基于物联网的导航门牌设计

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物联网是计算机网络技术在21世纪来临之际最重要的发展趋势之一，它指各种物体通过传感器和无处不在的信息网络连接在一起，将以往只能被动处理的“物”变成可以产生和传播信息的主体，将自身的空间位置和状态利用通讯系统传输到各个有识别权限的装置上，以便对其进行智能化的定位、跟踪、分析、检测、控制和管理[1]。
       
        物联网的概念自1999年在传感器网的基础上首次提出以来，已得到了各国政府和国际组织的普遍重视。产业界也将物联网技术作为下一个能带来巨大经济和社会效益的增长点，进行了积极的资金和研发力量的投入。例如IBM公司在2008年提出了“智慧地球”（Smart Planet）的概念，将传感器嵌入到电网、交通网、水网、油气网等各种基础设施网络中，再通过独有的数据通讯和信息处理系统将其连接成完整的信息搜集和反馈控制系统，达到将基础设施管理和城市管理完全信息化和智能化的目的[2]。国务院总理温家宝2009年在中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心视察时，明确提出要将“感知中国”作为信息产业重要机遇来抓。工信部于2011年11月发布的《物联网“十二五”发展规划》中指出：“物联网已成为当前世界新一轮经济和科技发展的战略制高点之一，发展物联网对于促进经济发展和社会进步具有重要的现实意义”[3]。
       
        门牌号码是城市管理的基础设施之一，也是在街道和建筑物内寻址定位的基本依据。但是传统的门牌仅仅是一种用于人眼识别的普通标志物，既不能提供丰富的多媒体信息，也不能为使用者提供门牌所处位置和其他门址的空间位置信息，因此难以用作路线导航。本系统基于物联网概念和技术，设计了以单片机和蓝牙通讯为基础的电子门牌，通过手机或其他具有蓝牙通讯功能的终端设备，可以与电子门牌间实现双向数据传输，获取到门牌所对应地址更丰富的信息，并利用局部地图实现门牌周边的自动导航。
       
        1 系统设计
       
        1.1 总体特性
       
        导航门牌是一种特殊的电子门牌，它既具有普通门牌的地址展示功能，又具有更加丰富的多媒体信息和便利的交互功能，从总体上，导航门牌需要具有以下特性：肉眼可识别；内置多媒体信息；可通过移动终端进行访问；具有自我电源保障能力。
       
        1.2 功能设计
       
        电子化的门牌系统如需实现导航功能，必须在门牌内部存储相应的门址信息和其他数据，并具有将自身数据通过无线通讯方式传送给识别装置的能力。门牌所对应的门址信息应该包含基本的地图数据和多维坐标，以定位门址的空间位置。同时，门牌内还必须存储相邻门址的基本信息和位置信息，以提供方位导航。系统的工作模式可分为设置模式和导航模式。
       
            (1)设置模式
       
        设置模式中，识别装置检测到附近处于待机状态的导航门牌，首先进行通讯握手，建立通讯连接；然后识别装置向导航门牌发送设置口令，表示需要对导航门牌的内置数据进行设置，导航门牌收到设置口令后，对比内置的口令进行验证，如果不一致，则返回到待机状态；如果设置口令正确，则导航门牌向识别装置发送自身门址代码，识别装置收到门址代码后进行验证，如果确定要对该门址进行数据设置，则从数据库中提取出与该门址有关的数据信息，发送给导航门牌；门址信息发送完毕断开通讯连接。设置模式功能流程图如图1所示。
         
       
            (2)导航模式
        导航模式中，识别装置检测到附近处于待机状态的导航门牌，首先进行通讯握手，建立通讯连接；然后导航门牌向识别装置发送自身门址信息，识别装置接收到门址信息后进行显示，通过文字和地图等多媒体信息进行局部导航。功能流程图如图2所示。
         
       
       
        1.3 结构设计
       
        根据导航门牌的总体特性要求和工作模式设计系统，其结构由4部分组成，如图3所示。
       
            (1)控制系统。导航门牌的核心部分，管理整个系统的运行，接收识别装置的指令并与识别装置交换数据。根据系统控制工作量和导航门牌的体积要求，本系统以低功耗单片机为核心控制设备，通过软件编程完成系统各项功能。
       
            (2)存储系统。导航门牌的主要特点之一是可以存储相应门址大量的多媒体信息，而且门址信息不仅可以通过移动终端读取，而且可以用具有权限的移动终端写入。因此存储系统应该是电可擦且非易失的。Flash存储芯片是一种理想的选择，它容量大、功耗低、体积小，可反复擦写，数据可掉电长期保存。
       
            (3)通讯系统。物联网中常用的无线通讯技术包括RFID、ZigBee和蓝牙（Bluetooth）。为提高对各种移动终端的兼容性，简化使用方式，以移动终端上普遍配备的蓝牙通讯接口作为导航门牌的基本通讯模式是一种理想的选择。
       
            (4)电源系统。导航门牌必须具备自我电源保障能力，因此采用以太阳能电池板和蓄电池构成的电源系统。电源系统还包括电源管理模块和稳压系统，以确保电力供应的平稳和蓄电池的正常充放电过程。
       
        2 系统实现
       
        2.1 硬件实现
       
        2.1.1 控制和存储系统
       
        基于适应导航门牌内部空间大小和尽量减少功耗需求的设计思想，选择高速低功耗单片机STC89LE516RD+作为系统的控制核心芯片，它兼容8051指令代码，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择，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 蓝牙通讯系统
       
        蓝牙通讯系统以BTM4704C2P为核心，通过串行通讯接口与单片机连接。该蓝牙通讯模块支持L2CAP、RFCOMM、OBEX、SDP等协议及SPP、OPP、FTP profile，具有自动搜索附近(150 m以内)移动蓝牙终端，并主动将预设信息(文字、图片、流媒体等)发送给蓝牙终端的功能。
       
        根据系统设计，导航门牌的蓝牙通讯以文件传输为主，因此设计使用基于对象交换OBEX(Object Exchange)的OPP（Object Push Profile）协议，即对象推送协议。它加入了人为的选择操作，允许导航门牌的识别装置主动选择是否从导航门牌上下载门址的多媒体信息文件，同时识别装置上无需单独编程，具有很强的灵活性和兼容性。OPP中的对象以文件形式封装，文件类型后缀反映在该文件Object的Type Header上相应的MIME类型，Object数据结构基本都可以抽象为Type+Data在PUT中分段传输，目标机根据Type决定对文件对象的操作，例如当类型为“text/x-vcard”时，便能判断出文件中的数据均为VCARD形式的电话本条目。这些Type都应用专属Header(Application Specific Header)，OPP在OBEX上的扩展也就是在这个Type上的扩展[4]。
       
        2.1.3 太阳能供电系统
       
        太阳能供电系统由太阳能电池组件、充电控制器和蓄电池组成。
       
        蓄电池的种类和容量根据系统使用环境和系统耗电量进行选择。由于导航门牌安装环境是户外，一年中环境温度变化较大，因此选择受温度影响较小的锂电池作为蓄电池。考虑日照情况和后备裕量，选择容量为2 600 mAh的可充电锂电池作为太阳能供电系统的蓄电池。
       
        充电控制器的核心是充电管理芯片，选择时需要考虑芯片的工作电压、充电方式、能否有效避免过充和过放等。CONSONANCE公司的CN3068充电管理芯片可对单节可充电锂电池进行恒流/恒压充电管理，其内部包括功率晶体管，应用时不需要外部的电流检测电阻和阻流二极管， 符合USB总线技术规范，非常适合于便携式应用领域。CN3068的热调制电路可以在器件的功耗比较大或者环境温度比较高时将芯片的温度控制在安全范围内。当输入电压掉电时，CN3068会自动进入低功耗的睡眠模式，此时电池的电流消耗小于3 ?滋A。该充电管理芯片的其他功能还包括输入电压过低锁存、自动再充电、电池温度监控以及充电状态/充电结束状态指示等。CN3068采用8管脚小外形封装（SOP8），输入电压范围为4.35 V～6 V[5]。
       
        太阳能供电系统采用浮充机制：电池板将太阳能转换为电能，通过充电管理芯片CN3068对电池进行充电，同时给系统供电；当太阳能电压不能满足系统要求时，模块由电池供电。为保证太阳能电池板和蓄电池为系统提供的电压稳定，两路电源分别采用以AS1360三端稳压芯片为核心的稳压电路。AS1360输出电压为3.3 V，输入电压范围为2.5 V～20 V，最小静态电流为1.5 μA，最大输出电流为250 mA，具有集成的短路和过流保护，输出精度高，采用3引脚的SOT23封装。
       
        2.2 软件实现
       
        导航门牌的软件实现主要是单片机编程，其导航读取过程的程序流程图如图4所示。
         
       
        地址信息发送主要依靠单片机与蓝牙模块之间的通讯协议实现。当配对之后，蓝牙模块会发送给单片机一个0x36指令，包括配对设备的蓝牙地址以及配对结果标志位。若配对成功，单片机向蓝牙模块发送0x80指令，包括获得的蓝牙地址以及发送文件大小、文件名编码格式和对应格式的文件名编码。当蓝牙模块与蓝牙终端建立连接之后，蓝牙模块会通过0x21指令告知单片机。数据包括蓝牙设备地址和连接句柄，连接句柄的作用是对当前连接进行标识。当模块准备好给蓝牙终端发送数据时，会通过0x41指令告知。0x41指令中标识了当前数据包的大小限制。第一个数据包的大小限制为330 B，之后的数据包大小限制为3 630 B。主机在接收到0x41指令后，通过0x70指令发送数据给模块。0x70指令包括序号，标识当前是第几个数据包和地址信息。数据包发送成功之后，模块会返回0x61指令。0x61指令是一条状态指令，标识前一个操作是否成功。若收到则标识上个操作已成功完成。所有数据包都发送完毕之后，单片机发送0x71指令告知蓝牙模块，蓝牙模块在接收到0x71指令后，会发送0x23指令给单片机表示模块已经与蓝牙移动终端断开了连接。
       
        导航门牌融入了物联网的基本概念和技术，将传统的静态被动式门牌转化为具有存储和读取功能的局部信息点LIP（Local Information Point），具有体积小、安装使用方便、免维护等特点，可以广泛地应用在城市街道的门址定位和建筑物的室内导航中，大大提升了门址系统的信息化水平。