基于Packet Tracer的車輛道閘系統物聯網實驗設計

范 君，胡為民，蔡彬彬，業巧林，業 寧

基于Packet Tracer的車輛道閘系統物聯網實驗設計

范 君1,2，胡為民3，蔡彬彬2，業巧林1，業 寧1

（1. 南京林業大學 信息科學技術學院，江蘇 南京 210094；2. 江蘇工程職業技術學院 建筑工程學院，江蘇 南通 226007；3. 江蘇工程職業技術學院 圖文中心，江蘇 南通 226007）

利用Packet Tracer的物聯網仿真系統平臺，規劃和設計了車輛道閘實驗系統。系統包括RFID讀卡器、車牌顯示器、監視器、地感線圈、車輛道閘、通行車輛等物聯網實驗對象。根據道閘系統工作原理設計了道閘系統物件的硬件接口、網絡拓撲、軟件功能，并通過Python軟件編程和IoT服務器邏輯控制編程，實現了道閘系統實驗仿真，為物聯網實踐教學提供了有效、可行的解決思路。

道閘系統；物聯網；Packet Tracer；Python

隨著通信技術、人工智能技術、網絡技術的飛速發展，物聯網技術也得到快速發展，物聯網在智能家居[1]、智能制造[2-3]、智能交通[4]、智慧農業[5]、智慧城市[6]等領域得到廣泛應用，并且推動了高校物聯網工程專業人才的培養[7]。

Packet Trace是一款網絡模擬平臺，利用該平臺可以進行網絡和通信仿真實驗，以及物聯網仿真實 驗[8-9]。筆者利用該平臺7.2版本，設計了基于車輛出入口道閘系統的物聯網綜合實驗，對實驗教學起到很好的支撐作用。

1 實驗系統整體設計

道閘實驗系統整體設計采用了物聯網三層架構模式[10]，即系統由感知層、傳輸層和應用層組成，如圖1所示。

感知層由2組地感線圈和RFID讀卡器組成，被控設備包括監控器、道閘和顯示器。

傳輸層中的MCU控制單元負責采集和處理地感線圈數據。MCU、RFID讀卡器和被控設備與IoT服務器（無線網關設備）交互信息，IoT服務器根據業務邏輯，對上述設備狀態實施變更以實現對設備控制。

圖1 道閘系統架構圖

應用層包括PC終端、移動終端，可通過上述終端登錄IoT服務器觀察和監控被控設備工作狀態，并可在登錄界面通過手工發出控制信號，對被控設備進行控制，可遠程控制道閘系統。

道閘實驗系統是在上述物聯網三層架構設計基礎上，在Packet Tracer中結合了物件的硬件設計、網絡設計、軟件設計。

2 實驗系統硬件設計

2.1 實驗硬件整體規劃

根據實驗需求，規劃了MCU控制板、地感線圈、RFID讀卡器、車牌顯示器、監視器、補光燈、道閘、測試車輛等不同的物聯網物件對象，各對象的硬件端口如表1所示。在Python編程實現過程中，表中的模擬接口可以接收不同的電平數據，而數字接口接收的高低電平對應1023和0兩個數值。

表1 道閘系統物件對象的硬件端口表

注：A0表示物件硬件電路中的模擬接口0，D0表示數字接口0。

2.2 實驗物件硬件設計

Packet Tracer提供了較多的傳感器和執行元器件，但這些元器件并不能直接用于道閘實驗，需要改進或自行設計。

以道閘物件的設計為例：

（1）需要使用繪圖軟件繪制道閘開啟、道閘閉合圖像，并將圖像調整為適當大小；

（2）選擇設備選擇區“Component/boards”中的Thing對象，名稱修改為Barrier Gate，在該對象的屬性框中的選項卡“I/O Config”中添加“PT-IOT-NW-1W”無線網卡、保留1個硬件數字槽位；

（3）在“Thing Editor”選項卡中，通過“Properties”“Layout”“Rules”二級選項卡綁定之前的圖像、關聯硬件引腳接口、設置引腳電平規則。

實驗背景圖參照道閘系統布局[11-13]，以收費管理崗亭為中心，給出了兩個方向的進出通道，每個通道標志了IN和OUT方向，并在圖中設置緩沖帶減速標志。在兩個通道中，實驗工作基于入口通道，入口通道一側的地感線圈、RFID讀卡器、顯示器、攝像機、道閘系統等將通過創建實際的設備對象來添加。而出口一側的道閘和攝像機以背景圖的形式體現。

所設計的各個實驗物件參照背景圖放置，最終構成實驗整體拓撲如圖2所示。

圖2 整體系統拓撲圖

3 實驗系統網絡設計

為實現通過IoT服務器對道閘系統管理智能化，IoT服務器數據交互采用了無線方式。地感線圈、測試車輛、顯示器因不需要與IoT服務器直接交互而未配置無線網卡，其他對象都設置了無線網卡與無線網關IoT服務器交互。

無線網關選用DLC100設備，該設備上配置IP地址為192.168.25.1/24，并配置了該網段DHCP地址池，登錄名和密碼均為admin，無線其他參數配置采用默認值。

4 實驗系統軟件設計

4.1 實驗系統物件軟件功能設計

完成硬件和網絡設計后，需要對實驗系統進行物件的軟件設計和編程。整個實驗系統以IoT服務器為核心，除地感線圈與MCU交互，顯示器與RFID交互外，其他物件均需要與IoT服務器交互信息，IoT服務器根據接收的信息控制道閘的開啟和閉合。系統中各個物件功能規劃如下所述，功能模塊時序如圖3所示。

圖3 系統UML軟件時序圖設計

（1）汽車功能設計。設置車輛車牌號、RFID卡號和重量3個基本參數，這3個參數分別用于顯示器車牌信息顯示、RFID讀卡器識別和地感線圈探測。

（2）地感線圈功能設計。地感線圈具有探測一定范圍內物件的功能，以獲取經過的汽車的重量信息，在判別重量數值達到閾值上限后通過A0端寫操作通知MCU。

（3）MCU功能設計。MCU接收來自地感線圈1、地感線圈2的信息，根據接收的2個地感線圈信息判斷車輛通過減震帶已經進入通道、車輛已經離開道閘這兩種不同的狀態，并向IoT服務器告知車輛通行狀態，再由IoT服務器判別后控制道閘開啟、閉合狀態。

（4）RFID讀卡器功能設計。如果沒有車輛通過，RFID將處于低功耗狀態，此時功耗指示燈不顯示；當地感線圈1探測到有車輛通過時，RFID就進入工作等待狀態，此時讀卡器的功耗指示燈顯示綠色。當車輛進入到RFID探測區域后，RFID讀卡器讀出車輛的RFID數據并判斷車輛是否是免費的合規車輛（數值范圍：1 000~2 000），RFID卡的判別指示燈顯示綠燈，否則RFID判別指示燈顯示紅色。RFID判別后的信息均需發送給IoT服務器。

（5）監視器功能設計。當有車輛進入或離開通道時，MCU接收到地感線圈探測反饋，由IoT服務器設置監視器和補光燈進入工作狀態或關閉狀態。

（6）道閘功能設計。在監視器與補光燈進入工作狀態后，根據RFID讀卡的信息，如果是合規車輛，則IoT網關自動開啟道閘，車輛離開后道閘關閉；如果是不合規車輛，指示卡則由人工開啟道閘，車輛離開后可以自動或手動關閉。

（7）顯示器功能設計。接收來自RFID讀卡器 獲取的車牌信息，并將車牌信息在規定的顯示區域內顯示。

（8）IoT服務器網關功能設計。接收MCU、RFID讀卡器、監視器、道閘的狀態數據信息，根據車輛進入、離開通道情況，RFID讀卡合規/不合規，設置監視器、道閘開啟和閉合的操作，并可以通過網絡對上述物件的狀態數值進行修改，以達到遠程控制物件的目標。

（9）Enviroment環境變量功能設計。Packet Tracer平臺中的Python函數編程環境提供了Enviroment環境變量對象及函數的訪問的方式，此處使用該類型的變量實現RFID讀卡器和顯示器兩個不同物件之間車牌信息的直接傳輸。

4.2 物件內Python編程

基于Packet Tracer平臺的物件Python編程的主要工作涉及物件的基本屬性定義、回調函數的定義、數據信息處理，以及內部狀態變化對應的邏輯處理，以使得物件與物件之間、物件與IoT服務器之間能夠正常地交互信息。與IoT服務器交互的物件，其硬件電路接口電平發生變化或通過無線收到IoT服務器數據時，在該物件中的Python代碼都將采用回調函數進行信息處理。

4.3 物件間邏輯控制編程

IoT服務器接收到與之交互的物件傳遞的狀態信息后，將通過在IoT服務器中的偽代碼編程實現服務器側的邏輯條件控制，其邏輯控制對應時序圖復合框中Opt部分。

5 結語

車輛道閘實驗系統融合了硬件技術、網絡工程技術和軟件編程技術，具有開放、靈活、二次開發方便的特點?；诂F有的實驗系統，可以融合計時與計費功能、將停車管理功能擴展為停車場系統，也可通過以下途徑擴展實驗項目：

（1）感知層實驗：可以將Packet Tracer平臺已有的環境傳感器（CO2、光照、風速濕度、溫度等）結合到該系統，也可自行創建新的傳感器融合到系統中。

（2）傳輸層實驗：可以擴展出口通道的道閘系統，或者設計多出口道閘系統，增加MCU控制節點，設計無線、有線混合網絡傳輸節點組網方式，設計遠程服務器代替無線網關作為IoT網關。

（3）控制設備實驗：可以將Packet Tracer平臺已有的控制設備（太陽能板、電池、警報器等）結合到系統中，或者增加非機動車道道閘控制設備，拓展控制設備。

上述實驗可以應用的課程包括Python編程基礎、物聯網概論、網絡系統集成、安防工程設計等課程設計和實驗。

基于Packet Tracer平臺的車輛道閘實驗環境不受實驗環境物理條件限制，學生一人一機的實驗條件，能夠很好地將課程的示教、開發與實訓相融合，最大限度地拓展學生的動手能力，且該系統所具有的擴展性使得該實驗平臺具備有效培養和提升學生實踐創新的能力。

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Design of Internet of things experiment for vehicle gate system based on Packet Tracer

FAN Jun1,2, HU Weimin3, CAI Binbin2, YE Qiaolin1, YE Ning1

(1. College of Information Science and Technology, Nanjing Forestry University, Nanjing 210094, China; 2. School of Civil Engineering, Jiangsu College of Engineering and Technology, Nantong 226007, China;3. Library and Information Center, Jiangsu College of Engineering and Technology, Nantong 226007, China)

The experimental system of vehicle lanes and gates is planned and designed by using Packet Tracer’s Internet of things simulation system platform. The system includes the experimental objects of Internet of things such as the RFID card reader, license plate display, monitor, ground inductance coil, vehicle lane brake, traffic vehicle, etc. According to the working principle of the gate system, the hardware interface, network topology and software functions of the gate system objects are designed. The simulation of the gate system experiment is realized through Python software programming and IoT server logic control programming, which provides an effective and feasible solution for the practical teaching of the Internet of things.

barrier gate system; Internet of things; Packet Tracer; Python

TP391.9

A

1002-4956(2019)11-0133-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.11.032

2018-10-24

江蘇省高等職業院校國內高級訪問學者計劃項目（2016GRFX013）；江蘇省青藍工程培養對象資助項目（2016-15）；江蘇工程職業技術學院2015年教學改革立項項目（序號18）；江蘇省教育信息化研究課題（2019年企業委托課題，序號30）

范君（1975—），男，江蘇南通，碩士，副教授，主要研究方向為模式識別、機器學習和網絡工程。E-mail: 13773679049@139.com