打造你的智慧生活，城市生活圈信息系統(tǒng)設計，提供軟硬件解決方案
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一前言
進入到21世紀以來，互聯(lián)網(wǎng)應用經(jīng)歷了爆炸式發(fā)展，最新消息表明因眾多嵌入式終端設備接入因特網(wǎng)需求在持續(xù)攀升，IPV6已悄然興起。
同時近兩年物聯(lián)網(wǎng)概念火熱，美國將物聯(lián)網(wǎng)稱為IOT（Internet of things），意味著將物聯(lián)網(wǎng)看作是互聯(lián)網(wǎng)的擴展。而互聯(lián)網(wǎng)應用在近幾年進入了廣泛的網(wǎng)絡社區(qū)化應用階段，從BBS到微博的廣泛流行，人們越來越希望通過各種媒介和手段獲取信息，特別是與生活密切相關的信息。
智能識別技術(RFID)也在快速發(fā)展，并且滲透到了人們生產(chǎn)、生活、經(jīng)營各個層面。已經(jīng)在門禁系統(tǒng)、公交系統(tǒng)等公共系統(tǒng)上得到了廣泛的應用，由于具有較好的靈活性和信息存儲能力，將逐漸發(fā)展成為城市互聯(lián)網(wǎng)應用和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的關鍵因素?；ヂ?lián)應用和RFID智能識別應用使得人們獲得了空前的信息獲取渠道，能夠豐富人們的生活方式。
“城市讓生活更美好”是上海世博會的主題，城市具有良好的物質和精神生活條件。但是很多80、90后城市“蟻族”卻在抱怨城市中找不到歸屬感，而這個問題也已經(jīng)是城市中長久存在的一個問題。
我們設計的LifeSpace城市生活圈信息系統(tǒng)結合了互聯(lián)應用技術和RFID技術，將已經(jīng)得到廣泛普及的門禁系統(tǒng)低成本接入互聯(lián)網(wǎng)，為住戶提供用戶的城市生活圈內(nèi)與生活緊密相關的各種信息。不僅方便了用戶生活，還扮演者社區(qū)互動和交際平臺的身份，具有良好的社會影響、市場和應用前景。
二可行性分析和方案論證
1LifeSpace城市生活圈信息系統(tǒng)可行性分析
RFID門禁系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的普及。通過調查我們發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)人每天的生活范圍都在離住址2KM范圍內(nèi)。即使是學生和上班族，也會有大量的時間停留在2KM范圍生活圈內(nèi)。因此我們把城市生活圈定義為離住址方圓2KM的范圍。
圖1 城市生活圈定義
城市生活圈內(nèi)包含生活中大量重要的元素，如：商店、娛樂場所、餐飲場所、公園等。這些元素的信息與用戶生活緊密相關。用戶希望能夠方便快捷且免費獲取這些與他們生活密切相關的信息。
且城市中，小區(qū)鄰居或近鄰間幾乎沒有交流平臺和機會，雙方如陌生人一樣，而這也導致社區(qū)活動難以得到大家的響應。尤其在中國房地產(chǎn)市場火熱的情況下，大量新的小區(qū)不斷涌現(xiàn)，年輕人也通過網(wǎng)絡感慨過年由于社區(qū)舉辦活動太少，完全沒有過年的感覺。
經(jīng)過細致的調查，我們發(fā)現(xiàn)門禁系統(tǒng)在小區(qū)得到了廣泛的普及。小區(qū)住戶出入家門會經(jīng)過各自樓棟的RFID門禁系統(tǒng)，人流量穩(wěn)定。所以考慮利用現(xiàn)有的RFID門禁系統(tǒng)改造，并搭載城市生活圈信息系統(tǒng)。新應用背景下的城市生活圈門禁系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：
除了門禁功能，可以將用戶信息上傳服務器進行統(tǒng)一管理
用戶僅需憑借自己的身份卡即可免費查看生活圈信息，免去實名注冊一系列過程
具備良好的擴展性
2LifeSpace城市生活圈信息系統(tǒng)方案論證
經(jīng)過實驗測試證明，LifeSpace城市生活圈信息系統(tǒng)在技術上完全可行。整套系統(tǒng)被劃分為RFID門禁終端和服務器兩部分。
圖2 城市生活圈系統(tǒng)劃分
ALifeSpace城市生活圈信息系統(tǒng)功能需求論證
根據(jù)系統(tǒng)的可行性分析，我們提出該信息系統(tǒng)應具備以下功能：
具備現(xiàn)有RFID門禁功能
具備現(xiàn)有RFID門禁住戶訪問功能
通過無線網(wǎng)絡向服務器發(fā)送用戶信息
獲取生活圈或城市的天氣和空氣信息
通過服務器獲取生活圈內(nèi)各種與生活緊密相關的信息
服務器能向小區(qū)住戶發(fā)送短信告知相關信息
小區(qū)住戶通過手機或PC登錄服務器可設置是否接收家庭成員進出小區(qū)提醒
BLifeSpace城市生活圈信息系統(tǒng)技術論證
RFID門禁端硬件方面：
1. 使用PIC32 Ethernet Stater Kit (PIC32MX795F512L)為主控制器
2. 使用Multimedia expansion board（QVGA, screen touch, WIFI）為外設擴展
3. 使用RMU900 UHF RFID reader（RFID tag antenna 頻段900M）實現(xiàn)射頻標簽讀取
RFID門禁端軟件方面：
1. 使用Microchip Graphic Library V2.11開發(fā)GUI頁面
2. 使用Microchip TCPIP stack V5.25實現(xiàn)TCPIP數(shù)據(jù)包交互
3. 使用實時操作系統(tǒng)FreeRTOS為任務管理系統(tǒng)
4. 使用Microchip MPLAB IDE編寫RFID門禁端代碼
服務器端：
1. 采用visual studio 2010使用C#編寫服務器后臺
2. 采用php，apache WEB發(fā)布建立的服務器頁面
3. 采用MySQL數(shù)據(jù)庫建立服務器數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)
三LifeSpace城市生活圈信息系統(tǒng)工作原理
該系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。RFID門禁終端、服務器及手機都接入互聯(lián)網(wǎng)。用戶通過手機或電腦上網(wǎng)登錄服務器即可方便設置是否獲得家庭成員的進出提醒。RFID門禁終端從小區(qū)用戶RFID身份卡中讀取用戶身份識別信息和權限信息，發(fā)送至服務器端。服務器接收到該信息后，查看數(shù)據(jù)庫中是否有該用戶需要發(fā)送家庭成員進出信息至手機的記錄。如果有則引用飛信API將信息發(fā)送至用戶手機。
圖3 系統(tǒng)原理框圖
與此同時，服務器端將最新的城市生活圈信息發(fā)送至RFID門禁終端，實現(xiàn)城市生活圈信息的更新。系統(tǒng)信息更新后，用戶即可一鍵查看天氣和空氣信息、及感興趣的生活圈信息。
四LifeSpace城市生活圈信息系統(tǒng)技術實現(xiàn)
1RFID門禁終端硬件電路
圖 5 RFID門禁終端硬件框圖
系統(tǒng)硬件主要分為以下幾個模塊：
1.RFID射頻讀寫模塊。該模塊采用RMU900模塊，動態(tài)二進制防碰撞處理，采用900MHZ UHF頻段，讀寫功率大，識別距離約為1米，攜卡即可識別和讀??；
2.PIC32 ethernet starter kit。該模塊搭載microchip公司PIC32MX795F512L，具有100M以太網(wǎng)處理能力，可基于成本考慮僅使用雙絞線接入互聯(lián)網(wǎng)；
3.QVGA和touch screen觸摸板。使用了MEB擴展板上搭載的分辨率為320x240 QVGA屏幕，由SST25VF016驅動；
4.WiFi模塊。該模塊將RFID門禁終端接入互聯(lián)網(wǎng)，由CPLD控制MCU對EEPROM及WIFI模塊的SPI接口訪問。
2RFID門禁終端軟件架構
圖6 RFID門禁終端軟件架構圖
1.使用商用免費的FreeRTOS實時操作系統(tǒng)。在系統(tǒng)中創(chuàng)建QVGA，Touch Screen，WIFI，RFID，及系統(tǒng)運行指示LED五個任務；
2.使用Microchip公司Microchip Graphic Library V2.11開發(fā)GUI界面。利用了該庫的Graphic Object Layer及Graphic Primitive Layer。Microchip公司提供了可視化GUI設計工具，較為便捷；
3.使用Microchip公司Microchip TCPIP V5.25協(xié)議棧。使用DNS協(xié)議自動獲取路由分配的IP地址。RFID門禁終端作為TCP server端和client端，利用TCP socket收發(fā)信息；
4.編寫并封裝RFID UART收發(fā)程序，讀取用戶RFID身份卡中的信息。
3RFID門禁終端資源依存關系
圖7 RFID門禁終端資源依存關系圖
在FreeRTOS中創(chuàng)建了QVGA、RFID、WIFI、Touch Screen及系統(tǒng)運行指示LED五個任務。主要任務的資源依存關系如圖7 所示。
4LifeSpace城市生活圈信息系統(tǒng)服務器端軟件架構
服務器端主要分為三部分：TCPIP后臺，數(shù)據(jù)庫及飛信。TCPIP后臺負責與終端數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)庫建立和管理用戶信息，飛信部分實現(xiàn)對用戶信息通知。
圖8 服務器端軟件架構
ATCPIP后臺
在visual studio2010使用C#編寫服務器后臺，需要.NET Framework3.5或更高版本運行。服務器從RIFD門禁終端獲取TCP socket傳送的數(shù)據(jù)包。引用飛信API，根據(jù)數(shù)據(jù)庫記錄實現(xiàn)短信收發(fā)服務。
TCPIP后臺是服務器端的核心。其實時監(jiān)聽終端，接收并解析終端發(fā)送的信息。根據(jù)這些信息讀寫數(shù)據(jù)庫，再向終端傳輸其需要的信息。
使用System.Net.Sockets 命名空間，建立一個TcpListener監(jiān)聽對象，調用該類中的函數(shù)開始監(jiān)聽；當RFID門禁端發(fā)送請求后，立刻建立一個TCP連接，服務器與客戶端就在這個連接上進行通信。建立連接后創(chuàng)建一個NetworkStream對象獲取流中的信息，并放入緩存。
這個緩存的數(shù)據(jù)直接被一個協(xié)議解釋器提取，協(xié)議解釋器起的作用是解釋通信所用的協(xié)議，將接收的字符串翻譯為具體的語句，用于對數(shù)據(jù)庫進行操作等。由于系統(tǒng)的實時性要求，為保證時刻都能接受終端的請求，可采用多線程解決。RFID門禁端與服務器TCPIP后臺部分協(xié)議如下：
RFID門禁端發(fā)送：ID>ID號碼$I/O>inorout$($未結束符)
服務器端識別ID>后讀取ID號碼和進出信息，再獲取此時時間寫入數(shù)據(jù)庫。并從數(shù)據(jù)庫中讀取用戶名以此形式發(fā)出
服務器端發(fā)送： ID>ID$name>nameroom>room$
RFID門禁端如讀到第一個字符串為temperature>，則判定為天氣內(nèi)容。類似情景不再例舉。
圖9 服務器端TCPIP后臺界面
B數(shù)據(jù)庫部分
使用SQL根據(jù)用戶身份信息建立數(shù)據(jù)庫服務系統(tǒng)，使得用戶服務得以個性化。使用MySQLDriverCS 命名空間，此命名空間提供了對MYSQL進行操作的函數(shù)，在解釋器中被調用。
使用Apache實現(xiàn)web發(fā)布，使得用戶可以通過接入因特網(wǎng)的手機或計算機注冊賬戶并登錄訪問服務器和修改數(shù)據(jù)。
圖10 網(wǎng)頁登錄服務器頁面
C飛信部分
使用中國移動公司提供的飛信服務器，調用API完成登錄，發(fā)送信息等工作。
五LifeSpace城市生活圈信息系統(tǒng)運行流程和功能界面
系統(tǒng)的運行流程圖如圖11 所示，數(shù)據(jù)在RFID門禁端與服務器之間交互。
圖11 系統(tǒng)運行流程圖
生活圈用戶通過手機或計算機上網(wǎng)登錄服務器修改是否發(fā)送家庭成員進出小區(qū)信息至手機和其他服務信息；服務器監(jiān)聽80端口。
生活圈用戶到達門禁系統(tǒng)位置，用RFID身份卡刷過嵌入式門禁系統(tǒng)天線，RFID reader讀取身份識別信息并通過串口傳送至MCU；
MCU請求與服務器80端口建立TCP socket鏈接，并通過該socket發(fā)送讀取到的用戶識別信息。QVGA屏切換到信息顯示頁面，并顯示用戶身份信息；
服務器成功接收用戶身份信息，按照通信協(xié)議內(nèi)容提取數(shù)據(jù)包內(nèi)ID號等信息并根據(jù)該信息查看數(shù)據(jù)庫對應用戶的設置狀態(tài)。若用戶設置為發(fā)送短信，則令飛信模塊發(fā)送短信至用戶手機。內(nèi)容為：姓名>與時間>進 or 出> 門禁地點>廣告>；
嵌入式門禁終端作為TCP server與服務器端建立TCP socket，服務器端按照通信協(xié)議內(nèi)容向門禁終端發(fā)送天氣、生活圈信息;
嵌入式門禁終端將天氣信息及生活圈信息保存并在用戶切換到對應頁面時顯示。
各功能頁面如下各圖所示：
系統(tǒng)啟動頁面 系統(tǒng)主頁面
天氣與空氣信息頁面 訪客撥號頁面
生活圈功能頁面1 生活圈功能頁面2
獲取的生活圈信息頁面 RFID刷卡頁面
六LifeSpace城市生活圈信息系統(tǒng)創(chuàng)新性和實用性
LifeSpace城市生活圈信息系統(tǒng)具有良好創(chuàng)新性和實用性，從面向市場、面向社會和面向社會三個角度都具有良好的發(fā)展前景。
首先面向社會。LifeSpace貼近大眾生活，提供良好的社區(qū)交流和互動平臺，有利于社區(qū)建設和豐富社區(qū)生活。能夠較為有效地改善小區(qū)住戶之前形同陌路的社會問題。
其次面向市場。由于具有良好和穩(wěn)定的受眾群體，更是一個有效的廣告投放平臺，并具有廣告統(tǒng)計、精確投放和投放方式多樣化的實現(xiàn)能力。
最后面向應用?？梢耘c未來小區(qū)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、智慧小區(qū)系統(tǒng)對接。
我們設計的創(chuàng)新點在于：
1. 在不增加用戶成本和要求用戶注冊前提下，利用現(xiàn)有門禁系統(tǒng)改造。使得住戶僅憑小區(qū)RFID門禁卡就可以在進出門禁點的同時獲取與生活密切相關的生活圈信息。
2. 與現(xiàn)有的生活圈信息通常利用網(wǎng)站方式建設不同，采用嵌入式方式能夠有效深入到用戶的生活中，具有更好的便捷性和信息實時獲取能力。
我們設計的實用性在于：
成本低，模塊化組件，嵌入硬件可以根據(jù)功能和成本估算靈活刪減和添加；
對與不同生活圈信息，統(tǒng)一由服務器提供服務。硬件設施與現(xiàn)有門禁系統(tǒng)一樣，小區(qū)物業(yè)無需額外維護；
是一種便捷的生活圈信息獲取工具和社區(qū)交流平臺，能夠幫助用戶更好獲取生活中必要的生活信息及推動社區(qū)和基層建設。
七LifeSpace城市生活圈信息系統(tǒng)改進方向
目前，LifeSpace城市生活圈信息系統(tǒng)尚處在DEMO演示階段，存在諸多不足。我們希望該系統(tǒng)能夠向互動和個性化服務擴展，所以RFID門禁終端及服務器端都有大量有待改進的地方。
RFID門禁終端：
首先是與用戶交互方式改進，現(xiàn)有展示的LifeSpace城市生活圈信息系統(tǒng)暫時無法提供與用戶的互動功能，比如用戶看到自己想?yún)⑴c的活動或者關注的消息可以點擊參與或關注，所以無法為用戶提供更為人性化的服務。因此將主要從嵌入式門禁終端的用戶交互界面和任務工作方式上改進。
其次是門禁終端廣告投放方式改進，現(xiàn)有的系統(tǒng)暫時不能為廣告商提供精確投放廣告業(yè)務，也不能根據(jù)用戶的刷卡和點擊情況提供廣告月閱讀量統(tǒng)計等服務。這些都是今后改進的重點。
服務器端：
將結合嵌入式門禁端的改進，提供互動和個性化服務擴展能力。首先提升服務器的生活圈信息搜集過濾能力，尤其和微博等移動互聯(lián)應用平臺對接。其次，根據(jù)用戶的身份信息和生活圈信息關注類別等其它附加信息提供個性化服務能力。比如某位用戶點擊生活圈餐飲類信息較多，則該用戶刷卡時優(yōu)先提供飲食類信息等等。
而在實現(xiàn)上述功能改進后，LifeSpace城市生活圈的載體將不僅僅局限于現(xiàn)有的RFID門禁系統(tǒng)。對于所有和使用RFID的地點，如公交、地鐵等系統(tǒng)，都可以提供移動生活圈信息。而除了社區(qū)之外，體育館、商場、餐飲場所也可以增加LifeSpace城市生活圈信息終端，服務器亦可以為用戶提供LSB（location based service）服務。城市生活圈信息終端作為無所不在的交互平臺將嵌入到越來越多的地點和現(xiàn)有設施中。
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