物联网-智能校园浴室管理系统

基于物联网应用的智能校园浴室管理系统

摘要：通过使用物联网的相关技术，可实时了解浴室使用情况，方便高校学生对浴室的使用。

关键词：物联网；射频识别；红外感应；ZigBee

0 引言

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。其英文名称是“The Internet of things”。由此，顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

1 开发原因

目前高校里一般都提供有多个浴室，但对于每个浴室分别的使用情况，学生一般都不甚了解。特别到了冬天，去浴室洗澡的人数显著增加，这时候就会出现洗澡排队的尴尬现象。如果对于各个浴室的洗澡人数以及等待人数等情况有所掌握的话，学生也比较容易合理地安排洗澡时间，避开洗澡高峰，选择人数较少的浴室或是时间段。

2 校园浴室感知层设计

物联网的核心技术之一就是感知层。感知层一般都是由基于物理、化学、生物等技术的传感器以及网关所构成。传感器采集所需的各种数据，经过一定的处理后发送给网关。下图是物联网的相关结构图：

图2-1 物联网结构图

在我们设计的浴室管理系统感知层中，主要使用了红外传感器和射频识别（RFID）技术。

2.1 红外传感器

从仿生学观点，如果把计算机看成处理和识别信息的“大脑”，把通信系统看成传递信息的“神经系统”的话，那么传感器就是“感觉器官”。传感技术是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理（变换）和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器（又称换能器）、信息处理和识别的规划设计、开发、制／建造、测试、应用及评价改进等活动。获取信息靠各类传感器，它们有各种物理量、化学量或生物量的传感器。信息处理包括信号的预处理、后置处理、特征提取与选择等。识别的主要任务是对经过处理信息进行辨识与分类。它利用被识别（或诊断）对象与特征信息间的关联关系模型对输入的特征信息集进行辨识、比较、分类和判断。我们设计的管理系统里采用的红外传感器，正是对人体辐射产生的红外线进行识别和处理的。人体体温辐射的红外线中心波长大约为9~10μm，而传感器的滤光片可通过光的波长范围也大约为这个范围，正好适合于人体红外辐射的探测，形成了一种专门用作探测人体辐射的红外传感器。

2.2 射频识别（RFID）

射频识别（Radio Frequency Identification，简称RFID）是通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据的无线通讯技术。它可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。常用的有低频（125k~134.2K）、高频（13.56Mhz）、超高频，无源等技术。RFID系统往往是由一个阅读器和电子标签组成的。电子标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象，而阅读器为读取或写入标签信息的设备。因为RFID具有智能识别的功能，所以在门禁、运输、付费等方面有着很广泛的应用。在该管理系统中，RFID主要起到识别学生身份与统计进入浴室人数的作用。

不同频段的RFID产品会有不同的特性，适用于不同的应用。该系统使用的是校园一卡通实现ID识别和记录，因此比较适合使用低频段的工作频率，即为125kHz~135kHz。该频率主要是通过电感耦合的方式进行工作，也就是在读写器线圈和感应器线圈间存在着变压器耦合作用。其主要特性为：

1.低频感应器的一般工作频率从120KHz到134KHz,TI的工作频率为134.2KHz。

2.除了金属材料影响外，一般低频能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离。

3.工作在低频的读写器在全球没有任何特殊的许可限制。

4.低频产品有不同的封装形式.

5.虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。

6．相对于其他频段的RFID产品，该频段数据传输速率比较慢。

选用低频的原因主要有：

①由于RFID技术首先在低频段得到广泛应用和推广，因此技术比较成熟，在应用方面更加容易实现；

②.虽然该频段的数据传输速率比较慢，但识别系统并不需要很快的数据传输速率，因此这并不会成为低频段的劣势；

③.工作在低频的读写器使用时不用担心任何许可限制；

④.现在大部分使用RFID技术的校园卡以及交通卡等都使用低频段工作频率。

2.3 感知层在浴室的应用

据目前第三学生浴室的情况而言，浴室所使用的用于储存个人衣物及用品的柜子并没有什么特别的防范措施，并不安全，而且可能出现拿错东西的情况。储存用品的柜子如果使用射频识别技术（RFID）就不会再出现这样的问题。通过识别校园一卡通打开相应的柜子，既方便同学寻找空余柜子，又防止盗窃事件的发生。为了了解浴室龙头的使用情况，感应是否有人正在使用淋浴龙头，在每一个淋浴的小隔间内均安装红外线传感器。这样就完成了对浴室情况管理设备上的配置。

接下来介绍该管理系统感知层的具体运作过程。当持卡人进入浴室，使用校园卡在衣柜存包时，系统将会记录该持卡人的状态为“已存包”；而当持卡人使用校园卡开启浴室龙头后，将开启红外线传感器对人体辐射进行感知，并同时将持卡人的状态转换为“使用浴室中”，即使当使用校园卡关闭水龙头后，若红外线传感器仍感应到人体辐射则依然维持状态为“使用浴室中”，该状态一直持续至红外线传感器感应到人的离去；当人离开浴室龙头后，关闭红外线传感器并将该持卡人的状态改变为“准备取包”，该状态持续至持卡人将存放衣物及物品的柜子关上，此后该持卡人将被视为离开浴室。

当有持卡人的状态被记录时，这些状态被发往网关进行进一步的处理。我们使用ZigBee 协议来实现数据的传输。下图2-2即为感知层结构图：

图2-2 感知层结构图

3 校园浴室网络层设计

3.1 协议选择

短距离无线方式主要采用无线微波作为传输介质。无线组网可避免布线烦恼，有利于浴室的安全美观，且易于日常维护及故障检测。目前可行的无线组网所使用的技术有蓝牙、wi —Fi、HomeRF、ZigBee等。

ZigBee是一种新兴的低速、低功耗、低成本、低复杂度的短距离无线通信技术，工作在 2.4GHz／915MHz／868MHz 三个频段，相应的传输速率为250Kbps／40Kbps／20Kbps。ZigBee成本很低，一个无线节点的成本可降至2美元，将来还将更低。所以我们将选择ZigBee 作为网络层的通信协议。

表3-1 多种协议的比较

通过分析表3-1，我们可以看出ZigBee技术在绝大多数方面都占据了明显的优势。数据传输速率及覆盖范围方面虽然有所不足，但是在校园浴室无线网的组建中也已经绰绰有余。ZigBee技术75m左右的通信距离，通过合理地选择网关控制器的位置，可使覆盖范围达到直径150m以上，这已可满足大部分校园浴室的需要。而本课题专注于研究的是校园浴室低速数据传输与控制网络，ZigBee技术在2．4GHz频段250Kbps的带宽足以满足需求。综上所述，我们选择ZigBee技术作为本课题构建校园浴室无线网络的通信协议。

3.2 ZigBee简介

3.2.1 协议架构

ZigBee的协议架构如图3-1所示。

图3-1ZigBee协议架构

3.2.2技术特点及性能指标

·低成本：ZigBee技术是免费的，用户使用ZigBee规范开发产品无需交纳版权费。基于ZigBee的射频或SOC芯片的价格在2～5美元之间，大大低于蓝牙、Wi．Fi等。

·低复杂度：ZigBee协议简单，对控制器的处理能力、存储器容量等要求不高。精简的ZigBee协议栈在普通的51兼容MCU上也可正常运行。这也从一定程度上降低了构建ZigBee应用的成本。

·低功耗：ZigBee的传输速率不高，最小发射功率仅为O．5mW使得ZigBee的功耗极低。同时，ZigBee协议允许设备在空闲时休眠，在需要时唤醒，这也大大降低了电池的消耗。ZigBee技术6个月～2年的电池持续时间是其它技术望尘奠及的。

·网络容量大：ZigBee采用16位短地址唯一地标识一个设备，因此一个ZigBee网络最多可以容纳65535个网络设备。用ZigBee技术可以构建起具有相当复杂度的网状(mesh)网络，可满足大部分应用的需要。

·可靠：ZigBee采用直接序列扩频(DSSS)技术，有效地避免了同频干扰。同时利用物理层的碰撞避免(CSMA／CA)算法，将数据碰撞与冲突降到最低。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都可要求接收方的确认信息，如果传输过程中出现问题可以进行重发。

3.3 系统的总体设计

3.3.1 系统的总体框架

智能校园浴室网络系统的目的是建立一个统一的标准化平台，实现校园浴室内部各智能设备的互联和信息共享，并通过Internet接口实现远程监控。一个典型的智能校园浴室网络系统结构如图3-2。

图3-2 智能浴室网络系统结构图

从图3-2可以看出，在智能校园浴室网络系统中包含多种异构的网络形态，如：校园浴室内部网络、校园网、因特网等。校园网与管理控制中心是未来智能校园的必备条件，它将校园中的所有浴室接入到一个大型的局域网当中，以便进行集中管理和服务。因特网是实现远程控制的基础，它将智能校园浴室网络延伸至任何通过授权并有联网能力的客户机。

在这几种网络形态中，校园浴室网络属于内部网络，其余是外部网络。本课题校园浴室内部网络以及它与外部网络之间如何实现通信的问题。在智能校园浴室网络中，最为重要和关键的设备就是校园浴室网关。校园浴室网关是一个智能校园浴室的控制中心，是连接内部网络与外部网络的桥梁。客户端计算机或控制设备要获取校园浴室设备的实时信息或执行控制必须通过Internet或其他远程协议将请求或控制命令发送到校园浴室网关，由校园浴室网关处理并转发给终端设备。因此，家庭网关必须具有网络接口并实现必要的网络协议。

3.4 网络层的硬件设计

3.4.1 微处理器选型

校园浴室网关要实现网络功能，不可避免地要运行TCP／IP协议栈、Web服务器等复杂程序。同时，校园浴室网关作为一个软件平台，应该向应用程序提供必要的编程接口，做到这一点最直接的方法就是运行嵌入式操作系统。综上所述，校园浴室网关的微控制器从性能上看应具备较强的处理能力。普通的8位／16位微控制器已难以满足系统的要求，为此我们选择32位微处理器。校园浴室网关作为一个校园浴室的控制中心，运行时间为16:30——22:00。因此，功耗问题也是我们在选择处理器时不得不考虑的一个方面。校园浴室网关的微处理器必须具备低功耗的特点。校园浴室网关是一个智能校园浴室网络的必需设备，其性价比是人们购买时所考虑的首要因素。而微处理器在一个校园浴室网关总成本中占据着相当大的比重。为此，校园浴室网关的微处理器应该具备低成本的特点。在综合考虑了性能、功耗、成本各因素后，我们选择了LM3S9B92微控制器ARM? Cortex?-M3内核作为课题中校园浴室网关的MPU。

3.4.2 硬件平台的选择

为了节约系统的开发时间，使课题的研究在短时间内即见到成效，我们选用现成的S3C2410A开发系统作为校园浴室网关的硬件平台。考虑系统功能的要求及开发调试的需要并为将来课题的进一步开发留有余地，我们选择的校园浴室网关硬件平台具备了以下硬件特性和接口模块：

· 64M NAND FLASH．64M SDRAM

· 100Mbps以太网接口

· 1个USBHost接口(usB 1.1协议)

· 1个USB Device接口(USBl.1协议)

· 3个RS232接口

·一块CPLD接口芯片

·一个JTAG接口

·一块I2C接口的EEPROM

·可编程GPl0接口

具体的校园浴室网关硬件平台可在此基础上对硬件配置作一定的裁剪，如：减小存储器容量，去除不必要的接口等，以降低成本，减小体积。

3.4.3 校园浴室网关无线接口设计

校园浴室网关无线接口设计是指设计校园浴室网关主控制器$3C2410A与Zigbee无线收发芯片CC2420之间的通信接口，使它们可以进行无缝的互操作。由$3C2410A控制C02420执行无线任务，并相互交换数据。

3.5 系统的软件架构

3.5.1 软件的总体结构

校园浴室网关的软件设计是基于Linux技术的，包括ZigBee协议栈、Web服务器、管理软件等。系统的软件结构如图3-3所示。其中，Web管理软件和控制软件都是基于CGI技术编写的，它们都是服务器端的可执行程序，由客户端请求执行。校园浴室网关的ZigBee应用程序(CGI程序)通过系统调用访问ZigBee．协议驱动所提供的服务，而感知层上的单片机应用程序通过编译链接使用ZigBee协议栈API函数。

图3-3 系统软件的堆栈图

3.5.2 LINUX内核的裁剪

由于嵌入式设备的特殊要求，嵌入式Linux解决方案中的内核、环境、驱动等都与标准Linux有很大不同。内核裁剪的主要任务是如何在狭小的FLASH、或ROM中实现高质量的任务实时调度、内存管理、网络通信等功能。当然，嵌入式Linux内核一般由标准Linux内核裁剪而来。根据实际需求，剔除不需要的服务功能、文件系统和设备驱动。Linux源代码包中提供了可视化的内核裁剪工具。

3.5.3 Web服务器的设计与实现

Web服务器的设计是所有Web应用的基础，设计一款稳定、高效的嵌入式Web服务器是进行Web程序设计的首要任务。Web服务器使用的主要协议是HTTP协议，即超文本传输协议。它是建立在TCP／IP协议基础上的Web应用层协议。设计一个Web服务器的任务就是在遵循HTTP协议的基础上，实现一系列Web服务，如响应页面请求、文件下载、CGI 服务等。

HTTP协议是把TCP作为底层的传输协议。HTTP客户首先发起建立与服务器的TCP 连接。一旦建立连接，浏览器进程和服务器进程就可以通过各自的套接字来访问TCP。客户往自己的套接字发送HTTP请求消息，也从自己的套接字接收响应消息。类似地，服务器从自己的套接字接收HTTP请求消息，

3.5.4 Web服务器的实现

有了以上的准备工作，就可以真正地开始本课题的Web服务器设计了。由于嵌入式系统资源相对PC机较为有限，出于性能考虑我们采用单进程I／O复用的方式设计Web服务器。单进程指的是不像一般PC机上的Web服务器，我们设计的Web服务器并不派生子进程处理每一个客户端的请求连接，而仅为被请求的CGI程序派生子进程。同时在设计时我们秉承实用性为主的原则，不求功能强大，但求能够符合校园浴室网络系统的应用需要。这样做不仅能降低开发难度，同时可以精简代码量，使之更符合嵌入式应用的需要，为将来设计产品做准备。

图3-4 请求响应函数调用流程

3.5.5 客户端连接服务器端的socket基本函数

int sockfd;

sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM,0);

struct sockaddr_in serv_addr;

struct hostent *host;

serv_addr.sin_family = AF_INET;

host = gethostbyname(argv[1]);

memcpy(&serv_addr.sin_addr.s_addr, host->h_addr, host->h_length);

serv_addr.sin_port = htons(BASIC_SERVER_PORT);

connect(sockfd, (sockaddr *) &serv_addr, sizeof(serv_addr))

4. 校园浴室客户端设计

在完成了Web服务器以及网站的开发后，老师和学生就可以通过访问网站来查知目前浴室的使用情况。初步设计网站可以显示出进入浴室的各个状态所属的人数，并且实时显示校园里各个浴室的衣柜已使用数量和空余数量、龙头使用情况。通过进入浴室的人数以及使用浴室龙头人数的比较还可得出目前在浴室排队的人数。在经过一些天的统计后，还可大致统计出每周的高峰期以及每天的高峰期。学生可以一目了然的了解学校浴室的使用情况，从而合理安排自己的洗浴时间。

在服务器运行顺利的情况下，我们可以进一步开发在iOS、Android等手机操作系统上的应用，更加方便学生的查询。

5. 总结

物联网虽然是个很新奇的概念，但是就其本身理念来说并不难以理解。现在的生活中已经有越来越多的事物开始使用物联网的相关技术。物联网的出现也就是为了给人们的生活带来更好的服务体验与享受。基于为了服务校园学生的理念，我们产生了校园智能浴室的构想。

我们大致从物联网的三个方面（感知层、网络层、应用层）进行设计。由于所学知识以及时间的限制，我们只能在某些方面进行一些设计上的探讨和研究，距离真正开发还是有一定的距离。希望老师能对我们设计中的不足进行批评指正，并能对我们设计中没有考虑的方面进行补充。

6. 参考文献