基于物聯網的應答式洗衣機系統

周超琦　朱正羊　耿明翠

摘 要： 綜合運用物聯網技術和互聯網技術，實現了“應答式洗衣機系統”。該系統通過傳感器、單片機等硬件技術，以及網絡協議、數據庫、ASP.NET等軟件技術進行構建，使用Visual Studio、Keil等工具開發實現，最后以網站的形式展現。用戶可以通過網站查看洗衣機的工作狀態，可在線預約和付款；可以通過微博查詢洗衣機工作狀態的剩余時間，獲得即時結果。應用該系統可實現應答式洗衣機的智能管理和使用。

關鍵詞： 物聯網； 應答式系統； 傳感器； 洗衣機； 微博

中圖分類號：TP311 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）02-10-05

Responsive washer system based on IOT

Zhou Chaoqi， Zhu Zhengyang， Geng Mingcui

（Information College， Zhejiang University of Finance and Economics， Hangzhou， Zhejiang 310018， China）

Abstract： The "responsive washer system" is realized based on the integration of IOT and Internet. The system is constructed with the sensors， wireless transmission， SCM， network protocols， database and ASP.NET. It is developed through Visual Studio， Keil and other development tools. It displays itself to the users in the form of site. Users can not only use the functions of checking washers' working condition， booking and paying， but also inquire the rest of washing time and get the result immediately， to achieve intelligent management and utilization of washing machine.

Key words： IOT； responsive system； sensor； washer； weibo

0 引言

隨著時代的發展、社會生活節奏的加快，24小時不間斷營業、無人值守的自助經營模式因其自主、自助、便利的特性，正被越來越多的人所接受。

洗衣服是一項耗時、耗力、耗神的工作，在歐美發達國家，由于時間珍貴以及追求個性化的生活，人們早已不愿為日常洗衣浪費時間，隨之而來的是大量洗衣房的出現。目前歐美、日韓生活區，尤其是學生單身公寓，自助投幣洗衣機隨處可見，在我國的大學宿舍，有的也已安裝了這種機器。但是，在大學宿舍由于自助式洗衣機數量有限，排隊等待洗衣成了讓學生頭疼的問題。因此，我們開發了“基于物聯網的應答式洗衣機系統”，其目的是減少學生排隊等待而浪費的時間。學生可以通過網站查看宿舍樓下洗衣機的工作狀態、洗衣機工作剩余時間、排隊人數，可以在網上預約洗衣機。洗衣機通過微博、微信“發布”信息——“空閑”或“正在使用，剩余XX分鐘”，“XXX同學，洗衣結束”等提示信息。

1 關鍵技術介紹

1.1 物聯網介紹

物聯網可定義為：通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把物品與網絡連接起來進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[1]。

物聯網雖然是基于互聯網的應用，卻比互聯網更加龐大，任何物體只要嵌入感應芯片，即是一個客戶端，物體數量可以達到成百上千億，而且物物之間也可“說話”，不論何時何地都可以即時獲取它們的信息。

物聯網在生活和工作中的應用，一方面提高了經濟效益，大大降低了成本，另一方面可以為中國經濟的提升提供技術動力。

1.2 OAuth協議

本系統一大亮點是將網站上的洗衣機狀態信息公布到時下流行的社會化媒體平臺——微博上，既方便用戶對信息即時獲取，又有效地宣傳了該網站。同時，如果用戶在微博上@WasherOnline，系統會自動分析該用戶，并回復與該用戶相關的洗衣機信息，如該用戶預約的洗衣機排隊人數、剩余時間等。本系統對微博的一系列操作都需要先完成OAuth這一授權協議才可進行。

OAuth協議為用戶資源的授權提供了一個安全的、開放而又簡易的標準。與以往的授權方式不同之處是OAuth的授權不會使第三方觸及到用戶的帳號信息，如用戶名與密碼，即第三方無需用戶名與密碼就可以申請獲得該用戶資源的授權。

Client指第三方應用，Resource Owner指用戶，Authorization Server是授權服務器，Resource Server是API服務器。

A. 第三方應用向用戶發送認證請求，請求資源擁有者給予授權許可。

B. 資源擁有者根據實際情況選擇對第三方應用授權內容或者授權與否。

C. 第三方應用發送資源所有者的授權信息給授權服務器。

D. 授權服務器經過校驗后確認有效給予訪問令牌。

E. 第三方應用利用獲得的訪問令牌訪問資源服務器獲取資料。

F. 資源服務器以JSON或者XML的形式把資料傳送給第三方應用。

OAuth2.0授權流程如圖1所示。

2 系統總體方案設計

2.1 系統總體方案

根據應答式洗衣機系統的功能與技術要求，我們決定采用硬件+軟件的系統結構來設計，使用了傳感器、無線傳輸模塊、單片機等硬件技術和數據庫、ASP.NET、網絡協議等軟件技術，通過Visual Studio、Keil等開發工具開發實現。系統總體方案為：洗衣機的工作信號由信號采集模塊采集，由無線傳輸模塊傳輸，由單片機信號轉換模塊加工后傳給服務器。這樣用戶既可以在網站上查看洗衣機的工作狀態，又可以在微博上提問來查看洗衣機的工作狀態。

2.2 系統模塊

根據設計方案，我們將整個系統劃分為六個主要模塊：信號采集模塊、無線傳輸模塊、單片機信號轉換模塊、網站發布信息模塊、微博發布信息模塊。洗衣機的工作信號由信號采集模塊采集后，通過無線傳輸模塊傳給單片機進行加工轉換，之后傳給服務器進行存儲。基于采集到的數據，我們設計并實現了一個網站，用戶可以通過這個網站來查看洗衣機的工作狀態，也可以使用其他功能，例如預約、付款等。用戶還可以通過微博提問來獲得預定的洗衣機工作的狀態。具體過程如圖2所示。

2.3 模塊功能詳細描述

⑴ 信號采集模塊

該模塊主要由一個帶TCRT5000的光傳感電路來完成。當洗衣機工作時，TCRT5000（見圖3）接收到光信號，電路輸出一個較高的電壓；當洗衣機空閑時，TCRT5000接收不到光信號，電路輸出一個較高的電壓。

⑵ 無線傳輸模塊

考慮到空間的距離，無線傳輸模塊主要作用是：利用nRF905（見圖4）實現將信號采集模塊采集到的信號傳輸給下一模塊。

⑶ 單片機信號轉換模塊

此模塊是將傳輸過來的信號作A/D轉換，即將模擬信號轉換為數字信號，再通過串口傳給下一模塊。單片機如圖5所示。

⑷ 網站發布信息模塊

將單片機傳送過來的信號存儲到數據庫中，需要用到信號采集串口傳輸存儲API函數。調用Microsoft Visual Studio中SerialPort類，在程序中設置一個中斷timer，每隔5秒進行一次串口的讀取。當在串口端讀取到一個“1”或“0”時，就把數據在數據庫中存儲起來，同時保存當前的時間。然后可以通過網站和微博把數據庫中洗衣機的工作狀態信息發布出去。

在分析了其功能和業務需求后，根據數據庫設計的原理[2]，設計數據庫表目錄如表1。

該模塊是將洗衣機的狀態發布到微博、微信平臺，把信息公開化，還能實時回復用戶的提問，實現洗衣機的“應答”。

3 硬件設計

3.1 信號采集

采用TCRT5000一體化反射型光電探測器作為信號采集模塊，其發射器是一個砷化鎵紅外發光二極管，而接收器是一個高靈敏度的硅平面光電三極管。光傳感電路工作原理：右端為紅外線發射端，VCC端接入3.3V穩壓電源發射紅外線，左端為紅外接收端，輸出端接單片機端口檢測10k電阻的電壓，當檢測到紅外線時接收端三極管的壓降減小，10K電阻的分壓增大。

3.2 無線傳輸

nRF905應用于信號采集與單片機之間的數據傳輸。nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技術，該技術使nRF905能夠提供高速的數據傳輸，而不需要昂貴的高速MCU來進行數據處理/時鐘覆蓋。通過將與RF協議有關的高速信號處理放到芯片內，nRF905提供給應用的微控制器一個SPI接口，速率由微控制器自己設定的接口速度決定。nRF905通過ShockBurst工作模式在RF以最大速率進行連接時降低數字應用部分的速度來降低在應用中的平均電流消耗。在ShockBurst RX模式中，地址匹配AM和數據準備就緒DR信號通知MCU一個有效的地址和數據包已經各自接收完成。在ShockBurst TX模式中，nRF905自動產生前導碼和CRC校驗碼，數據準備就緒DR信號通知MCU數據傳輸已經完成。總之，這意味著降低MCU的存儲器需求，也就是降低MCU成本，同時又縮短軟件開發時間。

3.3 單片機信號轉換模塊

我們可以把洗衣機的工作狀態視為模擬值，即工作狀態為“1”，空閑狀態為“0”。紅外傳感器時時檢測著洗衣機的工作指示燈，當在狀態“1”時，接收電路中分壓電阻上的電壓差會增大，通過反復測試后在2V以上，當在狀態“0”時，電壓差在2V以下。當調用ARM單片機上的ADC功能時，系統把接收到的電壓數字信號轉換成模擬信號，再次轉換成信號“1”與“0”。此時洗衣機的工作狀態就是一個方波圖形，如圖6在單片機的中斷函數中，再次調用ADC功能，讀出波形圖的上跳沿和下跳沿，每檢測到一個上跳沿，單片機就通過串口發送一個信號“1”，每檢測到一個下跳沿就發送一個信號“0”。此時單片機就成功完成了對洗衣機狀態的檢測，當洗衣機剛進入工作狀態那一刻，單片機就通過串口發送一個“1”給服務器，剛進入空閑狀態就發送一個“0”給服務器，見圖6。

4 軟件設計

4.1 系統軟件框圖

系統軟件框圖見圖7。

圖7 系統軟件框圖

4.2 應用程序開發

網站使用ASP.NET進行開發，搭配SQL Server數據庫[3-4]，功能實現過程如下。

⑴ 網站前臺主體結構設置[5-6]

網站前臺主體結構見圖8。

⑵ 網站后臺管理功能結構設置

后臺的管理是整個平臺非常重要的一個環節。后臺功能強大，設計得好壞將直接影響到整個平臺的管理效率。團隊人員對項目平臺進行了詳細的策劃設計，具體結構功能的設置如圖9所示。

⑶ 洗衣機狀態顯示功能

洗衣機狀態顯示見圖10。

⑷ 預約功能

用戶一旦在洗衣網站注冊并加為好友后，預付相應的費用后即可獲得預約功能權限。當用戶選擇預定功能后，網站會將用戶預定信息入庫，并通過相應的算法，對預定用戶進行通知排序，一旦洗衣機空閑時，網站便會發送信息或微博給排序最前的用戶，通知他們可以去使用洗衣機，并給予15分鐘為此用戶進行等待，若在15分鐘內該用戶使用了洗衣機，則確認后扣除相應的費用；若該用戶沒有按時使用，則發送微博信息給該用戶通知預約時間已過，并返還其預付的費用，開始通知下一個用戶使用該洗衣機，依此類推。

在預約成功并使用洗衣機時，需進行身份確認，在洗衣機的旁邊放置一個刷卡機，只有當用戶身份和預約時的身份一致時，才進行扣費，并交付使用。

預約功能如圖11所示。

⑸ 付款功能

付款功能分刷卡付款和網上付款兩種，刷卡付款是指，每個用戶都有相應的身份ID卡，最常見的是高校中的學生一卡通，在洗衣機房內進行刷卡付費，即可獲得該洗衣機的使用權，并通過該卡的ID從而可以將該使用人的信息進行入庫，并記錄洗衣機的工作狀態，發送微博通知好友用戶該洗衣機已被使用中；網上付款指用戶可以查詢各個洗衣機的工作狀態，在某臺洗衣機上實現預定，并預付其洗衣費用。用戶在實地使用洗衣時，系統會完成扣款，若用戶超時未使用洗衣機，則返還其預付費用。

⑹ 微博發布信息

現在我們大都每天會關注微博，似乎微博已經成為了我們生活中不可缺少的一部分，同時我們也看到很多利用微博營銷成功的例子。

該系統有一個功能是專為發微博而設計的。通過這個功能，系統自動發送微博記錄，從而實時顯示洗衣機的工作狀態，網上用戶可以加此微博為好友，實時接收洗衣網站發送的內容，內容如下：

用戶預約洗衣機后，系統會自動發微博顯示該臺洗衣機當前的狀態“預約成功，XX地方的XX洗衣機當前剩余XX時間，您前面還有X人”；如果輪到該用戶使用洗衣機，系統會自動發微博提醒用戶去洗衣服“XX地方的XX洗衣機處于空閑狀態，可以去洗衣物。”。

用戶（已注冊）在微博上發“@WasherOnline”，系統會自動檢索該用戶的信息，并把相關的信息發送給用戶。如該用戶正在使用洗衣機，微博會發送“您當前洗衣還剩余XX時間”；如果該用戶已預約，微博會發送“您預約的XX地方的XX洗衣機當前剩余XX時間，您前面還有X人”。

為了實現這一功能，我們引用新浪提供的C#.net版本的SDK，引導用戶完成基于OAuth2.0的授權認證[7]。這樣既保護了用戶的隱私，又可以通過調用微博開發平臺的API實現系統自動控制微博的功能。

調用的API有：

① OAuth2授權接口

oauth2/authorize 請求用戶授權Token

oauth2/access_token 獲取授權過的Access Token

oauth2/get_token_info 查詢用戶access_token的授權相關信息

② 微博接口

statuses/querymid 通過id獲取mid

statuses/queryid 通過mid獲取id

statuses/update 發布一條微博信息

statuses/mentions/ids 獲取@當前用戶的最新微博的ID

statuses/show_batch 根據微博ID批量獲取微博信息

③ 評論接口

comments/create 評論一條微博

④ 用戶接口

users/show 獲取用戶信息

⑤ 關系接口

friendships/create 關注某用戶

⑥ 賬號接口

account/get_uid OAuth授權之后獲取用戶UID

當用戶在微博上@WasherOnline，系統會根據當前洗衣機的使用狀況將結果自動回復給用戶，如圖12所示。

5 結束語

應答式洗衣機系統利用光傳感器和單片機采集傳輸洗衣機的工作狀態信號，并將信號通過服務器發布到網站。系統實時監控，及時、有效地獲取信息，并將信息以人性化的方式發布在微博上，用戶可以快速、方便地得到信息。將微博的二維碼貼在洗衣機的顯要位置，顧客可以方便地加其為好友，查看洗衣機的工作狀態、洗衣店的位置信息等，既方便顧客，又起到了很好的宣傳作用。此外，用戶也可以在微博上與系統交互，系統將自動回復與該用戶相關的洗衣機信息。應答式洗衣機系統是利用物聯網技術和互聯網技術，對現有的投幣洗衣機進行了改進，使之更符合大眾的生活節奏與習慣，為現代家庭的健康生活提供保障，減少了社會資源浪費，符合當代社會綠色環保的理念[8]。

參考文獻：

[1] 嚴萍，張興敢，柏業超，杜仲林.基于物聯網技術的智能家居系統[J].南

京大學學報，2012.1：26-32

[2] 王珊，陳紅.數據庫系統原理教程[M].清華大學出版社，1998.

[3] 張躍廷，王小科，帖凌珍.ASP.NET程序開發范例寶典[M].人民郵電

出版社，2007.

[4] 于倩，羅靜.ASP.NET中ADO.NET對數據庫的管理[J].微計算機應

用，2004.25（3）：372-376

[5] 趙宏中，應杭.基于ASP.NET技術的多層軟件體系架構的實現[J].軟

件開發實務，2005.14：11-17

[6] Richard Anderson， Brlan FrMcis.ASP.NET高級編程[M].清華大學

出版社，2002.

[7] John Papa.Data Access Strategies Using ADO.NET and SQL[J].

MSDN Magazine，2005.20（5）：101-103

[8] 吳方，袁浩杰，鐘海華，陳金安.基于物聯網的智能冰箱設計與實現[J].

現代計算機，2011.9（1）：55-61