《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與制作
來源:微型機(jī)與應(yīng)用2013年第9期
劉 嵐,王云漢
(廣東省技師學(xué)院 電氣工程系,廣東 惠州 516100)
摘要: 探索了目前方興未艾的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),以一個(gè)智能化車間為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)了“物”的互聯(lián)網(wǎng)接入、信息的流通、遠(yuǎn)程控制、信息的安全管理等。使用一個(gè)工控PC作為網(wǎng)關(guān),接入因特網(wǎng),使用在全世界范圍內(nèi)接入因特網(wǎng)的個(gè)人電腦、手機(jī)等手持式終端設(shè)備作為遠(yuǎn)程控制端,啟動(dòng)瀏覽器,輸入一個(gè)固定的網(wǎng)址,經(jīng)過安全認(rèn)證,登錄成功后就可以在網(wǎng)頁(yè)上很直觀、方便、安全地操作車間內(nèi)的被控設(shè)備,并實(shí)時(shí)接收、查看各傳感器所采集到的信息。
Abstract:
Key words :

摘  要: 探索了目前方興未艾的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),以一個(gè)智能化車間為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)了“物”的互聯(lián)網(wǎng)接入、信息的流通、遠(yuǎn)程控制、信息的安全管理等。使用一個(gè)工控PC作為網(wǎng)關(guān),接入因特網(wǎng),使用在全世界范圍內(nèi)接入因特網(wǎng)的個(gè)人電腦、手機(jī)等手持式終端設(shè)備作為遠(yuǎn)程控制端,啟動(dòng)瀏覽器,輸入一個(gè)固定的網(wǎng)址,經(jīng)過安全認(rèn)證,登錄成功后就可以在網(wǎng)頁(yè)上很直觀、方便、安全地操作車間內(nèi)的被控設(shè)備,并實(shí)時(shí)接收、查看各傳感器所采集到的信息。
關(guān)鍵詞: 物聯(lián)網(wǎng);網(wǎng)關(guān);Web;傳感器

 物聯(lián)網(wǎng)IOT(Internet of Things)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分。顧名思義,物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。這有兩層意思:第一,物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng),是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò);第二,其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間,進(jìn)行信息交換和通信。因此,物聯(lián)網(wǎng)的定義是通過射頻識(shí)別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備,按約定的協(xié)議,把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接,進(jìn)行信息交換和通信,以實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。
目前,構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的技術(shù)方案[1-3]比較典型的有兩種基本體系結(jié)構(gòu),一種是基于分布式計(jì)算的,各物品獨(dú)立接入互聯(lián)網(wǎng)。這要求每個(gè)物品都具有完善的網(wǎng)絡(luò)接入與數(shù)據(jù)交換功能,在成本、安全性、使用的方便性等很多方面存在不足,特別是在目前實(shí)際使用的IPv4協(xié)議中的IP地址資源面臨枯竭的情況下,只能少量用于某些特別的場(chǎng)合。另一種是基于網(wǎng)關(guān)的體系結(jié)構(gòu)。在一個(gè)合適的地域范圍內(nèi),使用一個(gè)專用的網(wǎng)關(guān)設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng),而物品則只直接連接到網(wǎng)關(guān),各種信息都通過網(wǎng)關(guān)中轉(zhuǎn)。這種方式無疑有很多優(yōu)越性,大量的設(shè)備只需要一個(gè)公共點(diǎn)接入互聯(lián)網(wǎng),節(jié)約IP地址,甚至可以通過NAT    等方式接入互聯(lián)網(wǎng),無需獨(dú)立的IP地址,通過公共的訪問接口訪問、控制各個(gè)設(shè)備,容易進(jìn)行完善的安全管理。所以本文探索的是這種基于網(wǎng)關(guān)的體系結(jié)構(gòu)。
1 體系結(jié)構(gòu)
 本物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。網(wǎng)關(guān)是其關(guān)鍵性設(shè)備,一方面,網(wǎng)關(guān)與互聯(lián)網(wǎng)相連,實(shí)現(xiàn)與終端設(shè)備的互聯(lián)互訪;另一方面,網(wǎng)關(guān)與被控設(shè)備(聯(lián)入物聯(lián)網(wǎng)的物品)相連,物品發(fā)出與接收的信息都通過網(wǎng)關(guān)中轉(zhuǎn)。遠(yuǎn)程端設(shè)備是能接入互聯(lián)網(wǎng)的手機(jī)、PAD、PC等。
2 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作
2.1 網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

 網(wǎng)關(guān)的硬件有多種,其核心CPU常用的有兩種大的類別:基于ARM和基于Intel X86兼容芯片。目前ARM系列的CPU不支持Windows系列的操作系統(tǒng),所使用的指令系統(tǒng)也不同,開發(fā)難度相對(duì)較大,功能的拓展等也都不便。本技術(shù)方案采用基于Intel X86兼容CPU的工控PC作為網(wǎng)關(guān),外型小巧、功耗低,無風(fēng)扇設(shè)計(jì),可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行,支持Windows操作系統(tǒng),技術(shù)成熟,軟硬件支持性好,有大量現(xiàn)有的軟硬件資源可以利用,所以整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)比ARM平臺(tái)更為簡(jiǎn)單方便。
2.2 控制電路的設(shè)計(jì)與制作
 如果每個(gè)“物品”都與網(wǎng)關(guān)直接相連、通信,在被控“物品”較多時(shí),網(wǎng)關(guān)PC的通信接口勢(shì)必不夠,因此整個(gè)控制電路使用了多個(gè)單片機(jī)系統(tǒng),使用其中的一個(gè)單片機(jī)作為中央節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)通信,通信方式選用最簡(jiǎn)單實(shí)用的RS-232串口通信。中央節(jié)點(diǎn)還實(shí)現(xiàn)溫濕度的檢測(cè)、入侵報(bào)警信息檢測(cè)功能。單片機(jī)都使用AT89S52,它是一種低功耗、高性能CMOS 8 bit微控制器,具有8 KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造,與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程,亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上,擁有靈巧的8 bit CPU和在系統(tǒng)可編程Flash,使得AT89S52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。
 (1)門的開關(guān)控制
 單片機(jī)通過驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn),通過齒輪結(jié)構(gòu)減速,絲桿螺母機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)門的開關(guān)控制。安裝兩個(gè)行程開關(guān),當(dāng)門運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí),行程開關(guān)動(dòng)作,單片機(jī)控制電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
?。?)換氣風(fēng)扇和水閥門的控制
 單片機(jī)工作電壓是5 V,如承受過高的電壓,將受到不可恢復(fù)的嚴(yán)重?fù)p害。風(fēng)扇的工作電壓是交流220 V,必需實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電隔離。選用直流驅(qū)動(dòng)形式的小型電磁式繼電器,絕緣介質(zhì)耐壓能達(dá)到1 000 V以上,保證人員和設(shè)備的安全。
?。?)外景燈的控制
 本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為了達(dá)到美觀的效果,設(shè)計(jì)了一套外觀裝飾燈,每一個(gè)燈都使用一個(gè)紅綠雙色LED,能發(fā)出紅、綠、黃3種顏色,使用單片機(jī)控制,有多種非常美觀的組合、動(dòng)態(tài)效果。
 (4)入侵檢測(cè)
使用熱釋電紅外線傳感器,檢測(cè)非法入侵的人員,由單片機(jī)對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行處理,通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送到終端設(shè)備。
2.3 終端設(shè)備
 終端設(shè)備可以是能接入互聯(lián)網(wǎng)的手機(jī)、PAD或PC等,終端硬件平臺(tái)類型非常繁多,但目前這些設(shè)備一般都安裝有Web瀏覽器軟件,運(yùn)行瀏覽器,輸入一個(gè)固定的網(wǎng)址,登錄后就能實(shí)現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的通信、控制。
3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1 總體結(jié)構(gòu)

 軟件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中,網(wǎng)關(guān)是一個(gè)Web服務(wù)器,Web服務(wù)器連接實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù),制作一實(shí)時(shí)監(jiān)控軟件用于監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的變化,并將這種變化發(fā)送給單片機(jī)中央節(jié)點(diǎn),由中央節(jié)點(diǎn)單片機(jī)作出判斷處理,直接作出反應(yīng),或控制外圍單片機(jī)系統(tǒng)操作其他的電子裝置。

3.2 Web服務(wù)器
 遠(yuǎn)程端的軟硬件條件千差萬別,一般都互不兼容。如果采用傳統(tǒng)的CS(客戶機(jī)-服務(wù)器)模式,需要為每種軟硬件平臺(tái)開發(fā)客戶端程序,非常不便。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用BS(瀏覽器-服務(wù)器)模式,使用遠(yuǎn)程端自帶的瀏覽器,免除了開發(fā)客戶端程序的負(fù)擔(dān),而且平臺(tái)兼容性非常好。
網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng),同時(shí),在網(wǎng)關(guān)上安裝Web服務(wù)器軟件,網(wǎng)關(guān)就可以對(duì)外提供Web服務(wù),接收遠(yuǎn)程客戶端的訪問。
 網(wǎng)關(guān)接入互聯(lián)網(wǎng)可以選擇多種方式。如果有固定IP,外部只需直接訪問該IP地址。如果是動(dòng)態(tài)IP,如ADSL,每次撥號(hào)都可能獲得不同的IP,則需與動(dòng)態(tài)域名解析配合使用,才能從固定的域名訪問到網(wǎng)關(guān)。如果是使用NAT等方式接入互聯(lián)網(wǎng),需要從外部發(fā)起訪問,能訪問到位于內(nèi)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān),則必須使用端口映射、DMZ主機(jī)等技術(shù)。
 Web服務(wù)器軟件選用APACHE,添加PHP的支持模塊。APACHE是一款廣泛使用、穩(wěn)定、安全、高效的開源服務(wù)器軟件。PHP是一種HTML內(nèi)嵌式的語(yǔ)言,是一種在服務(wù)器端執(zhí)行的嵌入HTML文檔的腳本語(yǔ)言,語(yǔ)言的風(fēng)格類似于C語(yǔ)言,安全、高效,被廣泛地運(yùn)用。使用PHP進(jìn)行安全認(rèn)證處理,操作數(shù)據(jù)庫(kù),為遠(yuǎn)程端提供信息,接收遠(yuǎn)程端發(fā)出的操控信息,將遠(yuǎn)程端的操作寫入數(shù)據(jù)庫(kù)等。
3.3 監(jiān)控、服務(wù)、通信程序
 該程序運(yùn)行在網(wǎng)關(guān)上,使用Borland C++ Builder 6.0開發(fā),隨網(wǎng)關(guān)開機(jī)自動(dòng)運(yùn)行。一方面,該程序負(fù)責(zé)監(jiān)控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的變化,如有變化,則將這種變化發(fā)送到單片機(jī)中央節(jié)點(diǎn),再轉(zhuǎn)發(fā)到其他的單片機(jī)具體執(zhí)行,實(shí)現(xiàn)各種控制功能。另一方面,該程序負(fù)責(zé)接收單片機(jī)中央節(jié)點(diǎn)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)的信息,如燈的開關(guān)狀態(tài)、溫度、濕度、紅外報(bào)警信息等,寫入數(shù)據(jù)庫(kù),遠(yuǎn)程端通過訪問PHP程序,就能得知這種變化或狀態(tài)。
3.4 單片機(jī)程序的開發(fā)
 開發(fā)工具使用Keil C51,它是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng),與匯編相比,C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案,通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境(uVision)將這些部分組合在一起。
 開發(fā)過程中,還使用Proteus軟件進(jìn)行硬件電路的仿真[4],Proteus軟件是英國(guó)Labcenter Electronics公司出版的EDA工具軟件。它能仿真單片機(jī)及外圍器件,是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)。在編程時(shí),使用Proteus軟件進(jìn)行仿真運(yùn)行,可以直接驗(yàn)證運(yùn)行效果,根據(jù)電路原理圖[5]、PCB設(shè)計(jì)圖制作電路,大幅度提高了開發(fā)效率。中央節(jié)點(diǎn)單片機(jī)系統(tǒng)電路仿真圖如圖3所示。

 經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間地運(yùn)行和測(cè)試,本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)基本完善,適合于研究探索物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù),適合于學(xué)生了解和體驗(yàn)物聯(lián)網(wǎng)的概念,學(xué)習(xí)軟硬件的開發(fā)設(shè)計(jì)與制作等。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有實(shí)用、穩(wěn)定、安全的特點(diǎn),有良好的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
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[3] 杜江.PHP5完全攻略[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.
[4] 周潤(rùn)景.基于PROTEUS的電路及單片機(jī)設(shè)計(jì)與仿真(第2版)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2010.
[5] 高衛(wèi)東.51單片機(jī)原理與實(shí)踐(C語(yǔ)言版)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2011.

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