基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物件定位搜尋智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

解乃軍 陸欣云 劉婷 朱甜甜

摘 要：“基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物件定位搜尋智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)”，綜合運(yùn)用嵌入式系統(tǒng)、無線傳輸、無線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)。本系統(tǒng)主要由上位機(jī)、手持終端及電子標(biāo)簽三大部分構(gòu)成，其中無線通信模塊采用ZIGBEE協(xié)議。本系統(tǒng)首先對(duì)物件進(jìn)行數(shù)字編碼，然后在上位機(jī)里建立對(duì)應(yīng)的物件檔案，最后通過操作PC或者手持終端實(shí)現(xiàn)物件定位，同時(shí)還可獲取物件存放的環(huán)境溫度參數(shù)等信息，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線傳輸及物件定位。在傳輸抗干擾性，低功耗等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：上位機(jī)；手持終端；電子標(biāo)簽；ZIGBEE

1 引言

隨著科技的發(fā)展，生活質(zhì)量的提高，個(gè)人及單位的物品越來越多，往往當(dāng)人們需要尋找一個(gè)物件或多個(gè)物件時(shí)就變得困難，且非常不方便。

2 物件定位搜尋過程描述

物件定位搜尋簡單流程為：首先，設(shè)定好物件的相關(guān)信息（包括物件名稱、入庫時(shí)間等），將設(shè)定的信息下載到電子標(biāo)簽?zāi)K中，然后將電子標(biāo)簽固定在對(duì)應(yīng)的物件上，則完成電子標(biāo)簽設(shè)定。其次，通過操作PC上位機(jī)或者手持終端上的按鍵，查找處于網(wǎng)絡(luò)中的帶有ID的標(biāo)簽，通過物件菜單來定位目標(biāo)物件，以及物件的相關(guān)信息。按下“確認(rèn)鍵”，該電子標(biāo)簽上天線接收到信息，蜂鳴器發(fā)出鳴叫，則確定物件的位置。對(duì)物件定位搜尋影響最大的是ZIGBEE接收和發(fā)射模塊。

3 總體方案

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案包含兩項(xiàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容。第一部分為軟件部分的設(shè)計(jì)；第二部分為硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。其中，第一部分軟件設(shè)計(jì)部分由上位機(jī)和控制系統(tǒng)程序組成。第二部分是整個(gè)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括手持終端以及電子標(biāo)簽兩大部分的電路設(shè)計(jì)。

3.1系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1.1 物件定位系統(tǒng)上位機(jī)的設(shè)計(jì)

上位機(jī)為控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)的通信和控制整個(gè)系統(tǒng)的工作，可以設(shè)置傳輸?shù)牟ㄌ芈省?shù)據(jù)位、校驗(yàn)位以及停止位等參數(shù)。在PC機(jī)中輸入要查找的物件名稱或者通過手持終端物品菜單選擇要查找的物品名稱，點(diǎn)擊“查找”鍵后，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的該物件的信息將反饋到界面，點(diǎn)擊“定位”后，物件標(biāo)簽上的蜂鳴器發(fā)出鳴叫，則實(shí)現(xiàn)物件定位。上位機(jī)還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)清零、保存等功能，實(shí)現(xiàn)無手持終端物件無線定位。

3.1.2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)ZigBee無線模塊采用的是Z-Stack協(xié)議棧。該協(xié)議棧中的協(xié)議可以分為兩部分，IEEE 802.15.4定義了PHY（物理層）和MAC（介質(zhì)訪問層）技術(shù)規(guī)范；ZigBee聯(lián)盟定義了NWK（網(wǎng)絡(luò)層）、APS（應(yīng)用程序支持子層）、APL（應(yīng)用層）技術(shù)規(guī)范。協(xié)議棧將各個(gè)層定義的協(xié)議集合在一起，以函數(shù)的形式給用戶提供API（應(yīng)用層），用戶可以直接調(diào)用。

3.2 協(xié)議棧API（應(yīng)用層）函數(shù)

3.2.1 ZDO（設(shè)備對(duì)象層）

設(shè)備對(duì)象層ZDO（ZigBee Device Object）層，提供了管理一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)所要使用的功能函數(shù)。ZDO API為協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備提供了應(yīng)用端點(diǎn)的管理函數(shù)，其中包括：建立、發(fā)現(xiàn)和加入一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，綁定應(yīng)用端點(diǎn)和安全管理。ZDP（ZigBee Device Profile）即ZigBee設(shè)備規(guī)范，描述了ZDO內(nèi)部一般性的ZigBee設(shè)備功能是如何實(shí)現(xiàn)的。它定義了使用命令和響應(yīng)對(duì)的設(shè)備描述和簇。ZDP為ZDO和應(yīng)用程序提供如下的功能：設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)；設(shè)備和服務(wù)發(fā)現(xiàn)；終端設(shè)備綁定、綁定和取消綁定服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。

3.2.2 AF（應(yīng)用框架層）

應(yīng)用框架層AF（Application Framework），提供了針對(duì)協(xié)議棧的應(yīng)用端點(diǎn)和設(shè)備端點(diǎn)接口，其中主要包含：設(shè)備描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)收、發(fā)函數(shù)，端點(diǎn)管理。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)設(shè)備都是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有唯一的IEEE地址（64位）和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址（16位）。網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)必須指定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的短地址，數(shù)據(jù)才能被接收。每個(gè)節(jié)點(diǎn)有241個(gè)端點(diǎn)，其中端點(diǎn)0由ZDO層使用，它是不可缺少的。端點(diǎn)1～240由應(yīng)用程序分配使用，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用程序必須登記注冊(cè)一個(gè)或多個(gè)端點(diǎn)，這樣才能發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

3.2.3 APS（應(yīng)用支持子層）

應(yīng)用支持子層APS（Application Support Sublayer）為設(shè)備對(duì)象和應(yīng)用實(shí)體提供了以下的支持服務(wù)：綁定表管理、組表管理、快速地址查詢。

3.2.4 NWK（網(wǎng)絡(luò)層）

網(wǎng)絡(luò)層NWK（ZigBee network），為上層提供了管理服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)。

3.2.5 ZMAC（介質(zhì)訪問層）

介質(zhì)訪問層ZMAC，在IEEE802.15.4與網(wǎng)絡(luò)層之間提供接口。

4 系統(tǒng)軟件的主程序

Z-Stack協(xié)議棧的主程序是一個(gè)小型的操作系統(tǒng)（本質(zhì)也是大型的程序），它幫助我們只考慮底層和網(wǎng)絡(luò)層的內(nèi)容，將復(fù)雜部分屏蔽掉。讓用戶通過上述的API函數(shù)就可以輕易使用ZigBee。Z-Stack采用任務(wù)輪詢的工作方式執(zhí)行任務(wù)。

4.1 按鍵的功能

（1）作路由器功能時(shí)，復(fù)位鍵的功能是電路復(fù)位，S1懸空，S2查找網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，S3查找具體的某一設(shè)備；

（2）作為電子標(biāo)簽?zāi)K，復(fù)位鍵的功能是電路復(fù)位，S2按下則表示已經(jīng)查找到相關(guān)物件；

（3）作為手持終端使用的模塊，復(fù)位鍵的功能是電路復(fù)位，S1查找，短時(shí)間按S2菜單，長時(shí)間按S2則查找當(dāng)前光標(biāo)下對(duì)應(yīng)的物件，S3取消定位。

4.2 液晶顯示屏的功能

采用Nokia5110液晶顯示屏來顯示物件信息，包括各個(gè)物件的ID值以及物品的名稱等，取下電子標(biāo)簽上的液晶屏，可以使得整個(gè)模塊功耗更低，實(shí)現(xiàn)模塊的高性能、低功耗。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)在我們所有隊(duì)員的努力下，在我的指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)下終于順利做出了實(shí)物模型。在該模型的基礎(chǔ)上我們對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了驗(yàn)證，制作出一套成品以及完成上位機(jī)軟件的編寫。本設(shè)計(jì)體現(xiàn)出了團(tuán)隊(duì)的重要性，同時(shí)體現(xiàn)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，讓我們團(tuán)隊(duì)的所有成員都得到了一次鍛煉。

參考文獻(xiàn)

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