基于物联网的导航门牌设计

物联网是计算机网络技术在21世纪来临之际最重要的发展趋势之一，它指各种物体通过传感器和无处不在的信息网络连接在一起，将以往只能被动处理的"物"变成可以产生和传播信息的主体，将自身的空间位置和状态利用通讯系统传输到各个有识别权限的装置上，以便对其进行智能化的定位、跟踪、分析、检测、控制和管理[1]。

物联网的概念自1999年在传感器网的基础上首次提出以来，已得到了各国政府和国际组织的普遍重视。产业界也将物联网技术作为下一个能带来巨大经济和社会效益的增长点，进行了积极的资金和研发力量的投入。例如IBM公司在2008年提出了"智慧地球"（Smart Planet）的概念，将传感器嵌入到电网、交通网、水网、油气网等各种基础设施网络中，再通过独有的数据通讯和信息处理系统将其连接成完整的信息搜集和反馈控制系统，达到将基础设施管理和城市管理完全信息化和智能化的目的[2]。国务院总理温家宝2009年在中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心视察时，明确提出要将"感知中国"作为信息产业重要机遇来抓。工信部于2011年11月发布的《物联网"十二五"发展规划》中指出："物联网已成为当前世界新一轮经济和科技发展的战略制高点之一，发展物联网对于促进经济发展和社会进步具有重要的现实意义"[3]。

门牌号码是城市管理的基础设施之一，也是在街道和建筑物内寻址定位的基本依据。但是传统的门牌仅仅是一种用于人眼识别的普通标志物，既不能提供丰富的多媒体信息，也不能为使用者提供门牌所处位置和其他门址的空间位置信息，因此难以用作路线导航。本系统基于物联网概念和技术，设计了以单片机和蓝牙通讯为基础的电子门牌，通过手机或其他具有蓝牙通讯功能的终端设备，可以与电子门牌间实现双向数据传输，获取到门牌所对应地址更丰富的信息，并利用局部地图实现门牌周边的自动导航。

1 系统设计

1.1 总体特性

导航门牌是一种特殊的电子门牌，它既具有普通门牌的地址展示功能，又具有更加丰富的多媒体信息和便利的交互功能，从总体上，导航门牌需要具有以下特性：肉眼可识别；内置多媒体信息；可通过移动终端进行访问；具有自我电源保障能力。

1.2 功能设计

电子化的门牌系统如需实现导航功能，必须在门牌内部存储相应的门址信息和其他数据，并具有将自身数据通过无线通讯方式传送给识别装置的能力。门牌所对应的门址信息应该包含基本的地图数据和多维坐标，以定位门址的空间位置。同时，门牌内还必须存储相邻门址的基本信息和位置信息，以提供方位导航。系统的工作模式可分为设置模式和导航模式。

(1)设置模式

设置模式中，识别装置检测到附近处于待机状态的导航门牌，首先进行通讯握手，建立通讯连接；然后识别装置向导航门牌发送设置口令，表示需要对导航门牌的内置数据进行设置，导航门牌收到设置口令后，对比内置的口令进行验证，如果不一致，则返回到待机状态；如果设置口令正确，则导航门牌向识别装置发送自身门址代码，识别装置收到门址代码后进行验证，如果确定要对该门址进行数据设置，则从数据库中提取出与该门址有关的数据信息，发送给导航门牌；门址信息发送完毕断开通讯连接。设置模式功能流程图如图1所示。

(2)导航模式
导航模式中，识别装置检测到附近处于待机状态的导航门牌，首先进行通讯握手，建立通讯连接；然后导航门牌向识别装置发送自身门址信息，识别装置接收到门址信息后进行显示，通过文字和地图等多媒体信息进行局部导航。功能流程图如图2所示。

1.3 结构设计

根据导航门牌的总体特性要求和工作模式设计系统，其结构由4部分组成，如图3所示。

(1)控制系统。导航门牌的核心部分，管理整个系统的运行，接收识别装置的指令并与识别装置交换数据。根据系统控制工作量和导航门牌的体积要求，本系统以低功耗单片机为核心控制设备，通过软件编程完成系统各项功能。

(2)存储系统。导航门牌的主要特点之一是可以存储相应门址大量的多媒体信息，而且门址信息不仅可以通过移动终端读取，而且可以用具有权限的移动终端写入。因此存储系统应该是电可擦且非易失的。Flash存储芯片是一种理想的选择，它容量大、功耗低、体积小，可反复擦写，数据可掉电长期保存。

(3)通讯系统。物联网中常用的无线通讯技术包括RFID、ZigBee和蓝牙（Bluetooth）。为提高对各种移动终端的兼容性，简化使用方式，以移动终端上普遍配备的蓝牙通讯接口作为导航门牌的基本通讯模式是一种理想的选择。

(4)电源系统。导航门牌必须具备自我电源保障能力，因此采用以太阳能电池板和蓄电池构成的电源系统。电源系统还包括电源管理模块和稳压系统，以确保电力供应的平稳和蓄电池的正常充放电过程。