基于物联网的智能展示系统的研究与设计

基于物联网的智能展示系统的研究与设计第1页共15页基于物联网的智能展示系统的研究与设计作者姓名：陈国雄指导老师：蒋玉娥摘要：随着物联网技术的进步与发展，展厅的智能化需求日益增大。文章利用ZigBee技术及RFID技术设计了几种方案实现了展厅实时人数统计、展品人气统计、展厅展示环境监测和展品定位防盗等功能。文章涉及的展厅新功能丰富了展示形式、优化了展示环境，满足智能化需求。关键词：物联网、智能展厅、RFID、ZigBee1.物联网技术与传统智能展厅背景介绍1.1物联网技术简介1.1.1物联网架构物联网是新一代信息技术的重要组成部分，是在因特网的基础上，将用户端延伸和扩展到任何物体，进而进行信息交换和通信的一种专用网络，是通过射频识别（RFID）、传感器、全球定位系统等技术按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，采集其物理化学以及位置等各种需要的信息，进行信息共享，进而实现对物体的智能化识别、跟踪、定位、监控和管理的一种专属网络[1]。物联网融合了传感器、计算机、通信网络和半导体技术实现物与物之间的互联通信。从用户的行业的角度来讲，物联网的核心是“物物相连”，利用了先进的传感器技术、网络通信技术；从专业技术的角度来说物联网称为传感网。物联网包含传感网，与物联网一起完成各种物体间的相互通信如车速检测、环境参数检测、展品追踪等。物联网的结构体系如图1物联网中间器件读/写器传感器标签互联网、卫星、通信网本地服务器ONS远程信息服务器图1：物联网体系架构基于物联网的智能展示系统的研究与设计第2页共15页1.1.2物联网三层体系结构物联网体系被大多文献归结为三层，既感知层、网络层和应用层。感知层主要完成信息采集和转换，网络层则主要完成信息处理和信息传输，应用层主要完成数据数据处理以及管理，并将这些数据与行业应用相结合[2][6]。物联网广泛应用于环境监测、智能电网、智能交通和工业监测中。网联网应用层包含物联网业务中间件，可实现信息管理、业务分析管理、服务管理、用户管理、目录管理、终端管理、认证技术、会话交互以及计费管理等功能。其体系结构如图2所示。图2物联网应用层物联网网络层现有通信网络技术包括：有线宽带、WiFi/HiFi、3G/4G、PSTN等物联网网络层体系结构如图3所示。图3物联网网络层物联网感知层包括网关接入技术、自组织网络关键技术、数据采集技术等，其中数据采集应用层环境监测智能电网……智能交通工业监测物联网业务中间件信息管理业务分析管理服务管理用户管理目录管理终端管理认证技术会话交互计费管理网络层承载网支撑技术异构网聚合资源与存储管理云计算感知层数据的分析挖掘与理解技术基于感知数据的决策与行为技术平台增强技术专家管理系统现有通信网络有线宽带WiFi/HiFi3G/4GPSTN……基于物联网的智能展示系统的研究与设计第3页共15页技术（RFID技术）包括传感器技术、二维码技术及视频采集设备等。其结构框架如图4所示图4物联网感知层1.2物联网核心技术1.2.1RFID技术RFID技术是通过无线电通信的方式获技术监测有关物体的相关信息，并对物体加以识别，是一种特殊的无接触的自动识别技术。射频识别可以识别不同速度运动的物体，可以同时识别多个物体，可实现远程读取，并可以加以工作与各种复杂恶劣的环境。RFID无需人工的干预且能够高速、实时、精确地输入和处理物体的信息。是二十一世纪十大重要技术之一[3]。（1）RFID工作频率及无线传输在电子通信领域，信号采用的传输方式和信号的传输特性主要是由工作频率决定的。对于电磁频谱，按照工作频率从低到高的次序，可以划分为不同的频段。每个频段无线传输的特点各不相同，因此RFID采用了不同的工作频率，以满足多种应用的需要。RFID可以工作在低频、高频和微波频段上。低频和高频RFID的工作波长较长，基本上都采用电感耦合的识别方式，电子标签处于读写器天线的近区，（仅适用于近距离感应），电子标签与读写器之间通过电磁感应获得信号和能量；微波波段RFID的工作波长较短，电子标签基本都处于读写器天线的远区，（可实现远距离感应）电子标签与读写器之间通过电磁辐射获得信号和能量。（2）RFID天线技术在无线通信领域，天线是不可缺少的组成部分。RFID是利用无线电波来传递信息的，当信息通过空间传播时，无线电波的产生和接受要通过天线来完成。此外，在用无线电波传送能量方面，非信号的能量传送也需要通过天线来完成[7]。RFID天线可分为低频、高频及微波天线；在每一频段，天线又分为读写器天线和电子标签天线。除微波以外的频段，读写识别设备基本都采用线圈天线；微波射频天线形式多样，一般采用对称振子天线、阵列天线、微带天线等。按照天线的结构来分，天线可分为线状天线、面状天线、微带天线等。RFID的工作频段会感知层网关接入技术自组织网络关键技术物理层媒体接入层短距离无线通信分布式信息处理嵌入式技术节点级中间件数据采集技术（RFID技术）各类传感器二维码RFID视频采集设备基于物联网的智能展示系统的研究与设计第4页共15页随着环境的变化而变化，在不同频段天线的工作原理不同，使得天线的设计方法也各不相同。在射频识别中，天线分为电子标签天线和读写器天线，这两种天线可分为全向天线、定向天线、线状天线、面状天线、环形天线、偶极天线、阵列天线、八木天线、微带天线和螺旋天线等。在低频和高频频段，RFID主要采用环形天线，用以完成能量和数据的电感耦合；（3）RFID读写器、电子标签读写器是读取或写入电子标签信息的设备。各种读写器虽然在工作频率、耦合方式、通信流程和数据传输方式等方面有很大的不同，但在组成和功能方面十分相似。读写器的主要功能是将数据加密后发送给电子标签，并将电子标签返回的数据加密，然后传送给计算机网络，是具有读取、显示和数据处理等功能的设备。电子标签是携带物品信息的数据载体。标签以工作原理加以区分可以分为两类，其一是借用物理效应进行工作的载体，其二是使用电子电路为基础的载体。无芯片的标签系统是标签使用物理效应进行工作时定义的，这种类型的标签主要有一位标签和声表面波器件两种工作方式。当电子标签以电子电路为理论基础进行工作过时，属于有芯片的电子标签系统，这种类型的电子标签主要由射频前端电路和控制电路组成，主要分为具有存储功能的电子标签和含有微处理器的电子标签两种结构。1.2.2传感器技术（1）传感器的定义与分类传感器（Transducer/Sensor）定义为能够感受规定的被测量（stimulus）并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器的共性就是利用物理定律或物质的物理、化学或生物特征，将非电量（如位移、速度、加速度、力度、湿度、温度等）输入转换成电量（电压、电流、频率、电荷、电容、电阻等）输出。根据传感器的定义，传感器的基本组成分为敏感元件和转换元件两部分，分别完成检测和转换两个基本功能[4]。传感器的典型组成如图5所示敏感元件转换元件辅助电源信号调理与转换电路弱信号图5传感器典型组成实质上传感器可按照输入量、输出量、工作原理、基本效应、能量变换关系以及所蕴含的技术特征分类。按照被测参数（输入量）进行分类有位移传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器等。按照工作原理分类有点阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、电压式传感器、磁敏式传感器、电热式传感器、光电式传感器。按照基本效应分类有物理传感器、化学传感器、生物传感器。（2）传感器基本特征传感器的输入以及输出关系特性是传感器的基本特征，不同的内部结构参数区分了传感器的类型和特性。静态或准静态和周期变化或瞬态是传感器所测物理量的两种基本方式。传感器的稳被测量输出基于物联网的智能展示系统的研究与设计第5页共15页态特征是它在稳态信号作用下的输入以及输出关系。传感器的动态特性是指传感器对输入及输出特性，也即其输出对输入量的响应特征。1.2.3ZigBee技术ZigBee技术是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议[9]。用局域网协议规定的技术是一种无线短距离低功耗的通信技术。自动控制以及远程控制领域应用很广泛，可以嵌入不同设备。ZigBee网络分为星状、网状、和树状[5]，如图6所示图6ZigBee网络结构ZigBee技术中使用较多的是CC2530芯片，其内部集成了一个增强型51单片机具有单片机全部功能，所不同的是CC2530芯片还具有无线收发功能，不同模块间能够通过路由组成网络将信息进行汇总和发送。CC2530芯片电路图如图所示。图7CC2530芯片电路图1.3现有智能展厅基于物联网的智能展示系统的研究与设计第6页共15页（1）语音视频等单工智能展示系统目前大部分展馆采用录制讲解语音、视频并在相应展品附近循环播放事先录制好的视频、音频，这种展示模式直观明了但缺乏互动，循环播放浪费了大量的电能且易引起观众的反感。预录制语音视频需要录制设备播放设备成本较高。（2）具有室内定位功能的智能展厅目前实现室内定位的技术有RFID技术、Wi-Fi技术、蓝牙技术和Zigbee技术等，相比而言Zigbee更适合于展厅定位。通过设点终端节点路由节点和协调节点将各Zigbee模块的信息进行无线连接和互换形成无线传感网。除大型展馆及针对老人小孩外室内定位的需求并不是很强烈，因此本文对展厅室内定位不做过多介绍。（3）利用终端手持智能设备控制的智能展厅智能手机、平板电脑、手持机逐渐成为主流操作平台，具有使用方便操作灵活等特点。但适用人群不全面，且依赖于终端设备，不够直观和便捷。2.智能展厅整体方案2.1方案简介智能展厅方案包括：展厅人数统计、展品人气统计、展品定位防盗、展厅环境监测四个部分。环境监测的结果输送到终端处理器当环境监测量数值超过设定的适合展览的最佳稳定值时发出警报，人数统计系统此时统计的展厅人数则存储为最新的参展人数阀值，以便门禁适时出发出人数超额预警信息。每个展品配备的独立身份标签记录展品位置，当位置出现异常变更或者展品通过门禁时蜂鸣器发出警报。四个部分相互配合可保持展厅优良的展示环境，实现展馆内各展厅人实时数统计、各展品人气统计、展品定位防盗等功能。2.2展厅基本功能架构智能展厅功能包括门禁人数统计、展品人气统计、展品定位防盗、展厅环境监测已经展厅内定位与导航等，因室内定位与导航设计的技术较复杂故文章主要介绍前四种功能。其中门禁人数统计可实现实时人数统计和人数超额预警功能；展品定位防盗包括展品位置查询以及位置异常报警实现防盗功能；展品人数统计包括展品智能定价和智能人气显示功能；环境监测模块则可实现环境实时监测和预警。其框架结构如图8所示：基于物联网的智能展示系统的研究与设计第7页共15页智能展厅功能门禁人数统计展品定位防盗展品人气统计展厅环境监测实时人数统计人员超额预警位置异常预警展品位置查询智能人气显示拍品智能定价环境实时监测环境恶化预警图8展厅基本功能框架图3.系统各模块分析设计3.1展厅人数统计展厅人数统计模块旨在实现展厅实时人数显示，为游客在大型展馆避峰观展提供数据依据，同时配合环境监测系统为各展馆制定最高参观人数提供可靠参考。3.1.1方案设计方案一：利用红外对管传感器及CC2530无线模块实现对进出人数的统计。两对红外对管分别编号为1号和2号，1号对射于外墙体边沿，2号对射于内墙体边沿如图9所示，当观展者从1号管向2号管依次经过时记录人数加1，反之从2号管向1号管依次经过时记录人数1记录的数据通过CC2530芯片分别经由终端节点路由节点后汇总到协调节点，协调节点将汇总的信息发送到上位机，用户可通过协议栈对接收的数据进行处理和利用。基于物联网的智能展示系统的研究与设计第8页共15页。图9红外对管安装图红外对管是通过实时红外线的发送与接收，利用被检测物对光束的遮挡或反射来检测遮挡物体的有无。一切可以反射或遮挡光线的物体都可以被检测。红外对管将电源输入电流在发射器上转换为红外线光信号射出，接收器根据是否接收到光线对目标物体进行检测。光是电磁波的一种形式，其特征与无线电波和X射线一样，由于传输速度极高光可以实现在发射的一瞬间被接收器