物聯(lián)網(wǎng)應用“智慧街道”的探索

俞萍

(廣東培正學院)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”其英文名Internet of Things.物聯(lián)網(wǎng)未來發(fā)展的前景十分廣闊，物聯(lián)網(wǎng)將會被廣泛應用于家居、醫(yī)療、交通、物流、電力、軍事等各個領域，掀起了第三次信息產(chǎn)業(yè)浪潮.目前的智慧城市把握著新一輪物聯(lián)網(wǎng)科技創(chuàng)新和信息產(chǎn)業(yè)浪潮的重大機遇，充分發(fā)揮了信息通信產(chǎn)業(yè)、RFID技術、電信業(yè)務及信息化基礎設施的作用.構建了城市發(fā)展的智慧環(huán)境，形成基于海量信息和智能過濾處理的新生活、構建了全新的城市形態(tài).

智慧城市是指借助物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)，應用到智能樓宇、智能家居、路網(wǎng)監(jiān)控、智能醫(yī)院、城市生命線管理、食品藥品管理、票證管理、家庭護理、個人健康與數(shù)字生活等諸多領域的應用.

“智慧街道”的建設是惠及全民的民生工程，是基于數(shù)字街道之上，把物聯(lián)網(wǎng)智能感知設備和基礎網(wǎng)絡作為基礎設施，利用和融合更為先進的云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術，促進人與人、人與物、物與物之間的互動，提高街道智能化程度的未來城市街道;使在街道生活、工作和路過的人都能夠享受到主動、智能、貼心的服務.本設計構建包括主要著重對“智慧街道”設計的研究和實現(xiàn)［1］.

1 設計原理與方案論證

1.1 設計原理

街道是人們生活中必不可少的部分，然而在現(xiàn)實生活中，現(xiàn)實的街道仍然存在一些不足的地方，比如垃圾桶垃圾分類混亂及太滿而不能及時清洗、街道路面溫度過高常發(fā)生車輛爆胎事件、街道自行車等車輛擺放擁擠、街燈閃爍不穩(wěn)定或者不能按時關開燈等問題.為了解決這些問題，該文設計從實用性、創(chuàng)新角度出發(fā)做了大膽的嘗試，有效地解決的其中某些的問題.設計中還加入了太陽能模塊，符合了可持續(xù)發(fā)展的要求，充分體現(xiàn)了高效環(huán)保節(jié)能優(yōu)勢.

該設計大致可分為幾大模塊，如圖1所示.主要模塊的設計將在接下來的幾個小節(jié)中加以詳細闡述.

1.2 電子萬年歷、街燈及測溫控制設計

該設計電路是由STC89C52單片機為控制核心，LCD12864作為顯示模塊.時鐘電路由DS1302提供，它是一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，可以對年、月、周、日、時、分、秒進行計時，還具有閏年補償功能，工作電壓在2.5～5.5 V.系統(tǒng)采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或者RAM數(shù)據(jù).DS1302內(nèi)部有一個31 *8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器，同時具有掉電自動保護功能.

圖1

溫度采集由DS18B20構成，由于AT24C02采用I2C總線結構，操作簡單而且具有長久的數(shù)據(jù)保存能力，關燈時間的設置采用AT24C02來進行儲存.

街燈的光敏模塊采用亮度傳感器(光敏電阻型)，采用光控和時控相結合.傍晚光線暗時控制器自動接通路燈電源，所有的街燈點亮;當深夜行人少時根據(jù)設置的時間熄滅標號為1，6，3，8的路燈，天亮后所有路燈自動關斷.這樣可以達到節(jié)約用電的目的.該電路還添加了四個按鍵，分別為S1，S2，S3，S4.S1為光標移動鍵，S2為變換頁面鍵，并注有注意設置等提示語，S3和S4分別為加一和減一鍵，同時液晶也會顯示加減提示，以防按鍵錯誤.

1.3 垃圾桶檢測與控制設計

這部分電路設計分別由紅外線信號檢測電路、執(zhí)行電路、語音提示電路3部分電路組成.利用感應開關感應垃圾筒周圍是否有人靠近.當人走近垃圾桶準備倒垃圾時，由紅外線檢測電路檢測到這一信息時，LED閃爍，發(fā)出提示，然后控制電機運作，將垃圾桶蓋打開，并語音提示，提醒人們將垃圾分類.為了防止有人經(jīng)過的時候誤操作，設置了延時功能.當人離開紅外的感應范圍，傳感器驅動電機運作，將垃圾桶蓋關閉，還會有溫馨的語音答謝.

此外，當垃圾桶滿時，垃圾桶蓋不再打開，等SIM模塊發(fā)信息通知環(huán)衛(wèi)工人來將按鍵打開，這樣可在一定程度上減少因長期無人清理而導致垃圾污染環(huán)境，為人們使用提供了許多方便.此設計適合安置垃圾桶的場所，尤其適合賓館、酒店、機場、校園等人流量較大的場所.程序設計流程圖如圖2所示.

圖2

1.4 智能停車場設計

隨著低碳綠色出行的不斷推廣，越來越多人選擇騎自行車作為的代步工具，既環(huán)保又能鍛煉身體.的停車場電路設計是由STC89C52單片機為控制核心，通過4*4矩陣鍵盤輸入密碼，用八段數(shù)碼管顯示密碼，由步進電機帶動模型的轉動，從而達到控制自行車的停放與獲取.從而大大提高了車庫的管理質量、效益和安全性.該停車場的設計是針對地下停車場的模型制作的，起到了節(jié)省路面空間的作用.同時該設計也可擴展成為其他大型車輛的停車場.停車場的構造還能根據(jù)需要進行進一步的改造，由一層改造為多層［2］.

2 設計方案

2.1 電子萬年歷、街燈控制、測溫設計方案

STC89C52單片機作為核心，該單片機屬于雙列直插式封裝的PDI40口管腳.具有4個輸入輸出端口，分別為P0，P1，P2，P3，其中P0口是一組8位漏極開路型雙向IO口.校驗時，要求接上拉電阻.而其他三個端口內(nèi)部有30 K的電阻，所以不用再外接電阻.此單片機具有6個中斷，其中包括三個定時器中斷，二個外部中斷，一個串口中斷，為全雙工通信口.內(nèi)部有靜態(tài)非易失EEPROM和看門狗.片內(nèi)有8Kb的可反復檫寫的只讀程序存儲器(PEROM)和256b的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，功能強大，適合許多較為復雜的控制應用場合［3］.

采用DS1302作為定時芯片.DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路.

采用DS18B20作為溫度傳感.它是數(shù)字式溫度傳感器，采用單總線通信協(xié)議.DS18B20具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高附加功能強，封裝形式多樣等特點.適合各種狹小空間內(nèi)設備的數(shù)字測溫和控制.同時單線可掛接多個元件，因為每個元件都有唯一的一個64位光刻ROM編碼，可以多個也可單個操作.電壓測量范圍是3.0～5.5 V.內(nèi)部含有EEPROM，其報警上、下限溫度值和設定的分辨率倍數(shù)在芯片掉電的情況不會丟失.并且內(nèi)部帶有AD轉換電路，技術較為成熟.

使用了AT24C02作為緩存器.它是一個2K位串行CMOS E2PROM，內(nèi)部含有256個8位字節(jié).AT24C02有一個16字節(jié)頁寫緩沖器.該器件通過IIC總線接口進行操作，有一個專門的寫保護功能.

另外用12864液晶進行顯示.它應用非常廣泛，操作簡單，功能強大，采用12864液晶顯示各種數(shù)字信息最為合適，通過對單片機的編程來控制DS1302芯片的讀寫操作來獲取相應的信息，再通過對液晶的編程控制將獲取到的信息通過一系列轉換從而顯示到12864液晶上.最后達到有電子萬年歷的功能.

總共設有四個按鍵，為節(jié)約資源考慮，每個按鍵都有多種功能.每個按鍵分別標號為S1，S2，S3，S4.S1為光標移動鍵，S2為變換頁面鍵，并注有注意設置等提示語，S3和S4分別為加一和減一鍵，同時液晶也會顯示加減提示，以防按鍵錯誤.操作簡單，按鍵靈活.如圖3所示，路燈、測溫和萬年歷程序流程圖.

2.2 垃圾桶控制設計方案

采用STC89C52單片機作為核心控制體，內(nèi)部有靜態(tài)非易失EEPROM和看門狗.片內(nèi)含8Kbbytes的可反復檫寫的只讀程序存儲器和256bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器，功能強大，適合許多較為復雜的控制應用場合.

需要使用紅外感應自動感應.該傳感器模塊對環(huán)境光線適應能力強，其具有一對紅外線發(fā)射與接收管.發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當檢測方向遇到障礙物(反射面)時，紅外線反射回來被接收管接收.經(jīng)過比較器電路處理之后，綠色指示燈會亮起，同時信號輸出接口輸出數(shù)字信號(一個低電平信號)，可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測距離.有效距離范圍為2～80 cm，工作電壓為3.3～5 V.該傳感器的探測距離可以通過電位器調(diào)節(jié)、具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點.

圖3

錄音功能采用ISD1820美國ISD公司一種單片8到20秒單段語音錄放電路芯片，采用CMOS技術，內(nèi)含振蕩器，話筒前置放大，自動增益控制，防混濾波器，揚聲器驅動及FLASH陣列.

垃圾桶的打開關閉需要步進電機驅動.步進電機安裝了有帶永久磁性的轉子，而定子至少具有兩個繞線.當轉子磁性與定子繞線保持一致時，將驅動第二個繞線.兩個繞線交替開啟和關閉，這將導致電機鎖定在想要的步進位置.通過繞線的電流方向還可反向.步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的.可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的;同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的.

驅動電機的電路采用ULN2003.它是一個高耐壓、大電流復合晶體管陣列，由七個硅NPN復合晶體管組成.ULN2003是大電流驅動陣列，多用于單片機、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中，可直接驅動繼電器等負載［4］.

2.3 智能停車場設計方案

智能停車場的核心控制體是STC89C52單片機.并采用了存儲芯片AT24C02，它是一個2K位串行CMOSE2PROM，內(nèi)部含有256個8位字節(jié).該器件通過IIC總線接口進行操作，具有一個專門的寫保護功能.這個設計的模型的停車位置需要依靠步進電機進行轉動.這時候需要用到ULN2003、繼電器來驅動［5］.利用按鍵4*4矩陣鍵盤來輸入存取車的密碼，并且還可以在八段數(shù)碼管顯示存取的情況.如圖4所示為停車場程序流程圖.

圖4

3 系統(tǒng)測試與實踐

在這期間遇到了許多的問題.在軟件上，主要的問題出現(xiàn)在程序的編程，一個是AT24CO2的存取以及DS1302內(nèi)部數(shù)據(jù)的存儲的問題.另一部分是關于DS1302與LCD12864的硬件特點以及在硬件的基礎之上驅動程序的調(diào)用.

在密碼鎖方面，最難解決的就是按鍵數(shù)字的存儲，一開始用for語句來循環(huán)存儲，但單片機執(zhí)行速度非常快，只按一次就進行了四次的循環(huán)，最后改用switch語句才能正常存儲按鍵數(shù)字.

原理圖的仿真是遇到的另一個難題，采用的proteus仿真軟件，LCD12864在計算機上根本無法實現(xiàn)仿真，因為proteus軟件中的LCD12864是不帶字庫的，無法通過顯示得出想要的效果.因此，只能通過焊接出電路，進行不斷地測試和調(diào)試.

在硬件上，主要是焊接元器件，這部分由于粗心將電解電容正負極焊反，經(jīng)過萬用表不斷的測試才判斷出來，及時糾正過來.

緊接著在硬件與軟件的結合調(diào)試上.在調(diào)試萬年歷模塊時，LCD12864上顯示的都是亂碼，一開始，以為是焊接出現(xiàn)了虛焊，經(jīng)過多次的檢查和萬用表的測量，原來是DS1302的上拉電阻的問題，然后焊接了10 K的電阻，電阻太大，導致DS1302不穩(wěn)定，后來換成了4.7 K的電阻，但是問題還是沒有解決，LCD只亮不顯示任何東西，通過查找LCD12864硬件資料才發(fā)現(xiàn)，還缺少了一個10 K滑動電阻，換成10 K的電阻是否能實現(xiàn)呢?通過試驗，10 K電阻并不可以代替可變電阻.

在電源供電部分，剛開始是用6 V蓄電池經(jīng)過電壓轉換電路提供5.0 V的電壓，然而接到硬件電路卻只有4.5 V，將它調(diào)節(jié)到5.5 V后，接入硬件系統(tǒng)就能達到5 V.在硬件設計方面，智能停車場的模型的難度最大，調(diào)節(jié)齒輪的高度，控制電機的速度和車位的上下和左右移動，以及升降臺的固定.因為就只有幾塊木板，買了兩套齒輪和齒條后就開始車庫模型的制作，左右移動不是很難實現(xiàn)，最難實現(xiàn)的上下的帶動，因為木板到后期不夠了，為了節(jié)省成本，用了塑料和紙皮來代替，也因為這些材料不夠硬，在上下移動的時候會產(chǎn)生偏移，當移動到最遠端就會脫軌.利用了雙面膠來增加齒輪和齒條的粘性來以防脫軌.

4 設計創(chuàng)新點與不足

本次的設計是針對現(xiàn)實生活中街道上已經(jīng)存在的問題進行改進，采用了太陽能電池作為能源，內(nèi)部設置有蓄電池，用于保證在陰雨天氣供電，以達到環(huán)保節(jié)約的目的.

該設計中，各大功能基本達標，硬件設施基本合乎要求，軟件設計可以配合硬件實現(xiàn)其功能.時鐘、溫度和提示語的顯示，調(diào)時間和關燈設置功能以及降溫灑水功能.時鐘與溫度的顯示功能，精確度完全可以滿足日常生活顯示時間的需要;按鍵調(diào)時間方便快捷.

設計中使用了光控和時控相結合的方法，避免了光控法易受干擾，時控需頻繁設置時間的麻煩，為了節(jié)約用電，在深夜行人較少時路燈根據(jù)設置的熄燈時間熄滅.垃圾桶智能化，語音提醒和信息通知功能.智能停車場方面，做到了最大限度地節(jié)省街道空間，提供人民方便快捷的停、取車服務.此外，街道上還提供太陽能便攜充電，以供行人使用.隨著技術在不斷進步，智能化的事物不斷更新，更能提高人們的生活質量，更受人們歡迎.

該設計需要改進的地方有幾個方面:首先由于蓄電池自身的容量限制，不能保證在陰雨天長時間對外供電.希望這個問題在以后的新型能源出現(xiàn)之后可以得到解決.另外這個設計只能作為研究和分析，如果要實際中應用還需要進一步改進，能在生活當中進一步使用和推廣.

［1］ 王輝，吳越.智慧城市［M］.北京:清華大學大學出版社.

［2］ 邢小杰.單片機電子時鐘設計［J］.中國科技博覽，2009.

［3］ 劉劍，劉奇穗.51單片機開發(fā)與應用基礎教程［M］.北京:中國電力出版社，2012.

［4］ 李元慶.電機多功能測試裝置的研制與和應用［J］.煤炭技術，2009(10).

［5］ 劉寶玲.電子電路基礎［M］.北京:高等教育出版社，2006.