基于物聯(lián)網(wǎng)的導航門牌設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)是計算機網(wǎng)絡技術(shù)在21世紀來臨之際最重要的發(fā)展趨勢之一，它指各種物體通過傳感器和無處不在的信息網(wǎng)絡連接在一起，將以往只能被動處理的“物”變成可以產(chǎn)生和傳播信息的主體，將自身的空間位置和狀態(tài)利用通訊系統(tǒng)傳輸?shù)礁鱾€有識別權(quán)限的裝置上，以便對其進行智能化的定位、跟蹤、分析、檢測、控制和管理[1]。

物聯(lián)網(wǎng)的概念自1999年在傳感器網(wǎng)的基礎(chǔ)上首次提出以來，已得到了各國政府和國際組織的普遍重視。產(chǎn)業(yè)界也將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為下一個能帶來巨大經(jīng)濟和社會效益的增長點，進行了積極的資金和研發(fā)力量的投入。例如IBM公司在2008年提出了“智慧地球”（Smart Planet）的概念，將傳感器嵌入到電網(wǎng)、交通網(wǎng)、水網(wǎng)、油氣網(wǎng)等各種基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡中，再通過獨有的數(shù)據(jù)通訊和信息處理系統(tǒng)將其連接成完整的信息搜集和反饋控制系統(tǒng)，達到將基礎(chǔ)設(shè)施管理和城市管理完全信息化和智能化的目的[2]。國務院總理溫家寶2009年在中科院無錫高新微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心視察時，明確提出要將“感知中國”作為信息產(chǎn)業(yè)重要機遇來抓。工信部于2011年11月發(fā)布的《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中指出：“物聯(lián)網(wǎng)已成為當前世界新一輪經(jīng)濟和科技發(fā)展的戰(zhàn)略制高點之一，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)對于促進經(jīng)濟發(fā)展和社會進步具有重要的現(xiàn)實意義”[3]。

門牌號碼是城市管理的基礎(chǔ)設(shè)施之一，也是在街道和建筑物內(nèi)尋址定位的基本依據(jù)。但是傳統(tǒng)的門牌僅僅是一種用于人眼識別的普通標志物，既不能提供豐富的多媒體信息，也不能為使用者提供門牌所處位置和其他門址的空間位置信息，因此難以用作路線導航。本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)概念和技術(shù)，設(shè)計了以單片機和藍牙通訊為基礎(chǔ)的電子門牌，通過手機或其他具有藍牙通訊功能的終端設(shè)備，可以與電子門牌間實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，獲取到門牌所對應地址更豐富的信息，并利用局部地圖實現(xiàn)門牌周邊的自動導航。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體特性

導航門牌是一種特殊的電子門牌，它既具有普通門牌的地址展示功能，又具有更加豐富的多媒體信息和便利的交互功能，從總體上，導航門牌需要具有以下特性：肉眼可識別；內(nèi)置多媒體信息；可通過移動終端進行訪問；具有自我電源保障能力。

1.2 功能設(shè)計

電子化的門牌系統(tǒng)如需實現(xiàn)導航功能，必須在門牌內(nèi)部存儲相應的門址信息和其他數(shù)據(jù)，并具有將自身數(shù)據(jù)通過無線通訊方式傳送給識別裝置的能力。門牌所對應的門址信息應該包含基本的地圖數(shù)據(jù)和多維坐標，以定位門址的空間位置。同時，門牌內(nèi)還必須存儲相鄰門址的基本信息和位置信息，以提供方位導航。系統(tǒng)的工作模式可分為設(shè)置模式和導航模式。

(1)設(shè)置模式

設(shè)置模式中，識別裝置檢測到附近處于待機狀態(tài)的導航門牌，首先進行通訊握手，建立通訊連接；然后識別裝置向?qū)Ш介T牌發(fā)送設(shè)置口令，表示需要對導航門牌的內(nèi)置數(shù)據(jù)進行設(shè)置，導航門牌收到設(shè)置口令后，對比內(nèi)置的口令進行驗證，如果不一致，則返回到待機狀態(tài)；如果設(shè)置口令正確，則導航門牌向識別裝置發(fā)送自身門址代碼，識別裝置收到門址代碼后進行驗證，如果確定要對該門址進行數(shù)據(jù)設(shè)置，則從數(shù)據(jù)庫中提取出與該門址有關(guān)的數(shù)據(jù)信息，發(fā)送給導航門牌；門址信息發(fā)送完畢斷開通訊連接。設(shè)置模式功能流程圖如圖1所示。

(2)導航模式
導航模式中，識別裝置檢測到附近處于待機狀態(tài)的導航門牌，首先進行通訊握手，建立通訊連接；然后導航門牌向識別裝置發(fā)送自身門址信息，識別裝置接收到門址信息后進行顯示，通過文字和地圖等多媒體信息進行局部導航。功能流程圖如圖2所示。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)導航門牌的總體特性要求和工作模式設(shè)計系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)由4部分組成，如圖3所示。

(1)控制系統(tǒng)。導航門牌的核心部分，管理整個系統(tǒng)的運行，接收識別裝置的指令并與識別裝置交換數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)控制工作量和導航門牌的體積要求，本系統(tǒng)以低功耗單片機為核心控制設(shè)備，通過軟件編程完成系統(tǒng)各項功能。

(2)存儲系統(tǒng)。導航門牌的主要特點之一是可以存儲相應門址大量的多媒體信息，而且門址信息不僅可以通過移動終端讀取，而且可以用具有權(quán)限的移動終端寫入。因此存儲系統(tǒng)應該是電可擦且非易失的。Flash存儲芯片是一種理想的選擇，它容量大、功耗低、體積小，可反復擦寫，數(shù)據(jù)可掉電長期保存。

(3)通訊系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)中常用的無線通訊技術(shù)包括RFID、ZigBee和藍牙（Bluetooth）。為提高對各種移動終端的兼容性，簡化使用方式，以移動終端上普遍配備的藍牙通訊接口作為導航門牌的基本通訊模式是一種理想的選擇。

(4)電源系統(tǒng)。導航門牌必須具備自我電源保障能力，因此采用以太陽能電池板和蓄電池構(gòu)成的電源系統(tǒng)。電源系統(tǒng)還包括電源管理模塊和穩(wěn)壓系統(tǒng)，以確保電力供應的平穩(wěn)和蓄電池的正常充放電過程。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 硬件實現(xiàn)

2.1.1 控制和存儲系統(tǒng)

基于適應導航門牌內(nèi)部空間大小和盡量減少功耗需求的設(shè)計思想，選擇高速低功耗單片機STC89LE516RD+作為系統(tǒng)的控制核心芯片，它兼容8051指令代碼，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可以任意選擇，具有片上1 028 B RAM和64 KB Flash ROM，以及UART串行通信接口。

2.1.2 藍牙通訊系統(tǒng)

藍牙通訊系統(tǒng)以BTM4704C2P為核心，通過串行通訊接口與單片機連接。該藍牙通訊模塊支持L2CAP、RFCOMM、OBEX、SDP等協(xié)議及SPP、OPP、FTP profile，具有自動搜索附近(150 m以內(nèi))移動藍牙終端，并主動將預設(shè)信息(文字、圖片、流媒體等)發(fā)送給藍牙終端的功能。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計，導航門牌的藍牙通訊以文件傳輸為主，因此設(shè)計使用基于對象交換OBEX(Object Exchange)的OPP（Object Push Profile）協(xié)議，即對象推送協(xié)議。它加入了人為的選擇操作，允許導航門牌的識別裝置主動選擇是否從導航門牌上下載門址的多媒體信息文件，同時識別裝置上無需單獨編程，具有很強的靈活性和兼容性。OPP中的對象以文件形式封裝，文件類型后綴反映在該文件Object的Type Header上相應的MIME類型，Object數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)基本都可以抽象為Type+Data在PUT中分段傳輸，目標機根據(jù)Type決定對文件對象的操作，例如當類型為“text/x-vcard”時，便能判斷出文件中的數(shù)據(jù)均為VCARD形式的電話本條目。這些Type都應用專屬Header(Application Specific Header)，OPP在OBEX上的擴展也就是在這個Type上的擴展[4]。

2.1.3 太陽能供電系統(tǒng)

太陽能供電系統(tǒng)由太陽能電池組件、充電控制器和蓄電池組成。

蓄電池的種類和容量根據(jù)系統(tǒng)使用環(huán)境和系統(tǒng)耗電量進行選擇。由于導航門牌安裝環(huán)境是戶外，一年中環(huán)境溫度變化較大，因此選擇受溫度影響較小的鋰電池作為蓄電池。考慮日照情況和后備裕量，選擇容量為2 600 mAh的可充電鋰電池作為太陽能供電系統(tǒng)的蓄電池。

充電控制器的核心是充電管理芯片，選擇時需要考慮芯片的工作電壓、充電方式、能否有效避免過充和過放等。CONSONANCE公司的CN3068充電管理芯片可對單節(jié)可充電鋰電池進行恒流/恒壓充電管理，其內(nèi)部包括功率晶體管，應用時不需要外部的電流檢測電阻和阻流二極管， 符合USB總線技術(shù)規(guī)范，非常適合于便攜式應用領(lǐng)域。CN3068的熱調(diào)制電路可以在器件的功耗比較大或者環(huán)境溫度比較高時將芯片的溫度控制在安全范圍內(nèi)。當輸入電壓掉電時，CN3068會自動進入低功耗的睡眠模式，此時電池的電流消耗小于3 ?滋A。該充電管理芯片的其他功能還包括輸入電壓過低鎖存、自動再充電、電池溫度監(jiān)控以及充電狀態(tài)/充電結(jié)束狀態(tài)指示等。CN3068采用8管腳小外形封裝（SOP8），輸入電壓范圍為4.35 V～6 V[5]。

太陽能供電系統(tǒng)采用浮充機制：電池板將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，通過充電管理芯片CN3068對電池進行充電，同時給系統(tǒng)供電；當太陽能電壓不能滿足系統(tǒng)要求時，模塊由電池供電。為保證太陽能電池板和蓄電池為系統(tǒng)提供的電壓穩(wěn)定，兩路電源分別采用以AS1360三端穩(wěn)壓芯片為核心的穩(wěn)壓電路。AS1360輸出電壓為3.3 V，輸入電壓范圍為2.5 V～20 V，最小靜態(tài)電流為1.5 μA，最大輸出電流為250 mA，具有集成的短路和過流保護，輸出精度高，采用3引腳的SOT23封裝。

2.2 軟件實現(xiàn)

導航門牌的軟件實現(xiàn)主要是單片機編程，其導航讀取過程的程序流程圖如圖4所示。

地址信息發(fā)送主要依靠單片機與藍牙模塊之間的通訊協(xié)議實現(xiàn)。當配對之后，藍牙模塊會發(fā)送給單片機一個0x36指令，包括配對設(shè)備的藍牙地址以及配對結(jié)果標志位。若配對成功，單片機向藍牙模塊發(fā)送0x80指令，包括獲得的藍牙地址以及發(fā)送文件大小、文件名編碼格式和對應格式的文件名編碼。當藍牙模塊與藍牙終端建立連接之后，藍牙模塊會通過0x21指令告知單片機。數(shù)據(jù)包括藍牙設(shè)備地址和連接句柄，連接句柄的作用是對當前連接進行標識。當模塊準備好給藍牙終端發(fā)送數(shù)據(jù)時，會通過0x41指令告知。0x41指令中標識了當前數(shù)據(jù)包的大小限制。第一個數(shù)據(jù)包的大小限制為330 B，之后的數(shù)據(jù)包大小限制為3 630 B。主機在接收到0x41指令后，通過0x70指令發(fā)送數(shù)據(jù)給模塊。0x70指令包括序號，標識當前是第幾個數(shù)據(jù)包和地址信息。數(shù)據(jù)包發(fā)送成功之后，模塊會返回0x61指令。0x61指令是一條狀態(tài)指令，標識前一個操作是否成功。若收到則標識上個操作已成功完成。所有數(shù)據(jù)包都發(fā)送完畢之后，單片機發(fā)送0x71指令告知藍牙模塊，藍牙模塊在接收到0x71指令后，會發(fā)送0x23指令給單片機表示模塊已經(jīng)與藍牙移動終端斷開了連接。

導航門牌融入了物聯(lián)網(wǎng)的基本概念和技術(shù)，將傳統(tǒng)的靜態(tài)被動式門牌轉(zhuǎn)化為具有存儲和讀取功能的局部信息點LIP（Local Information Point），具有體積小、安裝使用方便、免維護等特點，可以廣泛地應用在城市街道的門址定位和建筑物的室內(nèi)導航中，大大提升了門址系統(tǒng)的信息化水平。