朱明武 朱斌庚 劉桂雄 南瑞亭

（華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院）

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)射頻識(shí)別、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等信息傳感設(shè)備，按約定協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1]。2010年3月5日，溫家寶總理在政府工作報(bào)告中，明確將“加快物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)應(yīng)用”納入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的任務(wù)[2]。2010年初教育部下達(dá)了高校開(kāi)設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)申報(bào)通知，眾多高校爭(zhēng)相申報(bào)。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的開(kāi)設(shè)熱潮帶來(lái)了對(duì)物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)工具的迫切需求，但目前市面上合適的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)很少。同時(shí)，智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)的重要應(yīng)用已得到政府和企業(yè)的支持[3]。本文結(jié)合ZigBee無(wú)線通信技術(shù)、3G移動(dòng)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)及 C#編程技術(shù)，研發(fā)一個(gè)以智能家居為依托的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為物聯(lián)網(wǎng)框架圖，它分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[4]。其中，感知層是網(wǎng)絡(luò)與物品直接接觸層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和協(xié)同信息處理；網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)把信息無(wú)障礙、高可靠性地傳送；應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)物與人的交互。基于智能家居需求以及物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)層次，設(shè)計(jì)出圖2 所示的物聯(lián)網(wǎng)與智能家居教學(xué)系統(tǒng)。感知層采用 ZigBee技術(shù)進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，眾多ZigBee節(jié)點(diǎn)與傳感器、執(zhí)行器相連，負(fù)責(zé)上傳信息給 ZigBee協(xié)調(diào)器，同時(shí)接收協(xié)調(diào)器下發(fā)的命令控制家居設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)層支持互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)，PC用戶可通過(guò)本地PC主控軟件對(duì)家居設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)查詢和控制；手機(jī)用戶可通過(guò)短信對(duì)家居設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)查詢和控制，移動(dòng)通信設(shè)備選用3G模塊；網(wǎng)絡(luò)用戶可通過(guò)網(wǎng)頁(yè)對(duì)家居設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)查詢和控制。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)框架圖

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)現(xiàn)此系統(tǒng)的關(guān)鍵主要有感知層的家居設(shè)備組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)層的移動(dòng)通信和應(yīng)用層的用戶交互界面，三者分別對(duì)應(yīng)ZigBee無(wú)線通信技術(shù)、3G移動(dòng)通信技術(shù)、主控軟件編程技術(shù)。

3.1 感知層的ZigBee無(wú)線通信技術(shù)

ZigBee是一種低功耗、低傳輸速率、低成本、低復(fù)雜度、短距離的無(wú)線通信技術(shù)，尤其適合傳輸數(shù)據(jù)量小、功耗要求低、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要求多的場(chǎng)所。而智能家居設(shè)備密集、傳感器通信距離短、數(shù)據(jù)量不大，符合ZigBee特點(diǎn)。ZigBee建立在IEEE 802.15.4協(xié)議基礎(chǔ)上，增加網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，支持星型、樹(shù)狀、網(wǎng)狀等自組織網(wǎng)絡(luò)類型，網(wǎng)絡(luò)可容納多達(dá)64000個(gè)設(shè)備，組網(wǎng)距離可由幾十米擴(kuò)展到上千米。ZigBee節(jié)點(diǎn)可分網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、全功能設(shè)備(FFD)和簡(jiǎn)化功能設(shè)備(RFD)三種，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器實(shí)際上是一種 FFD設(shè)備，負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)FD比RFD擁有更強(qiáng)大計(jì)算能力和更豐富系統(tǒng)資源，可作為網(wǎng)絡(luò)建立者、管理者或終端設(shè)備；RFD常作為終端設(shè)備，從FFD接收信息或?qū)⑿畔鬟f給FFD[5]。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)與智能家居教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)ZigBee設(shè)備選用JENNIC公司JN5139系列模塊，使用一個(gè)全功能設(shè)備JN5139-Z01-M02R1作為 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，用于接收上位機(jī)指令及發(fā)送網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息給上位機(jī)；使用三個(gè)簡(jiǎn)化功能設(shè)備JN5139-Z01-M01R1作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用于控制家居設(shè)備及上傳狀態(tài)信息。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)工作于星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖3 為ZigBee節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)流程圖。

3.2 網(wǎng)絡(luò)層的3G移動(dòng)通信技術(shù)

圖3 ZigBee組網(wǎng)流程

手機(jī)用戶與智能家居網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系紐帶是移動(dòng)通信網(wǎng)，這里選用3G技術(shù)。3G模塊選用華為EM560模塊，它支持TD-SCDMA(3G)和GSM(2G)兩種網(wǎng)絡(luò)，是目前業(yè)界唯一同時(shí)支持 A頻段(1880MHz～1920MHz)和B頻段(2010MHz～2025MHz)的TD模塊，它支持mini PCI-Express和UART接口，支持短信、語(yǔ)音、電話本、補(bǔ)充業(yè)務(wù)等功能，對(duì)它驅(qū)動(dòng)由AT命令實(shí)現(xiàn)。表1列出了短信收發(fā)的幾條重要AT命令。

表1 短信收發(fā)相關(guān)的重要AT命令

根據(jù)GSM 07.05的定義，SMS短信有Block、Text和PDU等三種模式。Block模式需模塊生產(chǎn)廠家提供驅(qū)動(dòng)；Text模式只支持英文短信息；PDU模式支持中英文短信息，本系統(tǒng)采用PDU模式。

接收短信的PDU串格式與發(fā)送短信的PDU串格式不同，需要編寫特定的PDU編碼程序。例如，向13680337931號(hào)碼發(fā)送一條短信，內(nèi)容是“節(jié)日”，則 PDU串為：0891 683108200005F0 11000D91 6831863073 39F1 0008FF04 828265E5。其中，683108200005F0表示服務(wù)中心號(hào)碼8613800200500，鄰位對(duì)調(diào)，補(bǔ)‘F’湊雙數(shù)；683186307339F1表示對(duì)方號(hào)碼8613680337931，鄰位對(duì)調(diào)，補(bǔ)‘F’湊雙數(shù)；828265E5表示短信內(nèi)容“節(jié)日”的Unicode編碼。收到13680337931號(hào)碼發(fā)來(lái)的一條短信，內(nèi)容是“節(jié)日”，則 PDU 串為：0891 683108100005F0 040D91 683186307339F1 0008 11604201530523 04 828265E5。其中，683108200005F0表示服務(wù)中心號(hào)碼8613800200500；683186307339F1表示對(duì)方號(hào)碼8613680337931；11604201530523表示短信時(shí)間2011-06-24 10:35:50 UTC+8時(shí)區(qū)；828265E5表示短信內(nèi)容“節(jié)日”的Unicode編碼。

3.3 主控軟件編程技術(shù)

主控軟件用C#語(yǔ)言在Visual Studio 2008環(huán)境下開(kāi)發(fā)，C#是.NET框架重點(diǎn)推出的面向?qū)ο箝_(kāi)發(fā)語(yǔ)言，具備C++語(yǔ)言安全性和VB語(yǔ)言快速開(kāi)發(fā)特點(diǎn)，適合用戶界面開(kāi)發(fā)[6]。主控軟件與ZigBee協(xié)調(diào)器通過(guò)串口連接，.NET平臺(tái)提供SerialPort類操作串口。主控軟件與3G模塊EM560通過(guò)USB連接，PC操作系統(tǒng)的注冊(cè)表會(huì)創(chuàng)建一個(gè)虛擬串口，對(duì)虛擬串口寫AT命令即可控制 EM560。使用 SerialPort一般先配置PortName、BaudRate、Parity、DataBits、StopBits，然后用Open()打開(kāi)串口，用Close()關(guān)閉串口，用Read()讀串口，用Write()寫串口。串口接收采用事件觸發(fā)方法，只需重載SerialPort.DataReceived事件。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程如圖4所示。首先，手機(jī)用戶通過(guò)短信把控制命令發(fā)送到 3G模塊，收到短信后通過(guò)USB傳給主控中心PC，主控中心解釋命令并通過(guò)串口發(fā)給ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)把命令發(fā)給指定分控終端 ZigBee節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)命令控制繼電器，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)用戶對(duì)家電的控制；其次，ZigBee節(jié)點(diǎn)執(zhí)行命令后，向ZigBee協(xié)調(diào)器返回狀態(tài)，協(xié)調(diào)器把狀態(tài)傳送給主控中心，主控中心通過(guò)3G模塊以短信方式發(fā)送到用戶手機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)家居對(duì)手機(jī)用戶的回答。此外，PC用戶還可通過(guò)主控中心 PC機(jī)的主控軟件直接控制家電和查詢家電狀態(tài)。

圖4 系統(tǒng)工作流程

4.2 系統(tǒng)主控軟件

主控軟件主要考慮以下問(wèn)題：(1)界面美觀得體、色彩柔和、內(nèi)容簡(jiǎn)潔、布局均勻；(2)控制圖與實(shí)物相似，形象生動(dòng)。如開(kāi)燈則燈的圖標(biāo)和按鈕變亮色，關(guān)燈則變暗色；(3)界面給出物聯(lián)網(wǎng)智能家居原理圖，導(dǎo)引清晰，易教易學(xué)；(4)自動(dòng)搜索，軟件啟動(dòng)后會(huì)讀取 PC操作系統(tǒng)的串口注冊(cè)表，自動(dòng)搜索 ZigBee協(xié)調(diào)器和3G模塊設(shè)備，無(wú)需手動(dòng)設(shè)置串口參數(shù)和人工搜索；(5)聯(lián)動(dòng)控制，控制家電的三種方式（短信控制、軟件控制、手動(dòng)控制）可單獨(dú)控制，也可聯(lián)合控制，短信控制的命令和狀態(tài)會(huì)在軟件的狀態(tài)欄顯示。圖5為主控軟件界面。

圖5 主控軟件界面

4.3 系統(tǒng)可開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的教學(xué)科研需求，在此系統(tǒng)基礎(chǔ)上可設(shè)計(jì)多種實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)，如傳感器信息采集實(shí)驗(yàn)、無(wú)線信號(hào)收發(fā)實(shí)驗(yàn)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)通訊實(shí)驗(yàn)、上位機(jī)軟件交互控制實(shí)驗(yàn)等等。

(1)ZigBee節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)實(shí)驗(yàn) 協(xié)調(diào)器上電，系統(tǒng)自動(dòng)播報(bào)歡迎語(yǔ)音；節(jié)點(diǎn)1上電，1秒鐘后與協(xié)調(diào)器組網(wǎng)成功，節(jié)點(diǎn)1的綠燈閃；節(jié)點(diǎn)2上電，1秒鐘后節(jié)點(diǎn)2加入節(jié)點(diǎn)1與協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)成功，節(jié)點(diǎn)2的綠燈閃，同樣依次啟動(dòng)其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。

(2)軟件控制電燈電扇實(shí)驗(yàn) 點(diǎn)擊軟件的開(kāi)燈按鈕，被控?zé)袅?，軟件的燈圖標(biāo)變亮、按鈕文字變成“關(guān)”；再按此按鈕，被控?zé)魷?，軟件的燈圖標(biāo)變暗、按鈕文字變成“開(kāi)”；點(diǎn)擊軟件的開(kāi)風(fēng)扇按鈕，被控風(fēng)扇轉(zhuǎn)，軟件的按鈕文字變成“關(guān)”；再按此按鈕，被控風(fēng)扇停，軟件的按鈕文字變成“開(kāi)”。

(3)短信控制電燈(或電扇)實(shí)驗(yàn) 手機(jī)編輯短信“L1ON”(開(kāi)燈1)發(fā)到3G模塊的SIM卡號(hào)碼，被控?zé)袅?，軟件的燈圖標(biāo)變亮、按鈕文字變成“關(guān)”，同時(shí)收到3G模塊的短信回復(fù)“L1ON：OK”(開(kāi)燈1成功)；手機(jī)編輯短信“L1OFF”(關(guān)燈 1)發(fā)到 3G 模塊的SIM卡號(hào)碼，被控?zé)魷?，軟件的燈圖標(biāo)變暗、按鈕文字變成“開(kāi)”，同時(shí)收到 3G模塊的短信回復(fù)“L1OFF：OK”(關(guān)燈1成功)。

5 結(jié)束語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)和智能家居技術(shù)是當(dāng)前研究熱點(diǎn)，本文結(jié)合二者為物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)專業(yè)開(kāi)發(fā)教學(xué)工具。本教學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了短信、軟件、手動(dòng)三種方式控制家電。系統(tǒng)具有自動(dòng)搜索下位機(jī)設(shè)備、自動(dòng)組網(wǎng)的特點(diǎn)，系統(tǒng)啟動(dòng)播報(bào)歡迎語(yǔ)音，軟件界面形象生動(dòng)，并且可進(jìn)行多種全面的實(shí)驗(yàn)，滿足物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的教學(xué)和科研需求。

[1]Atzori Luigi,Iera Antonio,Morabito Giacomo. The Internet of Things: A survey [J]. COMPUTER NETWORKS,2010,54(15):2787-2805.

[2]溫家寶.政府工作報(bào)告[R].北京:第十一屆全國(guó)人民代表大會(huì)第三次會(huì)議,2010.

[3]張?jiān)朴?房秉毅.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀及發(fā)展建議[J].移動(dòng)通信,2010,(15):25-29.

[4]張暉.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架與標(biāo)準(zhǔn)體系[N].中國(guó)計(jì)算機(jī)報(bào),2010-03-15(32).

[5]周怡頲,凌志浩,吳勤勤.ZigBee無(wú)線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討[J].自動(dòng)化儀表,2005,26(6):5-9.

[6]葛磊蛟,姚素娟,毛一之,等.基于 C#.NET的 GSM MODEM短信貓應(yīng)用設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009,(6):94-96.