王永強(qiáng)+陳舵

摘要：針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)學(xué)生理論多，實(shí)踐少的特點(diǎn)。提出了一個(gè)基于ZigBee、Bluetooth，IPv6等作為通信節(jié)點(diǎn)，上傳采集的傳感器信號(hào)到智能終端進(jìn)行顯示、處理的高校物聯(lián)網(wǎng)演示平臺(tái)的建設(shè)方案。該平臺(tái)可以用于學(xué)生的綜合實(shí)訓(xùn)和課外實(shí)踐，還可以用于創(chuàng)新性實(shí)踐項(xiàng)目參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；演示平臺(tái)；傳感器；節(jié)點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）34-8330-02

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，其英文名稱是：“The Internet of things”。顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)[1]。物聯(lián)網(wǎng)工程是國家倡導(dǎo)開辦的、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)相關(guān)本科專業(yè)。目前教育部已經(jīng)批準(zhǔn)200余所學(xué)校開辦物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)，在校學(xué)生總數(shù)在近兩年內(nèi)將超過10000人，使得物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)成為各類高校競(jìng)相開設(shè)的熱門專業(yè)之一[2]。但對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)工程教學(xué)來講，存在理論內(nèi)容多，學(xué)生實(shí)踐能力不好提升等問題。有的高校，引入物聯(lián)網(wǎng)智能平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)，但設(shè)備昂貴，并且不能很好地進(jìn)行二次開發(fā)。

本文針對(duì)上述問題，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)演示平臺(tái)建設(shè)進(jìn)行了相應(yīng)研究分析，并進(jìn)行了設(shè)計(jì)，內(nèi)容包括平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)搭建以及系統(tǒng)軟件的開發(fā)。該平臺(tái)可以使學(xué)生深入掌握所學(xué)知識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力。

1 物聯(lián)網(wǎng)演示平臺(tái)組成

該演示平臺(tái)主要包括 CORTEX A8主板、傳感器、WIFI、藍(lán)牙、ZigBee，IPv6六大模塊，ARM底板上引出常用接口，傳感器采用模塊化接口，以插針的方式連接到WIFI、藍(lán)牙、ZigBee，IPv6上。傳感器采集信號(hào)后，通過WIFI、藍(lán)牙、ZigBee，IPv6傳送到CORTEX A8網(wǎng)關(guān)，利用QT界面進(jìn)行顯示，控制。該平臺(tái)應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)，傳感器網(wǎng)絡(luò)，RFID技術(shù)[3]，以及嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)演示平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

該平臺(tái)通過WIFI、Bluetooth、ZigBee，IPv6四種通信節(jié)點(diǎn)，可以迅速構(gòu)成小規(guī)模的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。在各個(gè)無線傳感網(wǎng)上的終端節(jié)點(diǎn)上，配備溫濕度、光照、震動(dòng)、結(jié)露、酒精、煙霧，紅外等共12種傳感器，通過基于MCU的智能傳感器模塊，與父節(jié)點(diǎn)及智能網(wǎng)關(guān)建立連接，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集于通信。

為了提高該演示平臺(tái)效果，可以用蜂鳴器、LED 燈等輔助設(shè)備代表終端節(jié)點(diǎn)上的可控設(shè)備。比如溫濕度，煙霧濃度等高于安全閾值時(shí)，利用蜂鳴器等輔助設(shè)備，自動(dòng)報(bào)警，從而模擬演示平臺(tái)常見的應(yīng)用場(chǎng)景。

2 演示平臺(tái)系統(tǒng)的開發(fā)

該演示平臺(tái)由無線數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，智能終端及顯示平臺(tái)組成。演示平臺(tái)的建立，包括環(huán)境搭建，以及軟件系統(tǒng)開發(fā)兩部分組成。

2.1 演示平臺(tái)環(huán)境搭建

無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)由處理器STM32W108為核心的開發(fā)板搭建的。STM32W108是基于ARM Cortex-M3的高性能32位處理器，集成 802.15.4射頻收發(fā)器，板載天線。擴(kuò)展了ST-link和J-link接口，用于程序調(diào)試。STM32W108具有不同的運(yùn)行模式，而且運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短，進(jìn)一步降低了能耗，尤其適用于超低功耗要求的系統(tǒng)。

2.2 智能終端

智能終端，CPU為Samsung S5PV210處理器，該處理器是高性能的32位微處理器，基于ARM CortexM-A8，運(yùn)行頻率為1GHZ，并配有512MBDDR2內(nèi)存和1GB擴(kuò)展flash，附帶7寸的高清電阻壓力觸摸液晶屏。該智能終端，運(yùn)行速度快，支持高速數(shù)據(jù)傳輸，支持3D圖形加速及視頻播放。

2.2.1 演示平臺(tái)軟件系統(tǒng)

本演示系統(tǒng)所用到的軟件開發(fā)平臺(tái)有4個(gè)。

1） Cortex-A8智能終端平臺(tái)，采用Linux-2.6.35+Qt4.7作為操作系統(tǒng)及圖形界面工具，采用IAR for Cortex-A8軟件平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。

2） IPv6智能網(wǎng)關(guān)，采用Openwrt作為操作系統(tǒng)，開發(fā)工具為Linux（RHEL6） ，能夠?qū)崿F(xiàn)IPv6所有功能，包括IPv4和IPv6自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

3） STM32W108模塊開發(fā)平臺(tái)，采用IAR for STM32W108軟件平臺(tái)，使用Z-Stack2007協(xié)議棧進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)，自動(dòng)路由，無線傳輸數(shù)據(jù)等功能。

4） IPv6通信子節(jié)點(diǎn)，采用contiki 2.5作為操作系統(tǒng)，使用contiki 2.5 OS uIPv6協(xié)議棧進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)，自動(dòng)路由，無線傳輸數(shù)據(jù)等。

2.2.2 演示平臺(tái)軟件開發(fā)步驟

演示平臺(tái)軟件開發(fā)步驟一般包括以下4步：

1） 建立交叉編譯環(huán)境，即建立目標(biāo)開發(fā)板與PC機(jī)的聯(lián)系的開發(fā)環(huán)境。

2） 在主機(jī)上編譯BootLoader，燒寫到目標(biāo)板上。

3） 在主機(jī)上編譯嵌入式linux內(nèi)核，通過BootLoader 燒寫到目標(biāo)板上。

4） 在主機(jī)上編譯文件系統(tǒng)以及應(yīng)用程序，通過BootLoader 燒寫到目標(biāo)上。

2.3 演示平臺(tái)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

綜上，演示平臺(tái)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面，一方面是傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，另一方面是將所接收數(shù)據(jù)通過智能終端進(jìn)行顯示。整體的工作流程如圖2所示，虛線以上表示傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)的發(fā)送接收，虛線以下表示數(shù)據(jù)在智能終端的顯示。

2.3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳送，是利用c語言構(gòu)造讀取傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的函數(shù)SensorsRead（），分別調(diào)用讀取各傳感器的控制子函數(shù)來讀取溫濕度，光強(qiáng)，震動(dòng)，人體，紅外等傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并設(shè)定讀取頻率。將讀取的數(shù)據(jù)存放在c語言預(yù)先創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)體中，然后將讀取完的數(shù)據(jù)，通過發(fā)送函數(shù)SensorsSend（）將數(shù)據(jù)放到STM32W108的寄存器上，利用WIFI、藍(lán)牙、ZigBee，IPv6等無線協(xié)議，調(diào)用協(xié)議中相關(guān)API 函數(shù)SendData（），通過數(shù)據(jù)解析，分包組包后發(fā)送給智能終端，通過QT所設(shè)計(jì)的界面及端口進(jìn)行顯示。

2.3.2 演示平臺(tái)顯示設(shè)計(jì)

本物聯(lián)網(wǎng)演示平臺(tái)，智能終端界面采用QT4.7進(jìn)行設(shè)計(jì)。 QT 是通過傳輸信號(hào)和槽機(jī)制[4]來實(shí)現(xiàn)一些動(dòng)作的顯示，也就是說QT界面上的各組件的處理動(dòng)作將觸發(fā)API層所對(duì)應(yīng)的相關(guān)函數(shù)。當(dāng)智能終端平臺(tái)系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先完成初始化[5]工作，及使用QTsetings讀寫并存儲(chǔ)相關(guān)配置文件，然后對(duì)各接口進(jìn)行全面檢測(cè)，最后通過按鍵信息，觸發(fā)底層事件，讀取各串口信息，進(jìn)行界面顯示。其中智能網(wǎng)關(guān)顯示了，智能家居、藍(lán)牙、Wifi、Zigbee、IPV6，RFID的控制按鈕。如果分別點(diǎn)擊進(jìn)入，可以通過根節(jié)點(diǎn)讀取子節(jié)點(diǎn)上傳感器數(shù)據(jù)。整個(gè)演示平臺(tái)運(yùn)行效果如圖3所示：

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于ZigBee、Bluetooth，IPv6等作為通信節(jié)點(diǎn)，上傳采集分布在不同位置的傳感器信號(hào)，將信號(hào)解析發(fā)送到智能終端進(jìn)行顯示、處理的高校物聯(lián)網(wǎng)演示平臺(tái)的實(shí)施方案。通過該平臺(tái)的應(yīng)用，學(xué)生可以更為直觀的認(rèn)識(shí)什么是物聯(lián)網(wǎng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，能夠幫助學(xué)生深入了解物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)和相關(guān)技術(shù)，提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。同時(shí)還可利用該平臺(tái)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)工程二次開發(fā)，諸如智能家居、智能交通、智慧農(nóng)業(yè)、智慧校園，智慧園區(qū)等應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳磊，江訓(xùn)艷.高校智能數(shù)字校園與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究[J].無線互聯(lián)科技，2012，9（4）：42-43.

[2] 牟龍芳.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)前景展望[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2010，51（4）：48-49.

[3] 李如年.基于RFID技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)研究[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)， 2009（6）：594-597.

[4] 朱小軍，張志斌，劉慧鵬.基于S3C2410 芯片的嵌入式linux 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J] .自動(dòng)化與儀器儀表，2012（1）： 112-118.

[5] 趙起越.淺談智能家居系統(tǒng)[J] .林區(qū)教學(xué)，2011（12）：91-92.endprint