基于GPS+物聯網技術的智能時鐘系統設計與開發

汪剛 張振峰 王萍

（南京工業職業技術大學 江蘇省南京市 210000）

通常情況下，包括大、中、小學在內的各類教育場所、部隊營區、大型醫院、工廠、企事業單位等，都需要一個統一而精確的時鐘系統，作為工作同步與協調的參考依據，但目前常見的時鐘存在時間不準確、不統一、時鐘供電不穩定、時鐘鬧鈴設置不靈活、時鐘設置不便捷、功能單一等諸多缺陷。本項目提出一種基于GPS+物聯網的智能時鐘系統，能通過GPS 技術獲得精準而統一的時間，通過服務器上的后臺管理系統對區域內所有時鐘終端進行統一授時和管理控制，時鐘終端獲得豐富的時間信息，同時還具備個性化的語音播放（鬧鈴）等功能，很好的解決了現實中眾多應用場景中因時鐘問題而帶來的痛點，將有效促進工作的協調與同步、促進職場環境的改善、促進設備個性化服務及管理性能的提升。

1 系統設計需求

1.1 服務器端需求

利用DSP 采集GPS 信號獲得時間源，并通過軟件補差完成校驗獲得中國標準的北京時間信息，作為網絡內所有時鐘終端的時間信息源。

1.2 時鐘終端設計需求

系統內所有時鐘終端通過加載以太網通信模塊，達到與服務器端通信連接，獲取上述豐富的時間信息，包括年、月、日、時、分，星期、周次（自定義起止時間）等，通過LED 陣列或者數碼管顯示，每個時鐘終端還可以實時顯示所在場地的溫度、濕度等信息。系統內所有時鐘終端可以接收服務器端發送的音頻文件（MP3 格式）并存儲在本地機器上，可以根據設置好的鬧鈴時間（不同時段播放不同的音頻文件）播放相應的音頻文件。

1.3 后臺管理系統設計需求

后臺管理系統可以定義設備物理地址編號，可以批量集中管理終端設備，查看每個時鐘當前狀態（正常、故障、未連接）；可以向終端設備發送音頻文件，傳遞豐富的當前時間參數、鬧鐘參數，還可以調節終端設備的播放音量；根據實際需要，可以批量控制終端設備的開機、關機以及終端設備的定時開關機信息。

2 系統設計

2.1 服務器端設計

利用DSP 模塊采集GPS 信號，結合天線、地波校時模塊、時鐘芯片等設計并獲得精準時間源，系統在每天特定時間通過接收時間源信息，分析并通過軟件進行時間補償計算，從而完成精準校時。后臺服務器端通過系統WEB 客戶端連接網絡內終端主板系統，完成對所有連接設備的管理和控制，系統采用加密方式傳輸數據信息，保證系統的安全。

2.2 系統框架設計

圖1：系統架構圖

圖2：系統硬件架構圖

圖3：時鐘終端產品樣機

系統架構采用基于物聯網的通信模式，將終端產品通過有線或者無線模式連接到后臺控制系統，由控制系統對所有終端進行管理和控制。系統架構如圖1所示。

2.3 時鐘終端硬件架構設計

終端硬件模塊主要包括有線網絡模塊、Wi-Fi 網絡模塊、溫濕度傳感器、時鐘模塊、MCU、外部存儲設備、MP3 音樂播放模塊、喇叭/音響、顯示裝置、降壓電路等組成。終端顯示部分由于只需要顯示時間，通過對比發現數碼管具有最佳的性價比，滿足需求。下位機采集溫濕度傳感器的數據，實時將環境溫度和濕度通過通信網絡發送到后臺，統一查看。如圖2所示為系統硬件架構體系。

圖4：后臺管理系統主界面

2.4 后臺管理系統設計

后臺管理系統與終端設備數據通信協議通常采用WebSocket 協議，該協議是為HTML5 應用方便與服務器雙向通訊而設計的協議，HTTP 握手然后轉TCP 協議，用于取代之前的Server Push、Comet、長輪詢等老舊實現，但在實際基于物聯網場景設計時，還需要適應不同網絡的QoS、層級主題、遺言等，因此選MQTT 協議更合適，該協議是基于TCP 的Pub/Sub 協議，有許多為物聯網優化的特性，因此更適合本項目終端與后臺控制系統的連接通信。后臺管理系統采用B/S 模式，選擇主流的開發體系架構：Windows+ Apache + PHP +MySQL，系統與終端設備數據通信協議選擇MQTT。

3 功能實現

3.1 時鐘終端功能實現

系統時鐘終端主板的網絡通信模塊是基于TCP/IP 協議標準，Wi-Fi 模塊采用ESP8266-12F 設計，有線模塊核心采用W5500，RJ45 接口連接，MCU 使用了STM 公司的STM32F407ZGT6 單片機，該單片機基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex 內核，外圍接口豐富，實現對該裝置的總控。系統對終端設備初始化時會設置設備名、服務UUID、發射功率、網絡名稱、配對密碼等信息。設備加電啟動后，單片機收到網絡模塊接收到的數據，進行軟件解密，從而保障了系統的安全。用戶通過后臺管理系統設置鬧鈴以及鈴聲（選定的音頻文件），當時間到達設定時間時，MCU 就會通過SDIO 讀取、DMA 搬運外部存儲設備中所選鈴聲的音頻數據，傳遞給音頻編解碼芯片，再輸出到喇叭/音響，從而達到鬧鈴以及播放音頻文件的目的。時鐘終端最終產品樣機如圖3所示。

3.2 后臺管理系統功能實現

后臺管控系統主要包括控制臺、終端設備初始化、終端設備管理控制、場景位置信息管理、學期管理、鬧鈴時效管理、附件管理、權限管理、日志管理等模塊。臺管理系統主界面如圖4所示。

（1）控制臺模塊主要用于直觀顯示當前網絡內所有終端的狀態，包括終端個數、正常終端數、斷聯終端數、故障終端數等信息。

（2）終端設備初始化模塊主要對終端信息進行增加及查看等操作，默認顯示系統中所有終端的相關信息，包括終端名稱/編號、位置信息、注冊時間、網絡參數及當前狀態等。

（3）終端設備管理控制模塊主要包括開關機設置、清除指令設置、時間設置、定時開關機設置、鬧鈴設置、發送音頻文件、場景位置設置、學期管理等子功能，實現批量設置終端信息，包括時間、鬧鈴、音頻文件、音量大小及定時開關機等。其中發送音頻文件是向指定設備發送音頻，并存儲到指定設備上；鬧鈴設置模塊可以選擇指定的終端進行設置，包括鬧鈴時間、播放音頻、鬧鈴重復日期等。

（4）場景位置信息管理主要是為系統配置所在場景中各樓宇信息以及各個樓宇內部的房間信息，包括樓宇編號、樓宇名稱、房間編號、房間名稱等信息。

（5）學期管理管理模塊主要是設置當前學期的開始和結束時間，這樣終端就可以根據起止時間進行計算當前的周次信息。

（6）鬧鈴時效管理模塊主要是用戶可以批量操作在特定的時間段將之前設置的鬧鈴進行生效與失效設置。

（7）附件管理模塊主要是用于上傳各類mp3 格式的音頻文件，并可以通過該模塊將音頻文件下發到指定終端設備上。

（8）權限管理模塊主要是為系統設置多個級別不同權限的管理人員，方便管理人員進行不同區域或不同功能模塊的管理。

（9）日志管理模塊主要是為了提高系統的安全性，完整記錄每一個登錄系統的用戶時間以及其中系統中的詳細操作記錄，方便查詢與追溯。

4 系統特色

（1）系統采用GPS 授時模塊，使得全域內所有時鐘終端走時精準統一，時間信息豐富，同時采集并顯示所在場所的溫濕度信息。

（2）系統在部署和管理方面都很靈活、方便，時鐘終端既可通過有線以太網連接，也可通過無線Wi-Fi 連接服務器端；管理方面可以根據根據物理場所（按樓宇、房間等）指定管理員，便于個性化集中式管理。

（3）系統可以針對區域內不同場所的時鐘設備設置不同的鬧鈴、播放不同音頻文件，從而實現個性化鬧鈴、打鈴以及語音播放功能。

5 結束語

本系統采用GPS+物聯網技術解決了各類教育場所經常出現的時鐘時間不準確、不統一、故障頻發、維護不及時、打鈴不同步等諸多問題，可完全替代傳統的石英鐘加單一打鈴系統。該系統的終端設備時尚大方，擁有豐富的時間顯示和環境溫濕度顯示，還可以個性化的設置打鈴環節，同時解決了教育場所的包含音樂、通知、考場指令等音頻播放問題。系統后臺采用安全的通信技術，對全域網絡內所有終端設備采取集中管理與控制，真正實現了安全、可靠、先進、智能的時鐘終端及管理系統。本系統是基于微電腦控制技術的智能電子電器設備開發的一次創新，也是一項基于GPS+物聯網技術的科技發明與創造（目前已獲得國家發明專利和實用新型專利），后期將在目前的研究成果基礎上，積極拓展產品的功能，提升產品的穩定性。