基于物联网技术的物件定位搜寻智能系统设计与开发

解乃军 陆欣云 刘婷 朱甜甜

摘 要：“基于物联网技术的物件定位搜寻智能系统设计与开发”，综合运用嵌入式系统、无线传输、无线网络等技术。本系统主要由上位机、手持终端及电子标签三大部分构成，其中无线通信模块采用ZIGBEE协议。本系统首先对物件进行数字编码，然后在上位机里建立对应的物件档案，最后通过操作PC或者手持终端实现物件定位，同时还可获取物件存放的环境温度參数等信息，实现了数据的无线传输及物件定位。在传输抗干扰性，低功耗等方面具有较大的优势。

关键词：上位机；手持终端；电子标签；ZIGBEE

1 引言

随着科技的发展，生活质量的提高，个人及单位的物品越来越多，往往当人们需要寻找一个物件或多个物件时就变得困难，且非常不方便。

2 物件定位搜寻过程描述

物件定位搜寻简单流程为：首先，设定好物件的相关信息（包括物件名称、入库时间等），将设定的信息下载到电子标签模块中，然后将电子标签固定在对应的物件上，则完成电子标签设定。其次，通过操作PC上位机或者手持终端上的按键，查找处于网络中的带有ID的标签，通过物件菜单来定位目标物件，以及物件的相关信息。按下“确认键”，该电子标签上天线接收到信息，蜂鸣器发出鸣叫，则确定物件的位置。对物件定位搜寻影响最大的是ZIGBEE接收和发射模块。

3 总体方案

本项目的设计方案包含两项设计内容。第一部分为软件部分的设计；第二部分为硬件结构的设计。其中，第一部分软件设计部分由上位机和控制系统程序组成。第二部分是整个硬件结构的设计，包括手持终端以及电子标签两大部分的电路设计。

3.1系统的软件设计

3.1.1 物件定位系统上位机的设计

上位机为控制系统的核心，负责整个控制网络的通信和控制整个系统的工作，可以设置传输的波特率、数据位、校验位以及停止位等参数。在PC机中输入要查找的物件名称或者通过手持终端物品菜单选择要查找的物品名称，点击“查找”键后，整个网络中的该物件的信息将反馈到界面，点击“定位”后，物件标签上的蜂鸣器发出鸣叫，则实现物件定位。上位机还可以实现数据清零、保存等功能，实现无手持终端物件无线定位。

3.1.2 控制系统程序设计

本系统ZigBee无线模块采用的是Z-Stack协议栈。该协议栈中的协议可以分为两部分，IEEE 802.15.4定义了PHY（物理层）和MAC（介质访问层）技术规范；ZigBee联盟定义了NWK（网络层）、APS（应用程序支持子层）、APL（应用层）技术规范。协议栈将各个层定义的协议集合在一起，以函数的形式给用户提供API（应用层），用户可以直接调用。

3.2 协议栈API（应用层）函数

3.2.1 ZDO（设备对象层）

设备对象层ZDO（ZigBee Device Object）层，提供了管理一个ZigBee节点所要使用的功能函数。ZDO API为协调器、路由器和终端设备提供了应用端点的管理函数，其中包括：建立、发现和加入一个ZigBee网络，绑定应用端点和安全管理。ZDP（ZigBee Device Profile）即ZigBee设备规范，描述了ZDO内部一般性的ZigBee设备功能是如何实现的。它定义了使用命令和响应对的设备描述和簇。ZDP为ZDO和应用程序提供如下的功能：设备网络的启动；设备和服务发现；终端设备绑定、绑定和取消绑定服务；网络管理服务。

3.2.2 AF（应用框架层）

应用框架层AF（Application Framework），提供了针对协议栈的应用端点和设备端点接口，其中主要包含：设备描述数据结构和数据收、发函数，端点管理。在ZigBee网络中每个设备都是一个节点，每个节点具有唯一的IEEE地址（64位）和一个网络地址（16位）。网络中的其他节点发送数据时必须指定目标节点的短地址，数据才能被接收。每个节点有241个端点，其中端点0由ZDO层使用，它是不可缺少的。端点1～240由应用程序分配使用，在ZigBee网络中应用程序必须登记注册一个或多个端点，这样才能发送和接收数据。

3.2.3 APS（应用支持子层）

应用支持子层APS（Application Support Sublayer）为设备对象和应用实体提供了以下的支持服务：绑定表管理、组表管理、快速地址查询。

3.2.4 NWK（网络层）

网络层NWK（ZigBee network），为上层提供了管理服务和数据服务。

3.2.5 ZMAC（介质访问层）

介质访问层ZMAC，在IEEE802.15.4与网络层之间提供接口。

4 系统软件的主程序

Z-Stack协议栈的主程序是一个小型的操作系统（本质也是大型的程序），它帮助我们只考虑底层和网络层的内容，将复杂部分屏蔽掉。让用户通过上述的API函数就可以轻易使用ZigBee。Z-Stack采用任务轮询的工作方式执行任务。

4.1 按键的功能

（1）作路由器功能时，复位键的功能是电路复位，S1悬空，S2查找网络中的设备，S3查找具体的某一设备；

（2）作为电子标签模块，复位键的功能是电路复位，S2按下则表示已经查找到相关物件；

（3）作为手持终端使用的模块，复位键的功能是电路复位，S1查找，短时间按S2菜单，长时间按S2则查找当前光标下对应的物件，S3取消定位。

4.2 液晶显示屏的功能

采用Nokia5110液晶显示屏来显示物件信息，包括各个物件的ID值以及物品的名称等，取下电子标签上的液晶屏，可以使得整个模块功耗更低，实现模块的高性能、低功耗。

5 结语

本设计在我们所有队员的努力下，在我的指导老师的悉心指导下终于顺利做出了实物模型。在该模型的基础上我们对设计方案进行了验证，制作出一套成品以及完成上位机软件的编写。本设计体现出了团队的重要性，同时体现了学生的创新能力，让我们团队的所有成员都得到了一次锻炼。

参考文献

[1] （美）李普曼等.C++ Primer中文版.北京，人民邮电出版社，2006.

[2] 王小强，欧阳骏，黄宁淋，等.ZigBee无线传感器网络设计与实现.北京，化学工业出版社，2015.