基于GPS+物联网技术的智能时钟系统设计与开发

汪刚 张振峰 王萍

（南京工业职业技术大学 江苏省南京市 210000）

通常情况下，包括大、中、小学在内的各类教育场所、部队营区、大型医院、工厂、企事业单位等，都需要一个统一而精确的时钟系统，作为工作同步与协调的参考依据，但目前常见的时钟存在时间不准确、不统一、时钟供电不稳定、时钟闹铃设置不灵活、时钟设置不便捷、功能单一等诸多缺陷。本项目提出一种基于GPS+物联网的智能时钟系统，能通过GPS 技术获得精准而统一的时间，通过服务器上的后台管理系统对区域内所有时钟终端进行统一授时和管理控制，时钟终端获得丰富的时间信息，同时还具备个性化的语音播放（闹铃）等功能，很好的解决了现实中众多应用场景中因时钟问题而带来的痛点，将有效促进工作的协调与同步、促进职场环境的改善、促进设备个性化服务及管理性能的提升。

1 系统设计需求

1.1 服务器端需求

利用DSP 采集GPS 信号获得时间源，并通过软件补差完成校验获得中国标准的北京时间信息，作为网络内所有时钟终端的时间信息源。

1.2 时钟终端设计需求

系统内所有时钟终端通过加载以太网通信模块，达到与服务器端通信连接，获取上述丰富的时间信息，包括年、月、日、时、分，星期、周次（自定义起止时间）等，通过LED 阵列或者数码管显示，每个时钟终端还可以实时显示所在场地的温度、湿度等信息。系统内所有时钟终端可以接收服务器端发送的音频文件（MP3 格式）并存储在本地机器上，可以根据设置好的闹铃时间（不同时段播放不同的音频文件）播放相应的音频文件。

1.3 后台管理系统设计需求

后台管理系统可以定义设备物理地址编号，可以批量集中管理终端设备，查看每个时钟当前状态（正常、故障、未连接）；可以向终端设备发送音频文件，传递丰富的当前时间参数、闹钟参数，还可以调节终端设备的播放音量；根据实际需要，可以批量控制终端设备的开机、关机以及终端设备的定时开关机信息。

2 系统设计

2.1 服务器端设计

利用DSP 模块采集GPS 信号，结合天线、地波校时模块、时钟芯片等设计并获得精准时间源，系统在每天特定时间通过接收时间源信息，分析并通过软件进行时间补偿计算，从而完成精准校时。后台服务器端通过系统WEB 客户端连接网络内终端主板系统，完成对所有连接设备的管理和控制，系统采用加密方式传输数据信息，保证系统的安全。

2.2 系统框架设计

图1：系统架构图

图2：系统硬件架构图

图3：时钟终端产品样机

系统架构采用基于物联网的通信模式，将终端产品通过有线或者无线模式连接到后台控制系统，由控制系统对所有终端进行管理和控制。系统架构如图1所示。

2.3 时钟终端硬件架构设计

终端硬件模块主要包括有线网络模块、Wi-Fi 网络模块、温湿度传感器、时钟模块、MCU、外部存储设备、MP3 音乐播放模块、喇叭/音响、显示装置、降压电路等组成。终端显示部分由于只需要显示时间，通过对比发现数码管具有最佳的性价比，满足需求。下位机采集温湿度传感器的数据，实时将环境温度和湿度通过通信网络发送到后台，统一查看。如图2所示为系统硬件架构体系。

图4：后台管理系统主界面

2.4 后台管理系统设计

后台管理系统与终端设备数据通信协议通常采用WebSocket 协议，该协议是为HTML5 应用方便与服务器双向通讯而设计的协议，HTTP 握手然后转TCP 协议，用于取代之前的Server Push、Comet、长轮询等老旧实现，但在实际基于物联网场景设计时，还需要适应不同网络的QoS、层级主题、遗言等，因此选MQTT 协议更合适，该协议是基于TCP 的Pub/Sub 协议，有许多为物联网优化的特性，因此更适合本项目终端与后台控制系统的连接通信。后台管理系统采用B/S 模式，选择主流的开发体系架构：Windows+ Apache + PHP +MySQL，系统与终端设备数据通信协议选择MQTT。

3 功能实现

3.1 时钟终端功能实现

系统时钟终端主板的网络通信模块是基于TCP/IP 协议标准，Wi-Fi 模块采用ESP8266-12F 设计，有线模块核心采用W5500，RJ45 接口连接，MCU 使用了STM 公司的STM32F407ZGT6 单片机，该单片机基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex 内核，外围接口丰富，实现对该装置的总控。系统对终端设备初始化时会设置设备名、服务UUID、发射功率、网络名称、配对密码等信息。设备加电启动后，单片机收到网络模块接收到的数据，进行软件解密，从而保障了系统的安全。用户通过后台管理系统设置闹铃以及铃声（选定的音频文件），当时间到达设定时间时，MCU 就会通过SDIO 读取、DMA 搬运外部存储设备中所选铃声的音频数据，传递给音频编解码芯片，再输出到喇叭/音响，从而达到闹铃以及播放音频文件的目的。时钟终端最终产品样机如图3所示。

3.2 后台管理系统功能实现

后台管控系统主要包括控制台、终端设备初始化、终端设备管理控制、场景位置信息管理、学期管理、闹铃时效管理、附件管理、权限管理、日志管理等模块。台管理系统主界面如图4所示。

（1）控制台模块主要用于直观显示当前网络内所有终端的状态，包括终端个数、正常终端数、断联终端数、故障终端数等信息。

（2）终端设备初始化模块主要对终端信息进行增加及查看等操作，默认显示系统中所有终端的相关信息，包括终端名称/编号、位置信息、注册时间、网络参数及当前状态等。

（3）终端设备管理控制模块主要包括开关机设置、清除指令设置、时间设置、定时开关机设置、闹铃设置、发送音频文件、场景位置设置、学期管理等子功能，实现批量设置终端信息，包括时间、闹铃、音频文件、音量大小及定时开关机等。其中发送音频文件是向指定设备发送音频，并存储到指定设备上；闹铃设置模块可以选择指定的终端进行设置，包括闹铃时间、播放音频、闹铃重复日期等。

（4）场景位置信息管理主要是为系统配置所在场景中各楼宇信息以及各个楼宇内部的房间信息，包括楼宇编号、楼宇名称、房间编号、房间名称等信息。

（5）学期管理管理模块主要是设置当前学期的开始和结束时间，这样终端就可以根据起止时间进行计算当前的周次信息。

（6）闹铃时效管理模块主要是用户可以批量操作在特定的时间段将之前设置的闹铃进行生效与失效设置。

（7）附件管理模块主要是用于上传各类mp3 格式的音频文件，并可以通过该模块将音频文件下发到指定终端设备上。

（8）权限管理模块主要是为系统设置多个级别不同权限的管理人员，方便管理人员进行不同区域或不同功能模块的管理。

（9）日志管理模块主要是为了提高系统的安全性，完整记录每一个登录系统的用户时间以及其中系统中的详细操作记录，方便查询与追溯。

4 系统特色

（1）系统采用GPS 授时模块，使得全域内所有时钟终端走时精准统一，时间信息丰富，同时采集并显示所在场所的温湿度信息。

（2）系统在部署和管理方面都很灵活、方便，时钟终端既可通过有线以太网连接，也可通过无线Wi-Fi 连接服务器端；管理方面可以根据根据物理场所（按楼宇、房间等）指定管理员，便于个性化集中式管理。

（3）系统可以针对区域内不同场所的时钟设备设置不同的闹铃、播放不同音频文件，从而实现个性化闹铃、打铃以及语音播放功能。

5 结束语

本系统采用GPS+物联网技术解决了各类教育场所经常出现的时钟时间不准确、不统一、故障频发、维护不及时、打铃不同步等诸多问题，可完全替代传统的石英钟加单一打铃系统。该系统的终端设备时尚大方，拥有丰富的时间显示和环境温湿度显示，还可以个性化的设置打铃环节，同时解决了教育场所的包含音乐、通知、考场指令等音频播放问题。系统后台采用安全的通信技术，对全域网络内所有终端设备采取集中管理与控制，真正实现了安全、可靠、先进、智能的时钟终端及管理系统。本系统是基于微电脑控制技术的智能电子电器设备开发的一次创新，也是一项基于GPS+物联网技术的科技发明与创造（目前已获得国家发明专利和实用新型专利），后期将在目前的研究成果基础上，积极拓展产品的功能，提升产品的稳定性。