基于物聯(lián)網(wǎng)的導(dǎo)航門牌設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在21世紀(jì)來(lái)臨之際最重要的發(fā)展趨勢(shì)之一，它指各種物體通過(guò)傳感器和無(wú)處不在的信息網(wǎng)絡(luò)連接在一起，將以往只能被動(dòng)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€(gè)有識(shí)別權(quán)限的裝置上，以便對(duì)其進(jìn)行智能化的定位、跟蹤、分析、檢測(cè)、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(lái)，已得到了各國(guó)政府和國(guó)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(gè)能帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的增長(zhǎng)點(diǎn)，進(jìn)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(luò)中，再通過(guò)獨(dú)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(dá)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(guó)務(wù)院總理溫家寶2009年在中科院無(wú)錫高新微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心視察時(shí)，明確提出要將“感知中國(guó)”作為信息產(chǎn)業(yè)重要機(jī)遇來(lái)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(dāng)前世界新一輪經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)之一，發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)對(duì)于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步具有重要的現(xiàn)實(shí)意義”[3]。

門牌號(hào)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(shí)別的普通標(biāo)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(dǎo)航。本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)概念和技術(shù)，設(shè)計(jì)了以單片機(jī)和藍(lán)牙通訊為基礎(chǔ)的電子門牌，通過(guò)手機(jī)或其他具有藍(lán)牙通訊功能的終端設(shè)備，可以與電子門牌間實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，獲取到門牌所對(duì)應(yīng)地址更豐富的信息，并利用局部地圖實(shí)現(xiàn)門牌周邊的自動(dòng)導(dǎo)航。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體特性

導(dǎo)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(dǎo)航門牌需要具有以下特性：肉眼可識(shí)別；內(nèi)置多媒體信息；可通過(guò)移動(dòng)終端進(jìn)行訪問(wèn)；具有自我電源保障能力。

1.2 功能設(shè)計(jì)

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

(1)設(shè)置模式

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

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

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)導(dǎo)航門牌的總體特性要求和工作模式設(shè)計(jì)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(dǎo)航門牌的核心部分，管理整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，接收識(shí)別裝置的指令并與識(shí)別裝置交換數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)控制工作量和導(dǎo)航門牌的體積要求，本系統(tǒng)以低功耗單片機(jī)為核心控制設(shè)備，通過(guò)軟件編程完成系統(tǒng)各項(xiàng)功能。

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

(3)通訊系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)中常用的無(wú)線通訊技術(shù)包括RFID、ZigBee和藍(lán)牙（Bluetooth）。為提高對(duì)各種移動(dòng)終端的兼容性，簡(jiǎn)化使用方式，以移動(dòng)終端上普遍配備的藍(lán)牙通訊接口作為導(dǎo)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(dǎo)航門牌必須具備自我電源保障能力，因此采用以太陽(yáng)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(yīng)的平穩(wěn)和蓄電池的正常充放電過(guò)程。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件實(shí)現(xiàn)

2.1.1 控制和存儲(chǔ)系統(tǒng)

基于適應(yīng)導(dǎo)航門牌內(nèi)部空間大小和盡量減少功耗需求的設(shè)計(jì)思想，選擇高速低功耗單片機(jī)STC89LE516RD+作為系統(tǒng)的控制核心芯片，它兼容8051指令代碼，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)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(lán)牙通訊系統(tǒng)

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

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，導(dǎo)航門牌的藍(lán)牙通訊以文件傳輸為主，因此設(shè)計(jì)使用基于對(duì)象交換OBEX(Object Exchange)的OPP（Object Push Profile）協(xié)議，即對(duì)象推送協(xié)議。它加入了人為的選擇操作，允許導(dǎo)航門牌的識(shí)別裝置主動(dòng)選擇是否從導(dǎo)航門牌上下載門址的多媒體信息文件，同時(shí)識(shí)別裝置上無(wú)需單獨(dú)編程，具有很強(qiáng)的靈活性和兼容性。OPP中的對(duì)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(yīng)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(biāo)機(jī)根據(jù)Type決定對(duì)文件對(duì)象的操作，例如當(dāng)類型為“text/x-vcard”時(shí)，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(yīng)用專屬Header(Application Specific Header)，OPP在OBEX上的擴(kuò)展也就是在這個(gè)Type上的擴(kuò)展[4]。

2.1.3 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)

太陽(yáng)能供電系統(tǒng)由太陽(yáng)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(jìn)行選擇。由于導(dǎo)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(yáng)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(shí)需要考慮芯片的工作電壓、充電方式、能否有效避免過(guò)充和過(guò)放等。CONSONANCE公司的CN3068充電管理芯片可對(duì)單節(jié)可充電鋰電池進(jìn)行恒流/恒壓充電管理，其內(nèi)部包括功率晶體管，應(yīng)用時(shí)不需要外部的電流檢測(cè)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(yīng)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(shí)將芯片的溫度控制在安全范圍內(nèi)。當(dāng)輸入電壓掉電時(shí)，CN3068會(huì)自動(dòng)進(jìn)入低功耗的睡眠模式，此時(shí)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(guò)低鎖存、自動(dòng)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(yáng)能供電系統(tǒng)采用浮充機(jī)制：電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，通過(guò)充電管理芯片CN3068對(duì)電池進(jìn)行充電，同時(shí)給系統(tǒng)供電；當(dāng)太陽(yáng)能電壓不能滿足系統(tǒng)要求時(shí)，模塊由電池供電。為保證太陽(yáng)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(guò)流保護(hù)，輸出精度高，采用3引腳的SOT23封裝。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

導(dǎo)航門牌的軟件實(shí)現(xiàn)主要是單片機(jī)編程，其導(dǎo)航讀取過(guò)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(jī)與藍(lán)牙模塊之間的通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)。當(dāng)配對(duì)之后，藍(lán)牙模塊會(huì)發(fā)送給單片機(jī)一個(gè)0x36指令，包括配對(duì)設(shè)備的藍(lán)牙地址以及配對(duì)結(jié)果標(biāo)志位。若配對(duì)成功，單片機(jī)向藍(lán)牙模塊發(fā)送0x80指令，包括獲得的藍(lán)牙地址以及發(fā)送文件大小、文件名編碼格式和對(duì)應(yīng)格式的文件名編碼。當(dāng)藍(lán)牙模塊與藍(lán)牙終端建立連接之后，藍(lán)牙模塊會(huì)通過(guò)0x21指令告知單片機(jī)。數(shù)據(jù)包括藍(lán)牙設(shè)備地址和連接句柄，連接句柄的作用是對(duì)當(dāng)前連接進(jìn)行標(biāo)識(shí)。當(dāng)模塊準(zhǔn)備好給藍(lán)牙終端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)通過(guò)0x41指令告知。0x41指令中標(biāo)識(shí)了當(dāng)前數(shù)據(jù)包的大小限制。第一個(gè)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(jī)在接收到0x41指令后，通過(guò)0x70指令發(fā)送數(shù)據(jù)給模塊。0x70指令包括序號(hào)，標(biāo)識(shí)當(dāng)前是第幾個(gè)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(huì)返回0x61指令。0x61指令是一條狀態(tài)指令，標(biāo)識(shí)前一個(gè)操作是否成功。若收到則標(biāo)識(shí)上個(gè)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(jī)發(fā)送0x71指令告知藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊在接收到0x71指令后，會(huì)發(fā)送0x23指令給單片機(jī)表示模塊已經(jīng)與藍(lán)牙移動(dòng)終端斷開(kāi)了連接。

導(dǎo)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(dòng)式門牌轉(zhuǎn)化為具有存儲(chǔ)和讀取功能的局部信息點(diǎn)LIP（Local Information Point），具有體積小、安裝使用方便、免維護(hù)等特點(diǎn)，可以廣泛地應(yīng)用在城市街道的門址定位和建筑物的室內(nèi)導(dǎo)航中，大大提升了門址系統(tǒng)的信息化水平。