基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實訓(xùn)室智能云管理系統(tǒng)設(shè)計

劉英明+胡正乙+劉治滿

摘要本文主要介紹了以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心的智能實驗室遠(yuǎn)程管理控制系統(tǒng)。系統(tǒng)通過GSM模塊TC35將采集到的信息以短信形式發(fā)送到管理員手機(jī)，或打電話到管理員手機(jī)，管理員通過手機(jī)預(yù)裝的視頻監(jiān)控軟件可以查看實驗室的具體情況。系統(tǒng)具有運(yùn)行成本低、集成度高、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，適用于遠(yuǎn)距離監(jiān)測且不受地形條件的影響。

關(guān)鍵詞物聯(lián)網(wǎng)；GSM；單片機(jī)

當(dāng)前，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居、智能樓宇等應(yīng)用得到了廣泛的研究，傳統(tǒng)的建筑物室內(nèi)管理出現(xiàn)了新的局面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)給整個應(yīng)用環(huán)境帶來了智能化的改變。本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居、智能樓宇等方面的部分結(jié)構(gòu)和特性應(yīng)用到實訓(xùn)室，探索智能實訓(xùn)室的模型，打造開放的實訓(xùn)室，為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新發(fā)展提供全新的思路。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)采用TC35模塊和MCU（ATmega16）作為主控器。系統(tǒng)前端采用對射開關(guān)、人體感應(yīng)開關(guān)監(jiān)測是否有人非法進(jìn)入實訓(xùn)室，采用煙感傳感器檢測是否有火災(zāi)發(fā)生，同時安裝視頻監(jiān)控攝像頭用來監(jiān)測發(fā)生險情時實訓(xùn)室的情況。如果有險情發(fā)生，單片機(jī)通過繼電器打開攝像頭，同時把險情信息發(fā)送給TC35模塊，TC35模塊通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)短信或打電話給實訓(xùn)室管理人員，管理員接到報警信息后，打開手機(jī)預(yù)裝的視頻監(jiān)控軟件即可立即查看實訓(xùn)室以便做出正確處理。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件電路主要是實訓(xùn)室云管理終端硬件設(shè)計，包括系統(tǒng)主控模塊、信號采集模塊、TC35模塊、電源電路等。信號采集電路主要包括對射開關(guān)、人體感應(yīng)開關(guān)、煙感傳感器以及攝像頭。

2.1系統(tǒng)主控模塊

系統(tǒng)采用ATmega16為控制核心，它具有高性能、低功耗以及運(yùn)算速度快的8位微處理器，32個8位通用工作寄存器，16KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，內(nèi)存大、數(shù)學(xué)處理能力強(qiáng)，上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測，支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能，32個可編程I/0口，耗電量小。

2.2信號采集模塊

信號采集電路主要包括對射開關(guān)、人體感應(yīng)開關(guān)、煙感傳感器以及攝像頭。

對射式光電開關(guān)由發(fā)射器和接收器組成，其工作原理是通過發(fā)射器發(fā)出的光線直接進(jìn)入接收器，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過發(fā)射器和接收器之前阻斷光線時，光電開關(guān)就產(chǎn)生開關(guān)信號。

人體感應(yīng)開關(guān)也叫紅外感應(yīng)開關(guān)，是一種當(dāng)有人從紅外感應(yīng)探測區(qū)域經(jīng)過而自動啟動的開關(guān)。人體紅外感應(yīng)開關(guān)的主要器件為人體熱釋電紅外傳感器。人體都有恒定的體溫，一般在37℃，所以會發(fā)出特定波長10UM左右的紅外線，被動式紅外探頭就是通過探測人體發(fā)射的10UM左右的紅外線而進(jìn)行工作的。

煙感傳感器采用特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計的光電傳感器，SMT貼片加工工藝生產(chǎn)，具有靈敏度高、穩(wěn)定可靠、低功耗、美觀耐用、使用方便等特點(diǎn)。

2.3TC35模塊

TC35模塊的工作電壓為3.3V～5.5V，可以工作在900MHz和1800MHz兩個頻段，所在頻段功耗分別為2w（900MHz）和1W（1800MHz）。通過獨(dú)特的40引腳的ZIF連接器，實現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語音信號、及控制信號的雙向傳輸。模塊有AT命令集接口，支持文本和PDU模式的短消息。自帶RS232通訊接口，可以方便地與PC機(jī)、單片機(jī)連機(jī)通訊。可以快速、安全、可靠地實現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息服務(wù)（Short Message Service）和傳真。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)利用對射開關(guān)、人體感應(yīng)開關(guān)、煙感傳感器來實時檢測實訓(xùn)室情況，并且發(fā)送到單片機(jī)，用ATmega16單片機(jī)作控制核心，控制繼電器打開攝像頭，同時把信號發(fā)送給TC35模塊，進(jìn)而把險情信息發(fā)送給實訓(xùn)室管理員。系統(tǒng)流程圖如圖2所示。

3.1單片機(jī)控制設(shè)計

系統(tǒng)軟件的大體流程是：首先上電進(jìn)行單片機(jī)的初始化設(shè)置，如時鐘，UART串口的波特率，引腳的功能設(shè)置等；然后發(fā)送開機(jī)脈沖開啟TC35，并作相關(guān)設(shè)置，如串口波特率，短信模式，工號模式等；然后通過發(fā)送AT命令來控制TC35進(jìn)行短信的收發(fā)即可。

3.2TC35通訊設(shè)計

TC35收到來電或短信時，能夠通過串口發(fā)出相應(yīng)提示信息，單片機(jī)也可以通過串口向TC35模塊發(fā)送各種控制命令和待發(fā)送的短信內(nèi)容。

TC35模塊通過AT+CMGR指令判讀短信來電，并與事先寫入單片機(jī)EEPROM的授權(quán)手機(jī)號碼、控制命令內(nèi)容進(jìn)行比對，即可事先認(rèn)證短信發(fā)送方手機(jī)號碼，并執(zhí)行相應(yīng)控制動作。現(xiàn)場報警傳感器觸發(fā)時，系統(tǒng)則立即將對應(yīng)的報警短信內(nèi)容發(fā)送到遠(yuǎn)程的系統(tǒng)管理員手機(jī)上。同時，系統(tǒng)支持語音通信，自動執(zhí)行ATD指令循環(huán)撥打接警電話號碼，并通過ATD指令的應(yīng)答內(nèi)容來識別實驗室管理員是否接聽，一旦工作人員接聽或掛機(jī)，就不再撥打該號碼。

3.3系統(tǒng)調(diào)試與實現(xiàn)

1）TC35模塊的網(wǎng)絡(luò)注冊和調(diào)試。在使用TC35模塊時，將SIM卡插在TC35模塊的SIM卡卡槽，首先對模塊進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)注冊。第一次按下網(wǎng)絡(luò)啟動按鍵，網(wǎng)絡(luò)指示燈一亮一滅，表示網(wǎng)絡(luò)注冊未成功或網(wǎng)絡(luò)正在注冊中，等待大約1min，如果網(wǎng)絡(luò)指示燈出現(xiàn)短滅常亮的狀態(tài)，表示網(wǎng)絡(luò)注冊成功，TC35模塊進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

2）TC35與單片機(jī)通信測試。通過RS232串口線將單片機(jī)與TC35連接，把編寫好的程序下載到單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試。測試程序中參數(shù)設(shè)置如下，速率：9600；奇偶檢驗位：無；數(shù)據(jù)位：8；停止位：1；流程控制：硬件。在測試程序中，單片機(jī)按鍵盤中某個按鍵向TC35發(fā)送AT命令，單片機(jī)接收顯示返回0K，則表示單片機(jī)與GSM連接成功。

3）TC35模塊發(fā)短信給手機(jī)測試。對短消息的控制共有3種模式：Block Mode、基于AT指令的PDU Mode、基于AT指令的Text Mode。目前發(fā)送短消息常用Text和PDU Mode。使用TEXT收發(fā)短信代碼簡單，實現(xiàn)起來容易，但是不能收發(fā)中文短信。本系統(tǒng)只用來發(fā)送和接收英文及數(shù)字，所以選用TEXT模式。系統(tǒng)經(jīng)過測試正常，遠(yuǎn)程就可以通過手機(jī)發(fā)送來的信息預(yù)警實訓(xùn)室出現(xiàn)的險情，如有人非法進(jìn)入實訓(xùn)室，實訓(xùn)室發(fā)送火災(zāi)等，極大減少實訓(xùn)室災(zāi)害。

4結(jié)論

本文設(shè)計的基于TC35的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實訓(xùn)室智能云管理系統(tǒng)，是利用Atmega16來控制TC35模塊，來實現(xiàn)短消息的收發(fā)與數(shù)據(jù)的無線傳輸。本次設(shè)計成本較低，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，應(yīng)用范圍廣泛，模塊成本低，更加具有商業(yè)價值。