一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與制作

劉 嵐，王云漢

（廣東省技師學(xué)院 電氣工程系，廣東 惠州 516100）

物聯(lián)網(wǎng) IOT（Internet of Things）是新一代信息技術(shù)的重要組成部分。顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。這有兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；第二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信。因此，物聯(lián)網(wǎng)的定義是通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

目前，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的技術(shù)方案[1-3]比較典型的有兩種基本體系結(jié)構(gòu)，一種是基于分布式計(jì)算的，各物品獨(dú)立接入互聯(lián)網(wǎng)。這要求每個(gè)物品都具有完善的網(wǎng)絡(luò)接入與數(shù)據(jù)交換功能，在成本、安全性、使用的方便性等很多方面存在不足，特別是在目前實(shí)際使用的IPv4協(xié)議中的IP地址資源面臨枯竭的情況下，只能少量用于某些特別的場(chǎng)合。另一種是基于網(wǎng)關(guān)的體系結(jié)構(gòu)。在一個(gè)合適的地域范圍內(nèi)，使用一個(gè)專用的網(wǎng)關(guān)設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，而物品則只直接連接到網(wǎng)關(guān)，各種信息都通過(guò)網(wǎng)關(guān)中轉(zhuǎn)。這種方式無(wú)疑有很多優(yōu)越性，大量的設(shè)備只需要一個(gè)公共點(diǎn)接入互聯(lián)網(wǎng)，節(jié)約IP地址，甚至可以通過(guò)NAT等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，無(wú)需獨(dú)立的IP地址，通過(guò)公共的訪問(wèn)接口訪問(wèn)、控制各個(gè)設(shè)備，容易進(jìn)行完善的安全管理。所以本文探索的是這種基于網(wǎng)關(guān)的體系結(jié)構(gòu)。

1 體系結(jié)構(gòu)

本物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。網(wǎng)關(guān)是其關(guān)鍵性設(shè)備，一方面，網(wǎng)關(guān)與互聯(lián)網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)與終端設(shè)備的互聯(lián)互訪；另一方面，網(wǎng)關(guān)與被控設(shè)備（聯(lián)入物聯(lián)網(wǎng)的物品）相連，物品發(fā)出與接收的信息都通過(guò)網(wǎng)關(guān)中轉(zhuǎn)。遠(yuǎn)程端設(shè)備是能接入互聯(lián)網(wǎng)的手機(jī)、PAD、PC等。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)

2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作

2.1 網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)的硬件有多種，其核心CPU常用的有兩種大的類別：基于ARM和基于Intel X86兼容芯片。目前ARM系列的CPU不支持Windows系列的操作系統(tǒng)，所使用的指令系統(tǒng)也不同，開發(fā)難度相對(duì)較大，功能的拓展等也都不便。本技術(shù)方案采用基于Intel X86兼容CPU的工控PC作為網(wǎng)關(guān)，外型小巧、功耗低，無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)，可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，支持Windows操作系統(tǒng)，技術(shù)成熟，軟硬件支持性好，有大量現(xiàn)有的軟硬件資源可以利用，所以整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)比ARM平臺(tái)更為簡(jiǎn)單方便。

2.2 控制電路的設(shè)計(jì)與制作

如果每個(gè)“物品”都與網(wǎng)關(guān)直接相連、通信，在被控“物品”較多時(shí)，網(wǎng)關(guān)PC的通信接口勢(shì)必不夠，因此整個(gè)控制電路使用了多個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，使用其中的一個(gè)單片機(jī)作為中央節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)通信，通信方式選用最簡(jiǎn)單實(shí)用的RS-232串口通信。中央節(jié)點(diǎn)還實(shí)現(xiàn)溫濕度的檢測(cè)、入侵報(bào)警信息檢測(cè)功能。單片機(jī)都使用AT89S52，它是一種低功耗、高性能CMOS 8 bit微控制器，具有8 KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 bit CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

（1）門的開關(guān)控制

單片機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，通過(guò)齒輪結(jié)構(gòu)減速，絲桿螺母機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)門的開關(guān)控制。安裝兩個(gè)行程開關(guān)，當(dāng)門運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)，行程開關(guān)動(dòng)作，單片機(jī)控制電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2）換氣風(fēng)扇和水閥門的控制

單片機(jī)工作電壓是5 V，如承受過(guò)高的電壓，將受到不可恢復(fù)的嚴(yán)重?fù)p害。風(fēng)扇的工作電壓是交流220 V，必需實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電隔離。選用直流驅(qū)動(dòng)形式的小型電磁式繼電器，絕緣介質(zhì)耐壓能達(dá)到1 000 V以上，保證人員和設(shè)備的安全。

（3）外景燈的控制

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為了達(dá)到美觀的效果，設(shè)計(jì)了一套外觀裝飾燈，每一個(gè)燈都使用一個(gè)紅綠雙色LED，能發(fā)出紅、綠、黃3種顏色，使用單片機(jī)控制，有多種非常美觀的組合、動(dòng)態(tài)效果。

（4）入侵檢測(cè)

使用熱釋電紅外線傳感器，檢測(cè)非法入侵的人員，由單片機(jī)對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)送到終端設(shè)備。

2.3 終端設(shè)備

終端設(shè)備可以是能接入互聯(lián)網(wǎng)的手機(jī)、PAD或PC等，終端硬件平臺(tái)類型非常繁多，但目前這些設(shè)備一般都安裝有Web瀏覽器軟件，運(yùn)行瀏覽器，輸入一個(gè)固定的網(wǎng)址，登錄后就能實(shí)現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的通信、控制。

3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 總體結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，網(wǎng)關(guān)是一個(gè)Web服務(wù)器，Web服務(wù)器連接實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，制作一實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件用于監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的變化，并將這種變化發(fā)送給單片機(jī)中央節(jié)點(diǎn)，由中央節(jié)點(diǎn)單片機(jī)作出判斷處理，直接作出反應(yīng)，或控制外圍單片機(jī)系統(tǒng)操作其他的電子裝置。

圖2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 Web服務(wù)器

遠(yuǎn)程端的軟硬件條件千差萬(wàn)別，一般都互不兼容。如果采用傳統(tǒng)的CS（客戶機(jī)-服務(wù)器）模式，需要為每種軟硬件平臺(tái)開發(fā)客戶端程序，非常不便。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用 BS（瀏覽器-服務(wù)器）模式，使用遠(yuǎn)程端自帶的瀏覽器，免除了開發(fā)客戶端程序的負(fù)擔(dān)，而且平臺(tái)兼容性非常好。

網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)，在網(wǎng)關(guān)上安裝Web服務(wù)器軟件，網(wǎng)關(guān)就可以對(duì)外提供Web服務(wù)，接收遠(yuǎn)程客戶端的訪問(wèn)。

網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)可以選擇多種方式。如果有固定IP，外部只需直接訪問(wèn)該IP地址。如果是動(dòng)態(tài)IP，如ADSL，每次撥號(hào)都可能獲得不同的IP，則需與動(dòng)態(tài)域名解析配合使用，才能從固定的域名訪問(wèn)到網(wǎng)關(guān)。如果是使用NAT等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，需要從外部發(fā)起訪問(wèn)，能訪問(wèn)到位于內(nèi)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)，則必須使用端口映射、DMZ主機(jī)等技術(shù)。

Web服務(wù)器軟件選用APACHE，添加PHP的支持模塊。APACHE是一款廣泛使用、穩(wěn)定、安全、高效的開源服務(wù)器軟件。PHP是一種HTML內(nèi)嵌式的語(yǔ)言，是一種在服務(wù)器端執(zhí)行的嵌入HTML文檔的腳本語(yǔ)言，語(yǔ)言的風(fēng)格類似于C語(yǔ)言，安全、高效，被廣泛地運(yùn)用。使用PHP進(jìn)行安全認(rèn)證處理，操作數(shù)據(jù)庫(kù)，為遠(yuǎn)程端提供信息，接收遠(yuǎn)程端發(fā)出的操控信息，將遠(yuǎn)程端的操作寫入數(shù)據(jù)庫(kù)等。

圖3 中央節(jié)點(diǎn)單片機(jī)系統(tǒng)電路仿真

3.3 監(jiān)控、服務(wù)、通信程序

該程序運(yùn)行在網(wǎng)關(guān)上，使用Borland C++Builder 6.0開發(fā)，隨網(wǎng)關(guān)開機(jī)自動(dòng)運(yùn)行。一方面，該程序負(fù)責(zé)監(jiān)控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的變化，如有變化，則將這種變化發(fā)送到單片機(jī)中央節(jié)點(diǎn)，再轉(zhuǎn)發(fā)到其他的單片機(jī)具體執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)各種控制功能。另一方面，該程序負(fù)責(zé)接收單片機(jī)中央節(jié)點(diǎn)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)的信息，如燈的開關(guān)狀態(tài)、溫度、濕度、紅外報(bào)警信息等，寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，遠(yuǎn)程端通過(guò)訪問(wèn)PHP程序，就能得知這種變化或狀態(tài)。

3.4 單片機(jī)程序的開發(fā)

開發(fā)工具使用Keil C51，它是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。

開發(fā)過(guò)程中，還使用Proteus軟件進(jìn)行硬件電路的仿真[4]，Proteus軟件是英國(guó)Labcenter Electronics公司出版的EDA工具軟件。它能仿真單片機(jī)及外圍器件，是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)。在編程時(shí)，使用Proteus軟件進(jìn)行仿真運(yùn)行，可以直接驗(yàn)證運(yùn)行效果，根據(jù)電路原理圖[5]、PCB設(shè)計(jì)圖制作電路，大幅度提高了開發(fā)效率。中央節(jié)點(diǎn)單片機(jī)系統(tǒng)電路仿真圖如圖3所示。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間地運(yùn)行和測(cè)試，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)基本完善，適合于研究探索物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，適合于學(xué)生了解和體驗(yàn)物聯(lián)網(wǎng)的概念，學(xué)習(xí)軟硬件的開發(fā)設(shè)計(jì)與制作等。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有實(shí)用、穩(wěn)定、安全的特點(diǎn)，有良好的應(yīng)用前景。

[1]黃玉蘭.物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的探究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2011（2）：58-62.

[2]韓騰.物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)[EB/OL].Http：//wenku.baidu.com/view/6331f4c75fbfc77da269b1da.html，2009.

[3]杜江.PHP5完全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[4]周潤(rùn)景.基于PROTEUS的電路及單片機(jī)設(shè)計(jì)與仿真（第2版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[5]高衛(wèi)東.51單片機(jī)原理與實(shí)踐（C語(yǔ)言版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.