數(shù)據(jù)、實時上傳數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)和設置參數(shù)等。所存儲的設置參數(shù)控制著通信管理機的運行，通信管理機啟動時，將設置參數(shù)加載到RAM中進行參數(shù)配置，一旦主站對參數(shù)進行更改，參數(shù)區(qū)數(shù)據(jù)立即進行更新并保存其最新狀態(tài)到Flash中。主站查詢智能斷路器的數(shù)據(jù)、設置參數(shù)及運行狀態(tài)只需訪問通信管理機的存儲系統(tǒng)，無需再下發(fā)智能斷路器。
3.2 接口部分
接口電路包括主要包括GPRS模塊模塊、RS-485通信電路和ZigBee模塊等。
這里主要介紹GPRS模塊模塊。
通信管理機GPRS模塊模塊選用中興ME3000模塊，該模塊擁有高速UART接口、Audio接口、SIM卡接口、天線接口和RTC接口。與RCM6710的接口電路如圖3所示。RCM6710串口E與該模塊高速UART連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，RCM6710的GPRS模塊_RST和GPRS模塊_IGT分別實現(xiàn)中興ME3000模塊的復位和上下電，其中GPRS模塊_IGT引腳低電平持續(xù)時間超過1 500 ms時模塊開啟，低電平持續(xù)時間超過2 s時模塊關閉。該模塊與RCM6710采用雙線模式通信，故使中興ME3000模塊的UART控制引腳/RTS和/DTR處于低電平。
中興ME3000模塊可通過標準AT命令進行控制和數(shù)據(jù)傳送，支持內嵌TCP/IP協(xié)議，用戶可以直接進行透明的數(shù)據(jù)傳輸，不用再考慮復雜的網(wǎng)絡協(xié)議。
圖3 中興ME3000模塊硬件原理圖
4 程序設計
通信管理機實現(xiàn)的功能包括ZigBee數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、規(guī)約轉換、參數(shù)設置和數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋虼瞬捎媚芴幚矶嗳蝿盏摩?span lang="EN-US">C/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)。設計時，按照功能劃分任務，并根據(jù)任務的實時性要求確定任務優(yōu)先級，還要按照每個任務所處理的數(shù)據(jù)量的大小，給每個任務分配大小合適的堆棧。
按功能將任務劃分為定時管理、GPRS模塊通信、數(shù)據(jù)解析和ZigBee通信任務。任務創(chuàng)建程序如下：OSInit()；OSTaskCreate(TimeDeal，(void*)0，2048，10)；OSTaskCreate(GPRS模塊，(void*)0，2048，11)；OSTaskCreate(DataCom，(void*)0，4096，15)；OSTaskCreate(ZBDeal，(void*)0，4096，20)；OSStart()；定時管理任務是最需保證準時運行的任務，所以優(yōu)先級最高。其次為GPRS模塊通信任務、數(shù)據(jù)解析任務，最后為ZigBee通信任務。當多個任務同時要執(zhí)行時，優(yōu)先級高的先運行。
各任務分別編寫，不僅能夠提高開發(fā)效率，更有助于日后的升級維護。任務操作對象為緩沖區(qū)及全局變量，程序在RAM中開辟了8個GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)和1個GPRS模塊接收緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)順序為FIFO(First InFirst Out)結構，采用環(huán)形隊列實現(xiàn)。數(shù)據(jù)發(fā)送時必須先申請一個空閑的緩沖區(qū)，故要對緩沖區(qū)進行忙校驗，申請緩沖區(qū)時也需要對緩沖區(qū)的大小進行合理設定。
任務創(chuàng)建后，根據(jù)各任務要求執(zhí)行的頻率，在每個任務建立的循環(huán)中寫入延遲執(zhí)行命令：OSTimeDlyHMSM(h，m，s，ms)。各任務間的關系如圖4所示。
圖4 通信管理機任務
定時管理任務主要負責計時和延遲，包括GPRS模塊重發(fā)延遲、GPRS模塊發(fā)送延遲和心跳包發(fā)送延遲功能，主動上傳數(shù)據(jù)和心跳包上傳時間間隔分別默認為5 min和2 min。下面主要介紹數(shù)據(jù)解析任務、ZigBee通信任務和GPRS模塊通信任務。
4.1 數(shù)據(jù)解析任務
數(shù)據(jù)解析任務主要負責與主站服務器間的數(shù)據(jù)交換，操作的對象為全局變量、GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)和GPRS模塊接收緩沖區(qū)，物理層按照GPRS模塊協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)議層根據(jù)主站規(guī)約進行解析和打包。如圖4所示。
數(shù)據(jù)解析任務首先對GPRS模塊接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)根據(jù)主站規(guī)約進行解析，可分為應答、上行和下行三類處理。應答幀主要為主站對通信管理機主動上傳數(shù)據(jù)、心跳包和告警事件回復的確認幀。上行部分主要為查詢數(shù)據(jù)，含通信管理機的地址、時間、定時上傳時間間隔、低壓線路的實時數(shù)據(jù)以及智能斷路器參數(shù)、開關狀態(tài)和控制方式。將上行的回復數(shù)據(jù)按主站規(guī)約處理形成回復報文存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)。下行部分主要為智能斷路器的參數(shù)設置、手自動設置及分合閘命令，更改對應的變更標志，即全局變量，按規(guī)約形成回復確認幀存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)。
接著處理通信管理機主動上傳數(shù)據(jù)和心跳包，主動上傳數(shù)據(jù)包括三相智能斷路器的三相相電流和三相漏電流以及單相智能斷路器的相電壓和單相漏電流，上傳數(shù)據(jù)根據(jù)主站規(guī)約打包，定時存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)。
4.2 ZigBee通信任務
ZigBee通信任務負責與智能斷路器的數(shù)據(jù)交換。通信協(xié)議為智能斷路器廠家提供的通信協(xié)議，ZigBee通信任務的操作對象為全局變量、ZigBee模塊數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)和ZigBee模塊數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)，如圖4所示。
ZigBee通信任務分為下發(fā)數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)兩部分。下發(fā)數(shù)據(jù)又分為兩類：第一類為每10 s主動下發(fā)一次的ZigBee數(shù)據(jù)采集任務；第二類為變更任務，智能斷路器無手動模式參數(shù)設置，手動模式數(shù)據(jù)越限不上傳告警事件，故在ZigBee通信任務設計手動模式下的參數(shù)設置，若為手動模式的參數(shù)設置變更標志，則立即保存新的越限告警參數(shù)并上傳手動模式參數(shù)設置成功告警事件，若為其它變更標志則將變更數(shù)據(jù)按終端規(guī)約打包存入ZigBee發(fā)送緩沖區(qū)，若通信管理機重發(fā)三次變更命令幀至智能斷路器未收到確認幀，則立即上傳變更失敗告警事件。該部分變更內容包括自動跳閘動作值設置、手自動設置和分合閘。接收數(shù)據(jù)處理流程：從ZigBee數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)接收一有效幀，根據(jù)終端規(guī)約解析，分為采集數(shù)據(jù)應答幀和變更設置應答幀。采集數(shù)據(jù)應答幀中數(shù)據(jù)位的最后一位為自動跳閘原因，首先對該位進行判斷，若有跳閘則將帶自動跳閘原因告警事件存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)，并把采集的其它數(shù)據(jù)位進行存儲。變更設置應答幀代表參數(shù)設置成功，將相應的變更設置重發(fā)次數(shù)清零，并把相應的設置成功告警幀存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)。由于智能斷路器無運行狀態(tài)查詢功能，ZigBee通信任務對設置成功告警事件進行存儲，主站可以通過訪問通信管理機的存儲區(qū)數(shù)據(jù)以得到智能斷路器的運行狀態(tài)及參數(shù)。
4.3 GPRS通信任務
GPRS模塊通信任務主要為GPRS模塊的登陸和退出連接。首先判斷是否因為通信管理機地址或主站服務器地址及端口更改而需要重連網(wǎng)絡。如果需要重連網(wǎng)絡，必須向主站發(fā)送退出登錄包后關斷連接，同時清除發(fā)送和接收緩沖區(qū)，清除GPRS模塊登錄過程中的錯誤記錄。重連后便可進行GPRS模塊數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。
各狀態(tài)變更的流程圖如圖5所示。在GPRS模塊通信中，將通信管理機與主站之間的連接分為四種狀態(tài)：GPRS模塊_OFF(代表模塊沒有正常工作)、GPRS模塊_WORK(代表AT指令正常)、GPRS模塊_GW(代表GPRS模塊網(wǎng)關連接正常)、GPRS模塊_SOCK(代表SOCK鏈接正常)。每一次執(zhí)行GPRS模塊通信任務時都會進行連接狀態(tài)的判斷，當連接狀態(tài)為GPRS模塊_SOCK才可以正常收發(fā)數(shù)據(jù)。
圖5 GPRS通信狀態(tài)流程
5 結語
本文提出一種可實現(xiàn)低壓電網(wǎng)負荷及漏電流綜合管理的ZigBee模塊通信管理機設計方案，該通信管理機可與主站及多臺帶通信功能的智能斷路器組建成漏電監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)控多條低壓線路，保障低壓電網(wǎng)更加安全、可靠的運行。通信管理機系統(tǒng)程序設計采用多任務的設計思路，提高開發(fā)效率，也有助于日后的升級維護。本文所設計的ZigBee模塊通信管理機在現(xiàn)場經(jīng)過數(shù)月的運行，通信穩(wěn)定，數(shù)據(jù)及命令轉發(fā)準確，具有很高的可靠性。
1 引言
ZigBee無線模塊出租車調度系統(tǒng)一定程度上解決了“人找車，車找人”的現(xiàn)象，降低了城市出租車空載率。目前的出租車調度系統(tǒng)主要有：電話調度、GPS調度、站牌調度等。出租車電話調度具有可隨時隨地叫車的優(yōu)點，但需乘客撥打出租車調度中心電話與話務員座席溝通確認乘客位置，方能人工調度附近的出租車前往搭載乘客，交互過程長、調度效率低，不適于快節(jié)奏的打車需求。GPS調度是根據(jù)乘客實時的GPS位置信息進行調度的出租車調度系統(tǒng)，乘客可以通過短信和手機軟件發(fā)送GPS位置信息至調度中心，調度中心采用Dijkstra算法，自動調度附近的出租車搭載乘客。該方法采取自動調度，節(jié)省了人工座席服務的支出。但是，由于乘客位置是GPS信息，需要出租車安裝有電子導航儀。電子導航儀價格貴，有升級費用，出租車司機消費高，難以普及。站牌調度系統(tǒng)通過站牌和出租車車載應答子系統(tǒng)進行無線通信，實現(xiàn)城市出租車預約功能。該系統(tǒng)中乘客和出租車司機直接交互，無需調度中心等第三方平臺。站牌即乘客位置，各站牌采用統(tǒng)一編碼，通過編碼信息即可得知乘客所在精確位置，無需GPS定位系統(tǒng)，乘客定位簡單準確。站牌調度雖然具有不依賴調度中心和GPS定位系統(tǒng)、交互直接、調度快和設備費用低等優(yōu)點，但目前的站牌調度系統(tǒng)還存在以下不足：
(1)司機沒有乘客信息，僅乘客知道出租車車牌號，而且乘客沒有具體憑證，多位乘客叫車時，司機不能辨別乘客，容易出現(xiàn)乘客搶車插隊現(xiàn)象；
(2)根據(jù)出租車司機響應結果來決定出租車調度對象，沒有考慮出租車具體路程，不能確保是最優(yōu)的調度結果；
(3)缺乏乘客和出租車司機雙方的誠信約束措施，爽約現(xiàn)象頻發(fā)，造成司乘雙方支持信心不足，對推廣實施不利。
為解決上述不足，本文在傳統(tǒng)的站牌調度系統(tǒng)上進行較大改進，提出基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee無線模塊的感知、傳輸、應用三層架構的出租車調度系統(tǒng)方案。方案采用乘客刷卡預約出租車的方式，用以解決乘客插隊和誠信問題；通過增加信號中繼節(jié)點，擴大出租車調度范圍；并采用JN5139作為核心處理模塊進行系統(tǒng)設計，用Jennie ZigBee協(xié)議組建ZigBee無線數(shù)傳樹狀拓撲網(wǎng)絡，對信息進行ZigBee數(shù)傳采集，結合Cskip地址分配算法和AODVjr路由算法，選擇最佳出租車調度對象，實現(xiàn)乘客“自助式”、可靠、快速的出租車調度。
2 系統(tǒng)結構
本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)感知、傳輸、應用三層體系架構，三層功能分布在系統(tǒng)的站牌預約點子系統(tǒng)、車載應答子系統(tǒng)、ZigBee數(shù)傳模塊中繼節(jié)點和調度管理中心四部分實體中實現(xiàn)。系統(tǒng)在原站牌調度系統(tǒng)基礎上，增加架構了感知層RFID讀寫器、ZigBee數(shù)傳模塊中繼節(jié)點、傳輸層GPRS(General Packet RadioService)網(wǎng)關模塊和應用層調度管理中心等。
站牌預約點子系統(tǒng)安裝在經(jīng)常出現(xiàn)打車行為的道路邊(如大型商場、小區(qū)、學區(qū)、寫字樓等)，乘客通過RFID刷卡預約車，采用ZigBee無線模塊通信方式發(fā)布乘客打車信息、接收出租車司機應答信息，并用GPRS上傳調度結果信息。車載應答子系統(tǒng)安裝在出租車內，用于接收乘客打車信息、發(fā)送司機應答信息和乘客上車刷卡核對卡號。ZigBee數(shù)傳模塊中繼節(jié)點安裝在信號較弱處，用于轉發(fā)ZigBee無線信號，擴大調度范圍。調度管理中心負責接收、保持和查詢GPRS上傳的調度結果信息和司乘雙方守約爽約信息等，建立乘客預扣定金、出租車爽約扣罰金和扣罰金補償給守約方的雙重機制，促使雙方遵守誠信。系統(tǒng)結構如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結構
3 系統(tǒng)硬件設計
該系統(tǒng)主要通過感知層實現(xiàn)分布在城市內的多站牌點附近的出租車信息進行ZigBee數(shù)據(jù)采集調度功能。該層以分布在城市內的站牌預約點為網(wǎng)絡協(xié)調器節(jié)點，信號中繼裝置為路由器節(jié)點，構成不斷將行駛進入站牌限定范圍內的出租車車載應答子系統(tǒng)加入為網(wǎng)絡終端節(jié)點的多個動態(tài)ZigBee自組網(wǎng)絡。站牌預約點子系統(tǒng)主要包括ZigBee無線模塊、RFID讀寫器模塊、GPRS網(wǎng)關模塊、顯示模塊和電源模塊，站牌預約點子系統(tǒng)框圖如圖2所示。
圖2 站牌預約點子系統(tǒng)框圖
站牌預約點子系統(tǒng)ZigBee無線模塊負責搭建ZigBee網(wǎng)絡，控制RFID讀寫器模塊工作，無線傳輸乘客打車信息、將違約／調度結果信息通過串口發(fā)送給GPRS網(wǎng)關模塊；RFID讀寫器模塊供乘客刷卡發(fā)送打車信息和預約成功后預扣定金；GPRS網(wǎng)關模塊發(fā)送調度結果和爽約信息至調度管理中心；顯示模塊顯示乘客預約打車結果。
ZigBee無線模塊采用JN5139 Z01 M02(以下簡稱JN5139)，其具有使用免費頻段、無線自組網(wǎng)等優(yōu)點，適用于出租車和乘客之問通信。
RFID讀寫器模塊采用Mifare RC522讀寫卡芯片，它是一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫卡芯片。GPRS網(wǎng)關模塊采用SIMCOM公司的SIM300模塊，它具有GSM和GPRS功能。顯示器模塊采用VL TS COG BTl2864(以下簡稱BTl2864)系列液晶顯示器。
站牌預約點子系統(tǒng)中，核心處理器是JN5139，其他各模塊都需要和JN5139進行通信。JN5139、RC522、SIM300和BTl2864各通信接口如下：JN5139具有SPI串行接口(可選擇五個從屬SPI設備)和兩個UART；RC522有SPI、12C、UART三種接口，這三種接口的最高通信速率分別為10 Mbit／s、3400 Kbit／S和1 228．8 Kbit／S；SIM300與外部接口為UART；BTl2864有串行接口(SPI接口)和并行接口兩種。
系統(tǒng)電路設計按照電路簡單、較少使用JN5139的DIO接口和通信速率較快的要求，結合各模塊的通信接口標準，設計的通信接口電路如圖3所示。
圖3 JN5139與各模塊接口
圖3中，JN5139和BTl2864、RC522采用SPI串行接口通信，通信速率分別為2 Mbit／s、1 Mbit／s；JN5139和SIM300之問采用UART通信，通信波特率為19200 baud／s。
站牌預約點子系統(tǒng)中JN5139、RC522、BTl2864都可采用3．3 V供電。而SIM300需要4 V供電，而且要求能夠提供最大2A的瞬時電流，取市電(220V交流電)輸入變壓器后得12 V電壓，采用可以調節(jié)輸出電壓的穩(wěn)壓芯片LM2756。LM2756輸出電壓Vo=1．23×(1+Rl／R2)。其中R1取4．7kQ，R2取2kQ，經(jīng)整流濾波后輸出4．12V電壓，符合SIM300的工作要求。將此4．12 V電壓輸入穩(wěn)壓芯片LP2985，輸出端接電容濾波，得到較為穩(wěn)定的3．3 V電壓，給其它模塊供電。本文硬件設計部分主要介紹站牌預約點子系統(tǒng)的硬件電路設計，車載應答子系統(tǒng)各模塊與站牌預約點子系統(tǒng)各模塊大體相同，將站牌預約子系統(tǒng)的GPRS網(wǎng)關模塊(SIM300)換成語音識別模塊即為車載應答子系統(tǒng)。ZigBee數(shù)傳模塊中繼節(jié)點即JN5139模塊加上電源模塊。
4 系統(tǒng)軟件設計
乘客需在站牌預約點刷卡，站牌預約點子系統(tǒng)通過動態(tài)ZigBee自組網(wǎng)絡組播一則打車消息。若有多位出租車司機回復，選擇路由最短的作為調度對象。站牌預約點子系統(tǒng)調度流程如圖4所示。
圖4 站牌預約點子系統(tǒng)流程
JN5139通過配置RC522寄存器控制讀寫器進行相應工作，需要注意的是在使用SPI總線讀取RC522的FIFO Buffer時，寫第一次地址讀出來的是無效值，寫第二次地址返回第一次的數(shù)據(jù)，寫第三次地址返回第二次的數(shù)據(jù)，以此類推構建出租車調度系統(tǒng)的動態(tài)ZigBee自組網(wǎng)，需對網(wǎng)絡內協(xié)調器、路由、終端節(jié)點進行配置，特別是要不斷動態(tài)地發(fā)現(xiàn)和將行駛進入站牌點限定范圍內的出租車車載單元加入成為網(wǎng)絡終端節(jié)點。
本系統(tǒng)網(wǎng)絡默認的信道可能在一些場合中已被其他系統(tǒng)使用，故各站牌預約點子系統(tǒng)可能使用不同信道，終端節(jié)點要加入不同信道的ZigBee無線數(shù)傳網(wǎng)絡，需要進行配置，如設置網(wǎng)絡信道為0，則可實現(xiàn)終端設備自動搜索所在區(qū)域的ZigBee無線數(shù)傳網(wǎng)絡。當信道和個域網(wǎng)ID都匹配時，加入該網(wǎng)絡。當ZigBee協(xié)議棧一段時間沒有收到網(wǎng)絡應答信息時，判斷為離開網(wǎng)絡，需要重新設置，并重新尋找網(wǎng)絡。系統(tǒng)無線通信采用Jennic公司的硬件及協(xié)議棧，調度中心采用C++Build的Socket套接字編程，在Socket服務器組件中添加OnClientRead事件處理函數(shù)，接收、處理GPRS上傳的數(shù)據(jù)，存儲在sQLserver數(shù)據(jù)庫中。調度中心、各出租車公司可對出租車司機的基本信息、調度結果和爽約情況進行查詢。
5 最佳調度對象選擇
本系統(tǒng)采用AODVjr路由，AODVjr對AODV算法進行了簡化和改進，這種按需路由協(xié)議在移動性高、負載低的場合性能較高。AODVjr路由中，當源節(jié)點需要向目的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)而不知道路徑時，則將RREQ分組組播至其鄰居節(jié)點。
若收到該分組的鄰居節(jié)點是帶路由功能的節(jié)點，則該鄰居節(jié)點先建立反向路由，該反向路由指向源節(jié)點，然后繼續(xù)組播該RREQ分組至其自己的鄰居節(jié)點。不具備路由功能的鄰居節(jié)點，則通過上述的地址分配算法將該RREQ分組發(fā)送至其子節(jié)點或父節(jié)點，由其子節(jié)點或父節(jié)點轉發(fā)該分組。而目標節(jié)點在收到RREQ分組后，向源節(jié)點單播回復RREQ分組，并將接收到此RREQ分組的所有節(jié)點保存在鄰居表中，從而建立到源節(jié)點的路由。
在有多個司機回復乘客預約車信息時，系統(tǒng)需要進行最佳調度對象的選擇，因布點時相鄰中繼節(jié)點距離基本相同，路由跳數(shù)基本上能反映出租車距站牌預約點的距離，可通過路由跳數(shù)大小確定較佳的調度對象。但是，當?shù)缆分写嬖谧o欄或者綠化帶時，站牌預約點另一側的出租車即使路由跳數(shù)少，也因出租車不能直接轉向到達站牌預約點，而不能作為調度對象。所以，本系統(tǒng)在站牌預約點另一側添加一個節(jié)點(如圖5中的F節(jié)點，相應增加中繼節(jié)點后，也可以將F節(jié)點做成站牌預約點，供另一側的乘客預約車)，以區(qū)分站牌預約點另一側的出租車，并采用Cskip算法和最短路由相結合確定系統(tǒng)的最佳調度對象。為父節(jié)點所能擁有的最大路由節(jié)點數(shù)上述算法分配的地址為車載應答子系統(tǒng)加入網(wǎng)絡時的地址，JN5139采用的協(xié)議棧中，除了路由表之外還有一個鄰居節(jié)點表，它保存了可以直接通信的節(jié)點的地址。在實際生活中，乘客可能會在站牌預約點下車，這時出租車空載，從而加入網(wǎng)絡。
此時它處在站牌預約點的鄰居表中而不是路由表中，所以在比較路由時，需要同時讀取路由表和鄰居表中的節(jié)點進行比較
6 測試結果
實驗測試環(huán)境為齊齊哈爾市文化大街，道路寬8 m，路旁有10 m高的楊樹。測試設備采用連接5db天線的JN5139 Z01 M02模塊，經(jīng)測試信號傳輸距離在500 m左右，本系統(tǒng)測試時最大調度范圍為1500m。測試網(wǎng)絡布點如圖5所示。
圖5 網(wǎng)絡布點
節(jié)點A、B、C、D、E、F為信號中繼裝置，除節(jié)點C、D外，其他相鄰節(jié)點問的距離為500m。測試中，車牌號為黑BTl347和黑BTl947的兩輛出租車都向站牌預約點行駛。乘客在站牌預約點刷卡預約出租車，兩輛出租車均同意乘客打車，其中，黑BTl347出租車消息路由為B-D-C-O，黑BTl947的消息路由為E-D-C-O，二者路由跳數(shù)相同，二者距站牌預約點的距離也基本相同(布點時相鄰中繼節(jié)點問距離基本相同)。但是，根據(jù)我國行駛規(guī)則，黑BTl947出租車不需等待交通燈，能最快趕到站牌預約點，故選擇結果最合理的調度對象為車牌號為黑BTl947的空載出租車。
圖6 Cskip算法網(wǎng)絡地址分配圖
結合圖6知，黑BTl947出租車通過E節(jié)點加入網(wǎng)絡，其網(wǎng)絡短地址在22～24之問；同理，黑BTl347的網(wǎng)絡短地址在28～30之問，所以，根據(jù)出租車短地址即可以進行相同路由跳數(shù)下的最佳調度對象選擇。站牌預約點子系統(tǒng)調度結果如圖7所示。
圖7 系統(tǒng)調度結果
測試實例中，乘客共發(fā)出11次打車請求，其中有一次為司機響應后沒有前往站牌預約點接乘客，屬于出租車司機爽約，調度管理中心據(jù)此對出租車司機扣除相應違約金，以維護乘客和出租車司機雙方的誠信約束制度。站牌預約的進程信息通過GPRS傳輸至調度管理中心。調度管理中心可查詢乘客和出租車司機爽約信息、各站牌預約點打車信息和司機詳細信息等。實例中調度管理中心對司機李強的詳細信息查詢結果如圖8所示。
圖8 司機詳細信息查詢
7 結束語
本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee模塊的出租車調度系統(tǒng)，系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee數(shù)傳模塊技術，融合RFID、ZigBee數(shù)傳采集、GPRS等感知層、傳輸層技術，實現(xiàn)乘客在站牌預約點刷卡叫車，系統(tǒng)感知層構建的ZigBee自組網(wǎng)絡可合理調度網(wǎng)內空載出租車為乘客提供乘車服務。系統(tǒng)傳輸層、應用層的構建，實現(xiàn)調度管理中心通過記錄、保存調度信息、暫扣乘客卡內預約定金和監(jiān)督出租車司機守約功能，有效防止出租車司機或乘客爽約，建立出租車司機和乘客之間的誠信。各出租車公司也可查詢本公司員工調度紀錄確保系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。系統(tǒng)還可以進行升級與擴展，如在應用層增加物聯(lián)網(wǎng)預約車平臺和手機平臺后，乘客預約出租車信息通過GPRS網(wǎng)關即可傳至相應站牌預約點子系統(tǒng)，乘客可通過互聯(lián)網(wǎng)與3G／4G技術預約出租車。本系統(tǒng)為乘客提供一種打車新方式，具有一定的實際應用價值。
引言
當代社會，城市路燈照明／景觀照明建設不僅帶給人們光明與視覺享受，而且成為展現(xiàn)城市魅力的重要窗口，但是在帶來明亮、絢麗色彩的同時也帶來了諸多的困擾，比如管理、費用、用電、電纜被盜等問題。基于ZigBee無線模塊技術和LED光源的路燈系統(tǒng)，是一種自動化成度高、高效節(jié)能的城市照明系統(tǒng)。LED光源是一種高效能、環(huán)保、安全、耐用的新型照明光源，ZigBee無線路燈控制器可以對路燈照明系統(tǒng)進行科學、高效的控制和資源整合，合理調整照明時間，不僅可以節(jié)省照明系統(tǒng)的用電量，而且可以延長照明燈具的使用壽命，減少日常維護的開支。
1 系統(tǒng)方案與設計
系統(tǒng)由三大部分構成：控制中心，ZigBee無線路燈控制器節(jié)點和控制中心通信的轉發(fā)節(jié)點，固定在路燈桿上的終端節(jié)點。無線路燈遠程控制系統(tǒng)結構如圖1所示。
圖1 無線路燈遠程控制系統(tǒng)結構
控制中心的監(jiān)控系統(tǒng)由計算機與無線收發(fā)模塊構成，主要負責建立和管理ZigBee無線路燈控制器網(wǎng)絡，顯示路燈狀況信息和發(fā)送控制命令，協(xié)調整個路燈系統(tǒng)的運作。ZigBee無線路燈控制器包括LED電源驅動，為大功率LED提供電力，并能根據(jù)微控制器的控制信號控制LED的工作情況。光敏傳感器、溫度傳感器，直接將LED工作狀況傳輸給控制模塊；功率檢測模塊檢測LED功率情況、供電故障并向上報警；無線模塊負責傳輸數(shù)據(jù)。將本系統(tǒng)模型與無線傳感器網(wǎng)絡模型進行對比，不難發(fā)現(xiàn)，安置在路燈桿上的ZigBee無線路燈控制器節(jié)點即為無線傳感器網(wǎng)絡中的終端節(jié)點(RFD)，控制中心監(jiān)控系統(tǒng)就是協(xié)調器(COORD)，實現(xiàn)COORD與RFD之間無線通信的為路由轉發(fā)節(jié)點(ROUTER)。遠程網(wǎng)絡使用ZigBee與GRPS混合組成的網(wǎng)絡。子網(wǎng)和中央控制中心使用GPRS網(wǎng)絡來傳輸數(shù)據(jù)。下面具體介紹終端節(jié)點硬件電路設計方案。
1．1 LED節(jié)點驅動控制設計
LED節(jié)點驅動方案使用TI公司的UCC28810，它是一款恒流非隔離式電源，適用于街道、停車場或區(qū)域范圍照明等高亮度LED照明應用。該設計可將通用電源(90--265 VRMS)轉換成0．9 A恒流源，能夠驅動100 W LED負載。UCC28810電路如圖2所示。
圖2 UCC28810電路圖
此電路使用雙級設計，第一級是UCC28810的轉換模的PWM調光。此方案的優(yōu)勢在于，使用了高效的專用驅式電路，將AC電源轉換成36 V的DC電源。第二級也采用UCC28811的轉換模式，將恒壓源轉換為0．9 A恒流源。電路中使用的TI公司的UCC28810和UCC28811芯片是通用照明電源控制器，具有PFC(功率因數(shù)校正)功能，確保設計方案滿足各種標準設定的諧波電流或功率因數(shù)要求。并且UCC28810／11控制器提供如電流峰值限制、復位定時器、過壓保護(OVP)和使能等特性，UCC28810／11控制器引腳如表1所列。
表1 UCC28810／1 1控制器引腳
第一級在低負荷狀態(tài)下運行，升壓跟隨器可跟蹤AC輸入的峰值電壓，實現(xiàn)更高轉換效率。第二級將PFC輸出電壓轉換為0．9 A的固定電流，以驅動LED負載。第二級不僅可接受PWM調光輸入(從外部或從板級電路均可)，而且還可相應開啟或關閉調光，從而實現(xiàn)LED電流的PWM調光。由于使用了高效的驅動IC，電源轉化效率更高了，在低負荷線路(10w line)運行狀態(tài)下，升壓跟隨器可跟蹤AC輸入的峰值電壓，在輸入電壓為±15％的變動時，仍能保持輸出電流變動穩(wěn)定在±10％內。
1．2狀態(tài)檢測與報警
狀態(tài)報警與檢測主要包括溫度感測和感光檢測兩部分內容。
1．2．1 溫度感測
由于大功率白光LED照明和驅動器發(fā)熱量都很大，所以需要一個溫度感測傳感器，實時監(jiān)控路燈的溫度，并向控制中心反映。如果溫度超過警戒溫度，則ZigBee無線路燈控制器進入報警模式，將自動關閉路燈，并向控制器發(fā)送報警命令。
溫度傳感器使用DSl8820，DSl8820是DALLAS公司生產(chǎn)的一款數(shù)字溫度傳感器。其特點有：獨特的一線接口，只需要一個端口即可通信；電路無需外部元件，可用數(shù)據(jù)總線供電，也可外接VCC；工作電壓范圍廣，為3．0～5．5 V，無需備用電源；測量溫度范圍為55～+125℃，在10～+85℃范圍內，精度為±0．5℃。DSl8820具有工作電路簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點，應用范圍包括恒溫控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費電子產(chǎn)品溫度計及任何熱敏感系統(tǒng)。
1．2．2 感光檢測系統(tǒng)
ZigBee無線路燈控制器使用光敏電阻傳感器對周圍環(huán)境的光亮度進行ZigBee數(shù)據(jù)采集，當傍晚周圍環(huán)境還有余光時，ZigBee無線路燈控制器將路燈開啟為單雙燈模式；當晚上天全黑了以后，將路燈全部打開；當凌晨4點左右出現(xiàn)晨光時，將路燈調節(jié)成半功率工作模式。在陰天和沙塵暴天氣，道路能見度低，路燈也可自動打開，保證道路正常照明。
本設計使用光敏三極管作為感光元件測量周圍環(huán)境的亮度，處理器實時將周圍環(huán)境的亮度通過ZigBee無線模塊反饋給控制中心，由控制中心決定是否打開GND路燈。電路圖如圖3所示。
圖3 光敏三極管電路圖
1．3 ZigBee無線模塊設計
目前TI公司已經(jīng)先后推出了支持ZigBee協(xié)議的2．4 GHz的射頻收發(fā)器CC2420和ZigBee的片上系統(tǒng)解決方案CC2430，以及第二代射頻收發(fā)器CC2520芯片。CC2480無線性能出色，功耗很低。CC2480電路圖如圖4所示。
圖4 CC2480／ZiqBee模塊電路圖
CC2480采用CMOS工藝，工作電流僅為27 mA。當系統(tǒng)處于空閑時，CC2480能自動進入休眠狀態(tài)，并能實現(xiàn)休眠與主動模式的超短時間轉換。晶振XTALl選用32 MHz，晶振XTAL2選用32．768 kHz。32．768 kHz的晶振用于睡眠模式，在此期間提供時序，可降低電流、減少功耗，特別適合對功耗和電池壽命要求嚴格的應用場合。CC2480模塊可以直接與上位機之間通過串口通信，本系統(tǒng)選用異步串口模式。
1．4微控制器電路設計
MSP430是TI公司開發(fā)的一類具有16位總線的帶FLASH的單片機，由于其性價比和集成度高，受到廣大技術開發(fā)人員的青睞。它采用16位的總線，外設和內存統(tǒng)一編址，尋址范圍可達64 K，還可以外擴存儲器，具有統(tǒng)一的中斷管理，微控制器具體連接電路如圖5所示。
圖5 控制模塊MSP430電路圖
MSP430單片機的P3．4、P3．5端口設置成串口0(MSART0)的收發(fā)口，與CC2480的異步串口相連，它們之間實現(xiàn)串口通信。單片機發(fā)送數(shù)據(jù)給CC2480，CC2480無線發(fā)送出去；CC2480接收到無線數(shù)據(jù)后，也透明傳送給單片機。
2軟件流程設計
在本系統(tǒng)中，ZigBee協(xié)議可以應用于所有的節(jié)點，因為ZigBee協(xié)議具有很多的實用函數(shù)，例如設備離開或者加入網(wǎng)絡，創(chuàng)建一個新的網(wǎng)絡，父節(jié)點和子節(jié)點的搜索，網(wǎng)絡信標幀的發(fā)送，數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收等。系統(tǒng)工作的過程中，協(xié)調器主要進行無線傳感器網(wǎng)絡的創(chuàng)建，負責接收ZigBee無線路燈控制器發(fā)送回來的ZigBee數(shù)據(jù)采集路燈信息，依據(jù)路燈的狀況將控制信號發(fā)送給路燈節(jié)點。路由器節(jié)點處在監(jiān)控狀態(tài)，負責獲取其他節(jié)點發(fā)送來的信息并判斷是不是需要進行轉發(fā)，與此同時把自身路燈的信息傳送給協(xié)調器；接收協(xié)調器的控制信號來控制路燈的工作狀態(tài)。終端節(jié)點功能是最簡單的，只需要負責隨時接收協(xié)調器發(fā)送的控制命令，并向上一級返回路燈當前的狀態(tài)。
系統(tǒng)投入運行時，首先對CC2480進行初始化，協(xié)調器運行初始化協(xié)議，同時打開中斷。此后軟件程序創(chuàng)建新網(wǎng)絡，一旦網(wǎng)絡能夠成功創(chuàng)建，就對相應的網(wǎng)絡協(xié)調器物理地址、當前建立網(wǎng)絡的ID號以及頻道號進行顯示。協(xié)調器軟件流程圖如圖6所示。
圖6 協(xié)調器程序流程圖
3路燈控制模式
根據(jù)不同上位機的不同控制命令，路燈節(jié)點有如下幾種不同的控制模式。
3．1 單雙燈開啟模式
這個模式有兩種情況，編號是奇數(shù)的燈開啟或者編號是偶數(shù)的燈開啟。當路燈節(jié)點接收到單雙燈開啟命令以后，路燈會根據(jù)自身的ID編號，選擇開啟還是關閉。這種模式應用于傍晚能見度較高，或者陰雨天、沙塵暴等惡劣天氣下城市能見度不佳時。一般是單雙燈輪流開啟關閉，保證LED路燈工作時間大致相同，以延長其壽命。
3．2全功率開啟模式
當ZigBee無線路燈控制器節(jié)點接收到全功率開啟模式以后，路燈開始工作，并會以全功率打開，亮度最大。這種模式一般在晚上人車流量大和節(jié)假日時開啟。
3．3半功率開啟模式
當ZigBee無線路燈控制器節(jié)點接收到全功率開啟模式以后，路燈開始工作，但不會以全功率模式工作，而是通過LED驅動模塊的PWM調光機制，將LED的功率控制在額定值的一半，起到節(jié)約電力的作用。
3．4隨機選擇關閉模式
這種模式是為了節(jié)約電力和延長路燈壽命。在人流不大的道路上發(fā)給路燈隨機關閉模式命令，路燈節(jié)點接收命令后，以一定概率(如20％)自行熄滅30min，由于路燈是隨機熄滅的，不會影響到整體的照明情況。
3．5功率異常報警模式
這種模式不是上位機發(fā)出的命令。
當路燈節(jié)點檢測到功率故障的時候(如LED二極管短路、功率過小或過大)，路燈將自行切斷照明電源，并向上位機報警。
結語
本文主要分析了ZigBee模塊組網(wǎng)技術，設計了一種ZigBee無線路燈控制器系統(tǒng)，實現(xiàn)路燈信息的ZigBee數(shù)據(jù)采集和控制。事實證明本系統(tǒng)網(wǎng)絡經(jīng)一次性布置之后，可以長期可靠運行。路燈節(jié)點的數(shù)量、位置可隨時變更，使得調控路燈變得更加方便、科學。無線LED路燈遠程控制系統(tǒng)為解決問題提供一個良好平臺。
摘要: 我國是農業(yè)大國， 傳統(tǒng)農業(yè)在國際市場上的優(yōu)勢主要依賴于豐富的自然資源和低廉的勞動力成本。隨著物聯(lián)網(wǎng)等高新技術的發(fā)展，我國傳統(tǒng)農業(yè)正在加快向現(xiàn)代農業(yè)轉型，而智慧農業(yè)將成為現(xiàn)代農業(yè)未來發(fā)展的趨勢。所謂“智慧農業(yè)”就是充分應用現(xiàn)代信息技術成果，集成應用計算機與網(wǎng)絡技術、物聯(lián)網(wǎng)技術、音視頻技術、3S 技術、ZigBee無線模塊通信技術及專家智慧與知識，實現(xiàn)農業(yè)可視化遠程診斷、遠程控制、災變預警等智能管理。...
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智能家居是在傳統(tǒng)住宅的基礎上，利用現(xiàn)代科學技術，諸如網(wǎng)絡通信、安全防范、自動控制、音視頻等技術將家居生活有關的各種家居設施集成，構成的高效、便利、舒適、節(jié)能環(huán)保的家居環(huán)境。隨著無線移動網(wǎng)絡的快速布局，現(xiàn)代的智能家居只要有一個無線智能設備，即能通過客戶端實時查看到住宅中的一切動態(tài)。在目前，智能家居控制系統(tǒng)中，有基于面板和紅外遙控器或藍牙的智能家居控制終端解決方案，也有完全基于PC機的智能家居控制終端解決方案，同時還有采用手機作為家居控制終端，利用GSM電話網(wǎng)絡通信，實現(xiàn)短信或者語音控制。而以上多種技術的應用，催生了各種智能控制模塊的研究和生產(chǎn)，因此導致了當前智能家居控制系統(tǒng)的標準無法統(tǒng)一，各個系統(tǒng)和模塊之間難以實現(xiàn)互聯(lián)互通。針對以上問題，本文提出了一整套的智能家居控制系統(tǒng)解決方案，該方案采用Android智能手機作為控制終端，在STM32F107移植μC/OS-II操作系統(tǒng)和LwIP協(xié)議棧搭建嵌入式服務器，通過搭建ZigBee無線傳感網(wǎng)絡，采用改進的ZigBee路由算法，制定完善的通信協(xié)議，提高網(wǎng)絡通信性能，最終實現(xiàn)手機對智能家居的遠程和本地的實時監(jiān)控。
1 系統(tǒng)總體設計
本文所設計的智能家居控制系統(tǒng)主要包括嵌入式服務器，Android客戶端和ZigBee無線模塊節(jié)點。移動控制終端和ZigBee無線模塊節(jié)點通過嵌入式服務器進行通信實現(xiàn)信息交互。即用戶采用Android客戶端程序發(fā)送指令通過互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)傳輸?shù)街悄芗揖忧度胧椒掌鳎掌髟诮邮盏娇刂泼詈笤偻ㄟ^ZigBee無線傳感網(wǎng)絡發(fā)送到對應的終端節(jié)點，終端節(jié)點接收到命令后進行相應的操作，比如采集溫濕度信息并將信息反饋到服務器，服務器再將信息通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到Android客戶端進行顯示。系統(tǒng)總體結構圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結構圖
2 系統(tǒng)硬件設計
2.1 設計原則
嵌入式服務器在整個系統(tǒng)中起著至關重要的作用，其實現(xiàn)的主要原則應從下面幾點出發(fā)：(1)允許Android客戶端遠程登錄到服務器，并能夠保存登錄用戶的基本信息，實現(xiàn)多用戶登錄，為每個用戶都能提供相應的服務。(2)能夠正確接收客戶端發(fā)送的控制命令，并能夠返回相應信息。(3)能夠與ZigBee協(xié)調器實現(xiàn)信息交互，完成命令傳輸和信息采集。嵌入式服務器啟動后，采用socket通信方式接收客戶端的登錄命令，驗證通過后為客戶端提供相關服務。
2.2 服務器硬件設計
本次研究采用ST公司生產(chǎn)的Cortex-M3為內核的微處理器芯片STM32F107VC進行擴展搭建嵌入式服務器硬件平臺，硬件結構圖如圖2所示。根據(jù)需求，外圍需擴展的功能模塊主要包括與ZigBee協(xié)調器通信模塊和與控制終端實現(xiàn)網(wǎng)絡通信硬件模塊。其中與ZigBee協(xié)調器通信采用串口通信方式實現(xiàn)。而STM32F107內部集成了以太網(wǎng)MAC控制器，因此本次設計采用RMII接口連接以太網(wǎng)PHY(物理層)芯片DM9161。
圖2 嵌入式服務器硬件結構圖
2.2.1 網(wǎng)絡通信接口
網(wǎng)絡通信接口是服務器與控制終端實現(xiàn)網(wǎng)絡通信的橋梁。STM32F107內部集成了一個以太網(wǎng)MAC，并有專用的DMA控制，實現(xiàn)內部數(shù)據(jù)的高速傳輸。STM32F107還同時支持MII和RMII兩種物理層接口，因此只需外界一片物理層收發(fā)器，即可實現(xiàn)以太網(wǎng)幀的發(fā)生和接收，實現(xiàn)網(wǎng)絡通信。所以本次設計采用高性價比的DM9161A作為10M/100M以太網(wǎng)PHY芯片，采用RMII接口與處理器STM32F107內部的IEEE1588 MAC連接，并與標準RJ45接口HR911105A連接，支持平行交叉網(wǎng)線自適應，實現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。網(wǎng)絡接口硬件接口設計如圖3。
圖3 以太網(wǎng)通信接口
2.2.2 ZigBee無線模塊節(jié)點
智能家居中，家居內部無線網(wǎng)絡通信方式的選擇至關重要。在本次智能家居控制系統(tǒng)設計中，家庭內部網(wǎng)絡采用ZigBee數(shù)傳模塊組網(wǎng)技術。在智能家居網(wǎng)絡中，ZigBee無線模塊節(jié)點被分為主節(jié)點和從節(jié)點，主節(jié)點主要負責建立無線網(wǎng)絡，分配從節(jié)點網(wǎng)絡地址，并與從節(jié)點和嵌入式服務器實現(xiàn)指令的發(fā)送和接收。
ZigBee無線模塊從節(jié)點主要嵌入到終端設備中用于采集檢測信息發(fā)送到主節(jié)點，或者接收控制命令實現(xiàn)對終端設備的控制，ZigBee網(wǎng)絡結構圖如圖4。
圖4 ZigBee網(wǎng)絡結構圖
ZigBee無線模塊節(jié)點采用TI公司的CC2530作為主控制器芯片。該芯片是用于2.4GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統(tǒng)解決方案。它結合了領先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，基于51內核，系統(tǒng)內可編程閃存，8KB RAM和許多其它強大的功能。
ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點主要包括一些通過傳感器實現(xiàn)的信號采集類模塊，比如溫濕度采集，可燃氣體泄漏或者火災發(fā)生時的信號ZigBee數(shù)據(jù)采集并報警。設備控制節(jié)點主要嵌入到家電設備中，以實現(xiàn)門禁系統(tǒng)、燈光控制、智能窗簾、智能熱水器、智能空調、攝像頭云臺等的遠程控制。
3 系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)的軟件主要包括3個部分：嵌入式服務器軟件平臺、ZigBee節(jié)點控制程序、控制終端的Android應用程序。
3.1 嵌入式服務器軟件實現(xiàn)
嵌入式服務器軟件平臺的搭建根據(jù)以下2點需求來進行:(1)服務器要實現(xiàn)實時多任務操作。(2)服務器要實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡通信功能。因此，本系統(tǒng)選擇移植實時操作系統(tǒng)μC/OS-II作為服務器操作系統(tǒng)，移植LwIP實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡通信。
3.1.1 操作系統(tǒng)移植
μC/OS-II是一個可移植、可固化、可剪裁、搶占式多任務實時內核。它適用于多種微處理器，微控制器和數(shù)字處理芯片，是和很多商業(yè)操作系統(tǒng)性能相當?shù)膶崟r操作系統(tǒng)。
在移植μC/OS-II系統(tǒng)過程中，需修改以下幾個文件：匯編文件OS_CPU_A.ASM,與處理器相關C文件OS_CPU.H和OS_CPU_C.C,系統(tǒng)配置文件OS_CFG.H。
3.1.2 LwIP協(xié)議棧移植
LwIP是TCP/IP協(xié)議棧的一個實現(xiàn)。它的目的是減少內存使用率和代碼大小，使LwIP用于資源受限系統(tǒng)，本次設計的嵌入式系統(tǒng)正屬于此列。因此，為實現(xiàn)嵌入式服務器的TCP/IP網(wǎng)絡通信功能，有必要移植TCP/IP協(xié)議棧，綜合考慮，本次設計選擇移植開源的LwIP協(xié)議棧。為移植LwIP，主要工作是需針對本次設計中的目標系統(tǒng)μC/OS-II修改模擬層實現(xiàn)。移植后的系統(tǒng)軟件框架如圖5。
圖5 服務器軟件框架
3.1.3 應用程序編寫
本次設計中，嵌入式服務器實現(xiàn)對遠程用戶登錄注銷、用戶信息管理和數(shù)據(jù)傳輸兩大主要功能。服務器依據(jù)客戶端指令分別實現(xiàn)客戶端的登錄注銷、用戶信息管理、終端設備控制三種功能。用戶登錄時服務器創(chuàng)建服務，注銷時結束服務并切斷與客戶端的通信。用戶信息管理允許用戶通過客戶端修改用戶信息，終端設備控制功能允許用戶使用客戶端來實現(xiàn)遠程監(jiān)控家居環(huán)境。控制功能由服務器與ZigBee協(xié)調器通信實現(xiàn)。服務器工作流程圖如圖6所示。
圖6 服務器主線程工作流程圖
服務器啟動后進行系統(tǒng)初始化，初始化主要包括設置STM32系統(tǒng)時鐘、串口、以太網(wǎng)、GPIO、中斷控制器NVIC、LwIP棧。系統(tǒng)初始化完畢創(chuàng)建2個任務，優(yōu)先級為3的任務內容是實現(xiàn)socket通信，注冊數(shù)據(jù)接收回調函數(shù)，當接收到數(shù)據(jù)時在回調函數(shù)中進行數(shù)據(jù)接收處理，其中要使用socket接口必須包含API頭文件socket.h。優(yōu)先級為4的任務完成串口數(shù)據(jù)的接收，在任務中不斷查詢串口數(shù)據(jù)接收完成或緩沖區(qū)溢出標志USART_Rx_Done，當數(shù)據(jù)接收完畢或緩沖區(qū)溢出時，此時在中斷服務程序中設置全局變量USART_Rx_Done為1，即表示通知主線成串口數(shù)據(jù)接收完畢，主線程將接收到得數(shù)據(jù)以網(wǎng)絡通信的方式發(fā)送的客戶端。服務器中斷程序流程圖如圖7。
圖7 中斷服務程序流程圖
3.2 移動控制終端Android應用程序設計
Android客戶端應用程序主要實現(xiàn)三個部分功能，程序功能界面、與家居服務器通信和處理相關信息。
3.2.1 功能界面設計
應用程序界面設計包括登錄界面和功能界面。功能界面采用底部導航欄分欄顯示，包括主頁、設備控制、信息中心和系統(tǒng)設置四個方面。主頁主要顯示當前住宅內部溫度和濕度以及安防信息；設備控制主要包括燈光控制、家電控制、門窗控制和情景模式，通過安檢選項進行控制；消息中心主要顯示住宅環(huán)境的一些家居狀態(tài)消息，比如當住宅發(fā)生火災時傳感器檢測到危險信號后服務器會發(fā)送信息到消息中心顯示，并且手機根據(jù)消息命令會自動實現(xiàn)報警和提醒用戶等；系統(tǒng)設置主要包括設置一些用戶權限和網(wǎng)絡通信配置。設計好的界面如圖8所示。
圖8 登錄及主界面
3.2.2 網(wǎng)絡通信實現(xiàn)
移動Android應用程序設計中主要涉及兩個方面的數(shù)據(jù)通信，一個是界面Activity組建與后臺Service組建間的通信，另一個是Android客戶端與嵌入式服務器間的通信。在Android應用程序中，Activity主要負責前臺頁面的展示和用戶指令的接收，Service則主要在后臺負責長時間執(zhí)行的任務比如監(jiān)控任務。移動客戶端應用程序中數(shù)據(jù)通信架構如圖9。
圖9 數(shù)據(jù)通信程序架構
在Android中，Activity主要負責前臺頁面展示，Service主要負責需要長時間運行的任務。在圖9中， 參考And roidIPC通信機制,在Activity中通過Intent啟動后臺Service，Intent中傳遞了Activity從用戶動作中接收到的數(shù)據(jù)。Service在后臺啟動后創(chuàng)建一個Socket服務子線程與嵌入式服務器實現(xiàn)網(wǎng)絡通信，并將服務器返回的數(shù)據(jù)通過Binder對象傳遞給Activity。另一方面，Service在程序登陸后創(chuàng)建一個循環(huán)子線程實現(xiàn)每隔一分鐘向服務器發(fā)送一次更新數(shù)據(jù)指令，以便實時更新主頁面顯示數(shù)據(jù)。
4 結束語
本文利用ZigBee數(shù)傳模塊對智能家居信息進行ZigBee數(shù)據(jù)采集，將Android客戶端安裝到手機，并搭建服務器平臺，在實驗環(huán)境下進行試驗和調試。實驗結果表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定，Android手機客戶端可以通過無線網(wǎng)對家居設備實現(xiàn)遠程控制，并且能夠實時接收并顯示住宅環(huán)境信息，當檢測到異常時能夠及時的發(fā)出警報。
本次設計的智能家居控制系統(tǒng)，采用了當下最流行也最實用的智能手機實現(xiàn)對家居環(huán)境的實時監(jiān)控。這種方式通用性強，操作便捷，易于安裝推廣，運行穩(wěn)定可靠。達到了對家居設備智能化管理的目的。同時，本次設計在功能上可以加以改進，比如可以在后續(xù)的工作中加入視頻監(jiān)控、智能服務等內容。
目前，物聯(lián)網(wǎng)(IOT)技術在世界范圍內受到廣泛關注，對此各國都投入大量的人力物力，掀起了繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后第三次信息產(chǎn)業(yè)浪潮。美國、中國、歐洲各國、日本、韓國等都對IOT技術進行了大量研究，實施了很多研究計劃。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，工廠和物流庫房數(shù)量大幅度增加，且儲存貨物的種類及規(guī)模也日益增大。這給倉庫環(huán)境監(jiān)測與物品安全管理提出了更高要求。
在這樣的背景下，國內外的專家和學者開展了基于IOT技術的倉庫管理系統(tǒng)研究。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術只是應用于倉庫管理方面，盡管倉庫的環(huán)境檢測能夠實現(xiàn)實時、有效的監(jiān)控，但系統(tǒng)還遠遠沒有達到智能化的要求，特別是在報警手段和問題處理上主要依賴于人工。因此，直接、準確、高效的倉庫智能監(jiān)控預警并及時處理所產(chǎn)生的問題就成為一個急需解決的工程應用問題。
1系統(tǒng)組成及功能
智能倉庫監(jiān)控系統(tǒng)的設計包括無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)、事件處理系統(tǒng)三個部分，共同構成了IOT的感知層、傳輸層和處理層。無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)包含IOT的感知層和傳輸層。感知層基于Zigbee數(shù)據(jù)采集傳感器技術而設計，由分布于倉庫中多種傳感器構成，用以采集倉庫中的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)。傳輸層基于Zigbee數(shù)傳技術而設計，由Zigbee終端節(jié)點、Zigbee路由節(jié)點以及Zigbee協(xié)調器節(jié)點構成的Zigbee無線模塊傳輸網(wǎng)絡。Zigbee數(shù)據(jù)采集傳感器采集到的倉庫溫度、濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)經(jīng)Zigbee數(shù)傳傳輸層傳輸?shù)街悄鼙O(jiān)控系統(tǒng)。智能監(jiān)控系統(tǒng)和事件處理系統(tǒng)共同構成了IOT的處理層。智能監(jiān)控系統(tǒng)是一個管理中心計算機，將監(jiān)測的數(shù)據(jù)存人數(shù)據(jù)庫中，并實時對采集到的數(shù)據(jù)進行智能的分析和處理；根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)決定是否通知事件處理系統(tǒng)對當前發(fā)生的問題經(jīng)行處理。事件處理系統(tǒng)在CIT技術基礎上設計的，它是智能監(jiān)控系統(tǒng)命令的執(zhí)行者，根據(jù)智能監(jiān)控系統(tǒng)的命令通過電信網(wǎng)關自動通知倉庫相關管理人員告知倉庫發(fā)生火災，經(jīng)其確認后開啟倉庫滅火系統(tǒng)進行滅火，并自動撥打119報火警。系統(tǒng)方案結構框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)整體框圖
2系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)硬件包括傳感器、ZigBee無線模塊節(jié)點和電信網(wǎng)關。
2．1傳感器
基于智能系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功用，本系統(tǒng)傳感器包括環(huán)境監(jiān)測傳感器和火災報警傳感器。對于庫房的環(huán)境而言，首先需要關注的溫度和濕度這兩個參數(shù)，因此環(huán)境監(jiān)測傳感器設計為溫濕度傳感器。按照精度高、低功耗的設計原則，溫濕度傳感器采用SHTl0型號溫濕度傳感器。SHTl0是一個高度集成的芯片，它將溫度感測、濕度感測、信號變換和A／D轉換等功能集成到一個芯片上。其主要特點是高精度(測濕精度±3．5％，測溫精度±0．50℃)、高可靠性、超低功耗。溫度測量范圍：一40～123．80℃。接口電路如圖2所示。
圖2 SHT10溫度傳感器接口電路
該傳感器僅僅使用一根線路與Zigbee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點上微處理器的IO端口相連，即可獲得精確的溫、濕度環(huán)境數(shù)據(jù)，實用性極強。為了保證報警的精確度，本系統(tǒng)火災報警傳感器設計為兩種傳感器：火焰?zhèn)鞲衅骱蜔熿F傳感器。火焰?zhèn)鞲衅鞑捎?span lang="EN-US">R2868火焰?zhèn)鞲衅鳎瑹熿F傳感器采用HIS-07離子煙霧傳感器。R2868火焰?zhèn)鞲衅髟诨鹦钱a(chǎn)生瞬問能夠準確地發(fā)現(xiàn)，它可以探測185到260個不同的狹窄光譜敏感源。它具有很小的體積和很寬敏感角度，并能快速準確地發(fā)現(xiàn)從火焰被發(fā)出的弱紫外線。HIS一07離子式煙霧傳感器性能遠優(yōu)于氣敏電阻類傳感器，對微小煙霧粒子的感應更靈敏，對各種煙響應均衡，報警響應時問短，且該傳感器體積小，便于安裝。
2．2 Zigbee數(shù)傳節(jié)點及網(wǎng)絡拓撲結構
Zigbee數(shù)傳節(jié)點負責檢測和傳遞傳感器采集數(shù)據(jù)的任務。該系統(tǒng)采用了典型的Zigbee無線模塊傳感器節(jié)點的結構。Zigbee無線模塊節(jié)點的設計為芯片CC2530。該芯片為工業(yè)級，具有高可靠性、高靈敏度、適應環(huán)境能力強等優(yōu)點。協(xié)調器和路由器采用外供電方式。終端節(jié)點根據(jù)用途、要求傳輸?shù)木嚯x(通信范圍)與減低功耗的要求，均采用低功率模塊使用紐扣電池供電。無線傳感器網(wǎng)絡是由協(xié)調器、路由器和終端節(jié)點組成的，為了適應倉庫環(huán)境的多種變化和位置繁多與實用高效的特點，本系統(tǒng)采用樹形網(wǎng)絡拓撲結構。
2．3電信網(wǎng)網(wǎng)關
電信網(wǎng)網(wǎng)關的設計使用了計算機電信集成(CTI)技術，采用程控交換專用芯片。電信網(wǎng)網(wǎng)關主要由模擬中繼接口芯片MY8632TS、DTMF信號收發(fā)器MT8888組成，其電路圖如圖3所示。其原理是MT8888是具有呼叫進程濾波的單片DTMF收發(fā)器，采用CMOS技術，功耗小而可靠性高。接收信號部分以標準DTMF接收器為標準，而DTMF發(fā)送器使用開關電容D／A變換器產(chǎn)生低失真和高精度的16種DTMF雙音頻信號，用內部計數(shù)器控制突發(fā)模式，因此音信號能以精確的定時突發(fā)傳送。MY8632TS為電話接口芯片，MT8632TS可將25 Hz、75 Vrms的鈴流轉換為計算機能夠識別的TTL電平的信號，也具有摘、掛機功能，并可執(zhí)行2／4線轉換功能，便于連接聲卡的入、出口。上述兩個主芯片的功能使得電信網(wǎng)網(wǎng)關能夠接收管理中心的上位機發(fā)出的信息，根據(jù)解讀信息的結果，發(fā)出指令，控制硬件進行電信網(wǎng)相應的呼叫操作。
圖3 電信網(wǎng)關硬件電路
3系統(tǒng)軟件設計
管理中心計算機軟件通過串口和接協(xié)調器收端節(jié)點連接。接收并顯示所采集的倉庫環(huán)境數(shù)據(jù)存人數(shù)據(jù)庫中。為了系統(tǒng)的靈活方便，使用Access單機數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。管理中心計算機與溫濕度控制器和滅火控制器相連，可以對倉庫的相應位置進行控制溫濕度變化和消防滅火。管理中心計算機軟件通過電信網(wǎng)網(wǎng)關同電信網(wǎng)相連接，可以通過電信網(wǎng)發(fā)起提醒和報警呼叫。中心管理機軟件主要是負責將倉庫每天的環(huán)境數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)庫中進行智能處理，并以圖形和數(shù)字的方式顯示以便查看。溫濕度信息隨上報的數(shù)據(jù)實時變化，此外還設置有煙霧、火焰兩個報警燈顯示。當某個節(jié)點環(huán)境檢測數(shù)據(jù)達到提醒閾值或火焰、煙霧傳感器有一個監(jiān)測到火情時，智能倉庫監(jiān)控系統(tǒng)應用程序自動向溫濕度控制器發(fā)出控制信號，對倉庫某部分環(huán)境進行溫濕度控制調節(jié)。并同時通過電信網(wǎng)語音卡的軟件，自動撥打相關倉庫管理人員的手機，用電信網(wǎng)將相關節(jié)點物品的告警信息以語音的方式通知相關倉庫管理人員。但只有當某個節(jié)點火焰、煙霧傳感器同時監(jiān)測到火情時，智能倉庫監(jiān)控系統(tǒng)應用程序自動向滅火控制器發(fā)出控制信號，對倉庫某部分環(huán)境進行防災滅火操作。并同時通過電信網(wǎng)語音卡的軟件，自動撥打相關倉庫管理人員的手機，用電信網(wǎng)將相關節(jié)點物品的火災信息以語音的方式通知倉庫管理人員。告知倉庫管理人員，倉庫發(fā)生火災已經(jīng)智能滅火，可根據(jù)實際情況看是否需要報火警，請消防隊處理。以使災害得到及時處理，減少倉庫財產(chǎn)損失，而又避免誤報火情。
4實驗結果
本系統(tǒng)經(jīng)倉庫實地測試結果表明：系統(tǒng)硬件設備工作可靠，軟件系統(tǒng)運行穩(wěn)定。具體的結果：(1)系統(tǒng)對庫房環(huán)境參數(shù)檢測時效性良好，溫度的絕對誤差小于0.5℃C，濕度的絕對誤差小于3％；(2)系統(tǒng)具有較強的庫房火災監(jiān)控性能，火焰?zhèn)鞲衅髟跓燁^距離為4m時報警；而煙霧傳感器在香煙距離2m時開始報警；系統(tǒng)的報警延時為6秒；(3)系統(tǒng)表現(xiàn)出自動環(huán)境調控性能，在實驗中當溫濕度超過閾值時系統(tǒng)給空調和加濕器發(fā)出信號，空調和加濕器均能啟動和停止。由于實驗的房問較大，空調的功率較小并且加濕器只有一臺，因此系統(tǒng)調控能力有限。考慮到我們主要是測試系統(tǒng)的調試功能，因此這已經(jīng)足夠了；(4)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的容量影響收發(fā)數(shù)據(jù)的質量。另外，由于庫房內沒有滅火系統(tǒng)，因此系統(tǒng)的自動滅火性能沒有測試。
5結論
本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術開發(fā)了一套智能倉庫環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)把物聯(lián)網(wǎng)技術與電信網(wǎng)技術、自動控制技術相結合，充分利用網(wǎng)絡資源，可以直接、準確、高效、可靠的對倉庫內的溫、濕度進行智能監(jiān)控，在發(fā)生火災時能及時滅火和報警。實驗測試結果表明：系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，控制靈活、準確，有較強的通用性。