基于物聯(lián)網(wǎng)的導航門(mén)牌設計

物聯(lián)網(wǎng)是計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)在21世紀來(lái)臨之際最重要的發(fā)展趨勢之一，它指各種物體通過(guò)傳感器和無(wú)處不在的信息網(wǎng)絡(luò )連接在一起，將以往只能被動(dòng)處理的“物”變成可以產(chǎn)生和傳播信息的主體，將自身的空間位置和狀態(tài)利用通訊系統傳輸到各個(gè)有識別權限的裝置上，以便對其進(jìn)行智能化的定位、跟蹤、分析、檢測、控制和管理[1]。

物聯(lián)網(wǎng)的概念自1999年在傳感器網(wǎng)的基礎上首次提出以來(lái)，已得到了各國政府和國際組織的普遍重視。產(chǎn)業(yè)界也將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為下一個(gè)能帶來(lái)巨大經(jīng)濟和社會(huì )效益的增長(cháng)點(diǎn)，進(jìn)行了積極的資金和研發(fā)力量的投入。例如IBM公司在2008年提出了“智慧地球”（Smart Planet）的概念，將傳感器嵌入到電網(wǎng)、交通網(wǎng)、水網(wǎng)、油氣網(wǎng)等各種基礎設施網(wǎng)絡(luò )中，再通過(guò)獨有的數據通訊和信息處理系統將其連接成完整的信息搜集和反饋控制系統，達到將基礎設施管理和城市管理完全信息化和智能化的目的[2]。國務(wù)院總理溫家寶2009年在中科院無(wú)錫高新微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心視察時(shí)，明確提出要將“感知中國”作為信息產(chǎn)業(yè)重要機遇來(lái)抓。工信部于2011年11月發(fā)布的《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規劃》中指出：“物聯(lián)網(wǎng)已成為當前世界新一輪經(jīng)濟和科技發(fā)展的戰略制高點(diǎn)之一，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)對于促進(jìn)經(jīng)濟發(fā)展和社會(huì )進(jìn)步具有重要的現實(shí)意義”[3]。

門(mén)牌號碼是城市管理的基礎設施之一，也是在街道和建筑物內尋址定位的基本依據。但是傳統的門(mén)牌僅僅是一種用于人眼識別的普通標志物，既不能提供豐富的多媒體信息，也不能為使用者提供門(mén)牌所處位置和其他門(mén)址的空間位置信息，因此難以用作路線(xiàn)導航。本系統基于物聯(lián)網(wǎng)概念和技術(shù)，設計了以單片機和藍牙通訊為基礎的電子門(mén)牌，通過(guò)手機或其他具有藍牙通訊功能的終端設備，可以與電子門(mén)牌間實(shí)現雙向數據傳輸，獲取到門(mén)牌所對應地址更豐富的信息，并利用局部地圖實(shí)現門(mén)牌周邊的自動(dòng)導航。

1 系統設計

1.1 總體特性

導航門(mén)牌是一種特殊的電子門(mén)牌，它既具有普通門(mén)牌的地址展示功能，又具有更加豐富的多媒體信息和便利的交互功能，從總體上，導航門(mén)牌需要具有以下特性：肉眼可識別；內置多媒體信息；可通過(guò)移動(dòng)終端進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)；具有自我電源保障能力。

1.2 功能設計

電子化的門(mén)牌系統如需實(shí)現導航功能，必須在門(mén)牌內部存儲相應的門(mén)址信息和其他數據，并具有將自身數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊方式傳送給識別裝置的能力。門(mén)牌所對應的門(mén)址信息應該包含基本的地圖數據和多維坐標，以定位門(mén)址的空間位置。同時(shí)，門(mén)牌內還必須存儲相鄰門(mén)址的基本信息和位置信息，以提供方位導航。系統的工作模式可分為設置模式和導航模式。

(1)設置模式

設置模式中，識別裝置檢測到附近處于待機狀態(tài)的導航門(mén)牌，首先進(jìn)行通訊握手，建立通訊連接；然后識別裝置向導航門(mén)牌發(fā)送設置口令，表示需要對導航門(mén)牌的內置數據進(jìn)行設置，導航門(mén)牌收到設置口令后，對比內置的口令進(jìn)行驗證，如果不一致，則返回到待機狀態(tài)；如果設置口令正確，則導航門(mén)牌向識別裝置發(fā)送自身門(mén)址代碼，識別裝置收到門(mén)址代碼后進(jìn)行驗證，如果確定要對該門(mén)址進(jìn)行數據設置，則從數據庫中提取出與該門(mén)址有關(guān)的數據信息，發(fā)送給導航門(mén)牌；門(mén)址信息發(fā)送完畢斷開(kāi)通訊連接。設置模式功能流程圖如圖1所示。

(2)導航模式
導航模式中，識別裝置檢測到附近處于待機狀態(tài)的導航門(mén)牌，首先進(jìn)行通訊握手，建立通訊連接；然后導航門(mén)牌向識別裝置發(fā)送自身門(mén)址信息，識別裝置接收到門(mén)址信息后進(jìn)行顯示，通過(guò)文字和地圖等多媒體信息進(jìn)行局部導航。功能流程圖如圖2所示。

1.3 結構設計

根據導航門(mén)牌的總體特性要求和工作模式設計系統，其結構由4部分組成，如圖3所示。

(1)控制系統。導航門(mén)牌的核心部分，管理整個(gè)系統的運行，接收識別裝置的指令并與識別裝置交換數據。根據系統控制工作量和導航門(mén)牌的體積要求，本系統以低功耗單片機為核心控制設備，通過(guò)軟件編程完成系統各項功能。

(2)存儲系統。導航門(mén)牌的主要特點(diǎn)之一是可以存儲相應門(mén)址大量的多媒體信息，而且門(mén)址信息不僅可以通過(guò)移動(dòng)終端讀取，而且可以用具有權限的移動(dòng)終端寫(xiě)入。因此存儲系統應該是電可擦且非易失的。Flash存儲芯片是一種理想的選擇，它容量大、功耗低、體積小，可反復擦寫(xiě)，數據可掉電長(cháng)期保存。

(3)通訊系統。物聯(lián)網(wǎng)中常用的無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)包括RFID、ZigBee和藍牙（Bluetooth）。為提高對各種移動(dòng)終端的兼容性，簡(jiǎn)化使用方式，以移動(dòng)終端上普遍配備的藍牙通訊接口作為導航門(mén)牌的基本通訊模式是一種理想的選擇。

(4)電源系統。導航門(mén)牌必須具備自我電源保障能力，因此采用以太陽(yáng)能電池板和蓄電池構成的電源系統。電源系統還包括電源管理模塊和穩壓系統，以確保電力供應的平穩和蓄電池的正常充放電過(guò)程。

2 系統實(shí)現

2.1 硬件實(shí)現

2.1.1 控制和存儲系統

基于適應導航門(mén)牌內部空間大小和盡量減少功耗需求的設計思想，選擇高速低功耗單片機STC89LE516RD+作為系統的控制核心芯片，它兼容8051指令代碼，12時(shí)鐘/機器周期和6時(shí)鐘/機器周期可以任意選擇，具有片上1 028 B RAM和64 KB Flash ROM，以及UART串行通信接口。

2.1.2 藍牙通訊系統

藍牙通訊系統以BTM4704C2P為核心，通過(guò)串行通訊接口與單片機連接。該藍牙通訊模塊支持L2CAP、RFCOMM、OBEX、SDP等協(xié)議及SPP、OPP、FTP profile，具有自動(dòng)搜索附近(150 m以?xún)?移動(dòng)藍牙終端，并主動(dòng)將預設信息(文字、圖片、流媒體等)發(fā)送給藍牙終端的功能。

根據系統設計，導航門(mén)牌的藍牙通訊以文件傳輸為主，因此設計使用基于對象交換OBEX(Object Exchange)的OPP（Object Push Profile）協(xié)議，即對象推送協(xié)議。它加入了人為的選擇操作，允許導航門(mén)牌的識別裝置主動(dòng)選擇是否從導航門(mén)牌上下載門(mén)址的多媒體信息文件，同時(shí)識別裝置上無(wú)需單獨編程，具有很強的靈活性和兼容性。OPP中的對象以文件形式封裝，文件類(lèi)型后綴反映在該文件Object的Type Header上相應的MIME類(lèi)型，Object數據結構基本都可以抽象為T(mén)ype+Data在PUT中分段傳輸，目標機根據Type決定對文件對象的操作，例如當類(lèi)型為“text/x-vcard”時(shí)，便能判斷出文件中的數據均為VCARD形式的電話(huà)本條目。這些Type都應用專(zhuān)屬Header(Application Specific Header)，OPP在OBEX上的擴展也就是在這個(gè)Type上的擴展[4]。

2.1.3 太陽(yáng)能供電系統

太陽(yáng)能供電系統由太陽(yáng)能電池組件、充電控制器和蓄電池組成。

蓄電池的種類(lèi)和容量根據系統使用環(huán)境和系統耗電量進(jìn)行選擇。由于導航門(mén)牌安裝環(huán)境是戶(hù)外，一年中環(huán)境溫度變化較大，因此選擇受溫度影響較小的鋰電池作為蓄電池?？紤]日照情況和后備裕量，選擇容量為2 600 mAh的可充電鋰電池作為太陽(yáng)能供電系統的蓄電池。

充電控制器的核心是充電管理芯片，選擇時(shí)需要考慮芯片的工作電壓、充電方式、能否有效避免過(guò)充和過(guò)放等。CONSONANCE公司的CN3068充電管理芯片可對單節可充電鋰電池進(jìn)行恒流/恒壓充電管理，其內部包括功率晶體管，應用時(shí)不需要外部的電流檢測電阻和阻流二極管， 符合USB總線(xiàn)技術(shù)規范，非常適合于便攜式應用領(lǐng)域。CN3068的熱調制電路可以在器件的功耗比較大或者環(huán)境溫度比較高時(shí)將芯片的溫度控制在安全范圍內。當輸入電壓掉電時(shí)，CN3068會(huì )自動(dòng)進(jìn)入低功耗的睡眠模式，此時(shí)電池的電流消耗小于3 ?滋A。該充電管理芯片的其他功能還包括輸入電壓過(guò)低鎖存、自動(dòng)再充電、電池溫度監控以及充電狀態(tài)/充電結束狀態(tài)指示等。CN3068采用8管腳小外形封裝（SOP8），輸入電壓范圍為4.35 V～6 V[5]。

太陽(yáng)能供電系統采用浮充機制：電池板將太陽(yáng)能轉換為電能，通過(guò)充電管理芯片CN3068對電池進(jìn)行充電，同時(shí)給系統供電；當太陽(yáng)能電壓不能滿(mǎn)足系統要求時(shí)，模塊由電池供電。為保證太陽(yáng)能電池板和蓄電池為系統提供的電壓穩定，兩路電源分別采用以AS1360三端穩壓芯片為核心的穩壓電路。AS1360輸出電壓為3.3 V，輸入電壓范圍為2.5 V～20 V，最小靜態(tài)電流為1.5 μA，最大輸出電流為250 mA，具有集成的短路和過(guò)流保護，輸出精度高，采用3引腳的SOT23封裝。

2.2 軟件實(shí)現

導航門(mén)牌的軟件實(shí)現主要是單片機編程，其導航讀取過(guò)程的程序流程圖如圖4所示。

地址信息發(fā)送主要依靠單片機與藍牙模塊之間的通訊協(xié)議實(shí)現。當配對之后，藍牙模塊會(huì )發(fā)送給單片機一個(gè)0x36指令，包括配對設備的藍牙地址以及配對結果標志位。若配對成功，單片機向藍牙模塊發(fā)送0x80指令，包括獲得的藍牙地址以及發(fā)送文件大小、文件名編碼格式和對應格式的文件名編碼。當藍牙模塊與藍牙終端建立連接之后，藍牙模塊會(huì )通過(guò)0x21指令告知單片機。數據包括藍牙設備地址和連接句柄，連接句柄的作用是對當前連接進(jìn)行標識。當模塊準備好給藍牙終端發(fā)送數據時(shí)，會(huì )通過(guò)0x41指令告知。0x41指令中標識了當前數據包的大小限制。第一個(gè)數據包的大小限制為330 B，之后的數據包大小限制為3 630 B。主機在接收到0x41指令后，通過(guò)0x70指令發(fā)送數據給模塊。0x70指令包括序號，標識當前是第幾個(gè)數據包和地址信息。數據包發(fā)送成功之后，模塊會(huì )返回0x61指令。0x61指令是一條狀態(tài)指令，標識前一個(gè)操作是否成功。若收到則標識上個(gè)操作已成功完成。所有數據包都發(fā)送完畢之后，單片機發(fā)送0x71指令告知藍牙模塊，藍牙模塊在接收到0x71指令后，會(huì )發(fā)送0x23指令給單片機表示模塊已經(jīng)與藍牙移動(dòng)終端斷開(kāi)了連接。

導航門(mén)牌融入了物聯(lián)網(wǎng)的基本概念和技術(shù)，將傳統的靜態(tài)被動(dòng)式門(mén)牌轉化為具有存儲和讀取功能的局部信息點(diǎn)LIP（Local Information Point），具有體積小、安裝使用方便、免維護等特點(diǎn)，可以廣泛地應用在城市街道的門(mén)址定位和建筑物的室內導航中，大大提升了門(mén)址系統的信息化水平。