打造你的智慧生活，城市生活圈信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提供軟硬件解決方案

一前言

進(jìn)入到21世紀(jì)以來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(shè)備接入因特網(wǎng)需求在持續(xù)攀升，IPV6已悄然興起。

同時(shí)近兩年物聯(lián)網(wǎng)概念火熱，美國(guó)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(kuò)展。而互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在近幾年進(jìn)入了廣泛的網(wǎng)絡(luò)社區(qū)化應(yīng)用階段，從BBS到微博的廣泛流行，人們?cè)絹?lái)越希望通過(guò)各種媒介和手段獲取信息，特別是與生活密切相關(guān)的信息。

智能識(shí)別技術(shù)(RFID)也在快速發(fā)展，并且滲透到了人們生產(chǎn)、生活、經(jīng)營(yíng)各個(gè)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(yīng)用，由于具有較好的靈活性和信息存儲(chǔ)能力，將逐漸發(fā)展成為城市互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的關(guān)鍵因素?；ヂ?lián)應(yīng)用和RFID智能識(shí)別應(yīng)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(huì)的主題，城市具有良好的物質(zhì)和精神生活條件。但是很多80、90后城市“蟻?zhàn)?rdquo;卻在抱怨城市中找不到歸屬感，而這個(gè)問(wèn)題也已經(jīng)是城市中長(zhǎng)久存在的一個(gè)問(wèn)題。

我們?cè)O(shè)計(jì)的LifeSpace城市生活圈信息系統(tǒng)結(jié)合了互聯(lián)應(yīng)用技術(shù)和RFID技術(shù)，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(guān)的各種信息。不僅方便了用戶生活，還扮演者社區(qū)互動(dòng)和交際平臺(tái)的身份，具有良好的社會(huì)影響、市場(chǎng)和應(yīng)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(guò)調(diào)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(xué)生和上班族，也會(huì)有大量的時(shí)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(lè)場(chǎng)所、餐飲場(chǎng)所、公園等。這些元素的信息與用戶生活緊密相關(guān)。用戶希望能夠方便快捷且免費(fèi)獲取這些與他們生活密切相關(guān)的信息。

且城市中，小區(qū)鄰居或近鄰間幾乎沒(méi)有交流平臺(tái)和機(jī)會(huì)，雙方如陌生人一樣，而這也導(dǎo)致社區(qū)活動(dòng)難以得到大家的響應(yīng)。尤其在中國(guó)房地產(chǎn)市場(chǎng)火熱的情況下，大量新的小區(qū)不斷涌現(xiàn)，年輕人也通過(guò)網(wǎng)絡(luò)感慨過(guò)年由于社區(qū)舉辦活動(dòng)太少，完全沒(méi)有過(guò)年的感覺(jué)。

經(jīng)過(guò)細(xì)致的調(diào)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(huì)經(jīng)過(guò)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(yīng)用背景下的城市生活圈門禁系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1. 除了門禁功能，可以將用戶信息上傳服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)一管理

2. 用戶僅需憑借自己的身份卡即可免費(fèi)查看生活圈信息，免去實(shí)名注冊(cè)一系列過(guò)程

3. 具備良好的擴(kuò)展性

2LifeSpace城市生活圈信息系統(tǒng)方案論證

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，LifeSpace城市生活圈信息系統(tǒng)在技術(shù)上完全可行。整套系統(tǒng)被劃分為RFID門禁終端和服務(wù)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(yīng)具備以下功能：

1. 具備現(xiàn)有RFID門禁功能

2. 具備現(xiàn)有RFID門禁住戶訪問(wèn)功能

3. 通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向服務(wù)器發(fā)送用戶信息

4. 獲取生活圈或城市的天氣和空氣信息

5. 通過(guò)服務(wù)器獲取生活圈內(nèi)各種與生活緊密相關(guān)的信息

6. 服務(wù)器能向小區(qū)住戶發(fā)送短信告知相關(guān)信息

7. 小區(qū)住戶通過(guò)手機(jī)或PC登錄服務(wù)器可設(shè)置是否接收家庭成員進(jìn)出小區(qū)提醒

BLifeSpace城市生活圈信息系統(tǒng)技術(shù)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(shè)擴(kuò)展

3. 使用RMU900 UHF RFID reader（RFID tag antenna 頻段900M）實(shí)現(xiàn)射頻標(biāo)簽讀取

RFID門禁端軟件方面：

1. 使用Microchip Graphic Library V2.11開(kāi)發(fā)GUI頁(yè)面

2. 使用Microchip TCPIP stack V5.25實(shí)現(xiàn)TCPIP數(shù)據(jù)包交互

3. 使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)FreeRTOS為任務(wù)管理系統(tǒng)

4. 使用Microchip MPLAB IDE編寫RFID門禁端代碼

服務(wù)器端：

1. 采用visual studio 2010使用C#編寫服務(wù)器后臺(tái)

2. 采用php，apache WEB發(fā)布建立的服務(wù)器頁(yè)面

3. 采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)建立服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)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(wù)器及手機(jī)都接入互聯(lián)網(wǎng)。用戶通過(guò)手機(jī)或電腦上網(wǎng)登錄服務(wù)器即可方便設(shè)置是否獲得家庭成員的進(jìn)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(shí)別信息和權(quán)限信息，發(fā)送至服務(wù)器端。服務(wù)器接收到該信息后，查看數(shù)據(jù)庫(kù)中是否有該用戶需要發(fā)送家庭成員進(jìn)出信息至手機(jī)的記錄。如果有則引用飛信API將信息發(fā)送至用戶手機(jī)。

圖3 系統(tǒng)原理框圖

與此同時(shí)，服務(wù)器端將最新的城市生活圈信息發(fā)送至RFID門禁終端，實(shí)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(shù)實(shí)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(gè)模塊：

1.RFID射頻讀寫模塊。該模塊采用RMU900模塊，動(dòng)態(tài)二進(jìn)制防碰撞處理，采用900MHZ UHF頻段，讀寫功率大，識(shí)別距離約為1米，攜卡即可識(shí)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(kuò)展板上搭載的分辨率為320x240 QVGA屏幕，由SST25VF016驅(qū)動(dòng)；

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(duì)EEPROM及WIFI模塊的SPI接口訪問(wèn)。

2RFID門禁終端軟件架構(gòu)

圖6 RFID門禁終端軟件架構(gòu)圖

1.使用商用免費(fèi)的FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。在系統(tǒng)中創(chuàng)建QVGA，Touch Screen，WIFI，RFID，及系統(tǒng)運(yùn)行指示LED五個(gè)任務(wù)；

2.使用Microchip公司Microchip Graphic Library V2.11開(kāi)發(fā)GUI界面。利用了該庫(kù)的Graphic Object Layer及Graphic Primitive Layer。Microchip公司提供了可視化GUI設(shè)計(jì)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(dòng)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(guān)系

圖7 RFID門禁終端資源依存關(guān)系圖

在FreeRTOS中創(chuàng)建了QVGA、RFID、WIFI、Touch Screen及系統(tǒng)運(yùn)行指示LED五個(gè)任務(wù)。主要任務(wù)的資源依存關(guān)系如圖7 所示。

4LifeSpace城市生活圈信息系統(tǒng)服務(wù)器端軟件架構(gòu)

服務(wù)器端主要分為三部分：TCPIP后臺(tái)，數(shù)據(jù)庫(kù)及飛信。TCPIP后臺(tái)負(fù)責(zé)與終端數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)庫(kù)建立和管理用戶信息，飛信部分實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶信息通知。

圖8 服務(wù)器端軟件架構(gòu)

ATCPIP后臺(tái)

在visual studio2010使用C#編寫服務(wù)器后臺(tái)，需要.NET Framework3.5或更高版本運(yùn)行。服務(wù)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(kù)記錄實(shí)現(xiàn)短信收發(fā)服務(wù)。

TCPIP后臺(tái)是服務(wù)器端的核心。其實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)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(kù)，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(gè)TcpListener監(jiān)聽(tīng)對(duì)象，調(diào)用該類中的函數(shù)開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)；當(dāng)RFID門禁端發(fā)送請(qǐng)求后，立刻建立一個(gè)TCP連接，服務(wù)器與客戶端就在這個(gè)連接上進(jìn)行通信。建立連接后創(chuàng)建一個(gè)NetworkStream對(duì)象獲取流中的信息，并放入緩存。

這個(gè)緩存的數(shù)據(jù)直接被一個(gè)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(yǔ)句，用于對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作等。由于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，為保證時(shí)刻都能接受終端的請(qǐng)求，可采用多線程解決。RFID門禁端與服務(wù)器TCPIP后臺(tái)部分協(xié)議如下：

RFID門禁端發(fā)送：ID>ID號(hào)碼$I/O>inorout$($未結(jié)束符)

服務(wù)器端識(shí)別ID>后讀取ID號(hào)碼和進(jìn)出信息，再獲取此時(shí)時(shí)間寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。并從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取用戶名以此形式發(fā)出

服務(wù)器端發(fā)送： ID>ID$name>nameroom>room$

RFID門禁端如讀到第一個(gè)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(wù)器端TCPIP后臺(tái)界面

B數(shù)據(jù)庫(kù)部分

使用SQL根據(jù)用戶身份信息建立數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)系統(tǒng)，使得用戶服務(wù)得以個(gè)性化。使用MySQLDriverCS 命名空間，此命名空間提供了對(duì)MYSQL進(jìn)行操作的函數(shù)，在解釋器中被調(diào)用。

使用Apache實(shí)現(xiàn)web發(fā)布，使得用戶可以通過(guò)接入因特網(wǎng)的手機(jī)或計(jì)算機(jī)注冊(cè)賬戶并登錄訪問(wèn)服務(wù)器和修改數(shù)據(jù)。

圖10 網(wǎng)頁(yè)登錄服務(wù)器頁(yè)面

C飛信部分

使用中國(guó)移動(dòng)公司提供的飛信服務(wù)器，調(diào)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(yùn)行流程和功能界面

系統(tǒng)的運(yùn)行流程圖如圖11 所示，數(shù)據(jù)在RFID門禁端與服務(wù)器之間交互。

圖11 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

1. 生活圈用戶通過(guò)手機(jī)或計(jì)算機(jī)上網(wǎng)登錄服務(wù)器修改是否發(fā)送家庭成員進(jìn)出小區(qū)信息至手機(jī)和其他服務(wù)信息；服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)80端口。

2. 生活圈用戶到達(dá)門禁系統(tǒng)位置，用RFID身份卡刷過(guò)嵌入式門禁系統(tǒng)天線，RFID reader讀取身份識(shí)別信息并通過(guò)串口傳送至MCU；

3. MCU請(qǐng)求與服務(wù)器80端口建立TCP socket鏈接，并通過(guò)該socket發(fā)送讀取到的用戶識(shí)別信息。QVGA屏切換到信息顯示頁(yè)面，并顯示用戶身份信息；

4. 服務(wù)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(hào)等信息并根據(jù)該信息查看數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)用戶的設(shè)置狀態(tài)。若用戶設(shè)置為發(fā)送短信，則令飛信模塊發(fā)送短信至用戶手機(jī)。內(nèi)容為：姓名>與時(shí)間>進(jìn) or 出> 門禁地點(diǎn)>廣告>；

5. 嵌入式門禁終端作為TCP server與服務(wù)器端建立TCP socket，服務(wù)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;

6. 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(duì)應(yīng)頁(yè)面時(shí)顯示。

各功能頁(yè)面如下各圖所示：

系統(tǒng)啟動(dòng)頁(yè)面 系統(tǒng)主頁(yè)面

天氣與空氣信息頁(yè)面 訪客撥號(hào)頁(yè)面

生活圈功能頁(yè)面1 生活圈功能頁(yè)面2

獲取的生活圈信息頁(yè)面 RFID刷卡頁(yè)面

六LifeSpace城市生活圈信息系統(tǒng)創(chuàng)新性和實(shí)用性

LifeSpace城市生活圈信息系統(tǒng)具有良好創(chuàng)新性和實(shí)用性，從面向市場(chǎng)、面向社會(huì)和面向社會(huì)三個(gè)角度都具有良好的發(fā)展前景。

首先面向社會(huì)。LifeSpace貼近大眾生活，提供良好的社區(qū)交流和互動(dòng)平臺(tái)，有利于社區(qū)建設(shè)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(huì)問(wèn)題。

其次面向市場(chǎng)。由于具有良好和穩(wěn)定的受眾群體，更是一個(gè)有效的廣告投放平臺(tái)，并具有廣告統(tǒng)計(jì)、精確投放和投放方式多樣化的實(shí)現(xiàn)能力。

最后面向應(yīng)用?？梢耘c未來(lái)小區(qū)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、智慧小區(qū)系統(tǒng)對(duì)接。

我們?cè)O(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于：

1. 在不增加用戶成本和要求用戶注冊(cè)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(jìn)出門禁點(diǎn)的同時(shí)獲取與生活密切相關(guān)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(shè)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(shí)時(shí)獲取能力。

我們?cè)O(shè)計(jì)的實(shí)用性在于：

1. 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；

2. 對(duì)與不同生活圈信息，統(tǒng)一由服務(wù)器提供服務(wù)。硬件設(shè)施與現(xiàn)有門禁系統(tǒng)一樣，小區(qū)物業(yè)無(wú)需額外維護(hù)；

3. 是一種便捷的生活圈信息獲取工具和社區(qū)交流平臺(tái)，能夠幫助用戶更好獲取生活中必要的生活信息及推動(dòng)社區(qū)和基層建設(shè)。

七LifeSpace城市生活圈信息系統(tǒng)改進(jìn)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(dòng)和個(gè)性化服務(wù)擴(kuò)展，所以RFID門禁終端及服務(wù)器端都有大量有待改進(jìn)的地方。

RFID門禁終端：

首先是與用戶交互方式改進(jìn)，現(xiàn)有展示的LifeSpace城市生活圈信息系統(tǒng)暫時(shí)無(wú)法提供與用戶的互動(dòng)功能，比如用戶看到自己想?yún)⑴c的活動(dòng)或者關(guān)注的消息可以點(diǎn)擊參與或關(guān)注，所以無(wú)法為用戶提供更為人性化的服務(wù)。因此將主要從嵌入式門禁終端的用戶交互界面和任務(wù)工作方式上改進(jìn)。

其次是門禁終端廣告投放方式改進(jìn)，現(xiàn)有的系統(tǒng)暫時(shí)不能為廣告商提供精確投放廣告業(yè)務(wù)，也不能根據(jù)用戶的刷卡和點(diǎn)擊情況提供廣告月閱讀量統(tǒng)計(jì)等服務(wù)。這些都是今后改進(jìn)的重點(diǎn)。

服務(wù)器端：

將結(jié)合嵌入式門禁端的改進(jìn)，提供互動(dòng)和個(gè)性化服務(wù)擴(kuò)展能力。首先提升服務(wù)器的生活圈信息搜集過(guò)濾能力，尤其和微博等移動(dòng)互聯(lián)應(yīng)用平臺(tái)對(duì)接。其次，根據(jù)用戶的身份信息和生活圈信息關(guān)注類別等其它附加信息提供個(gè)性化服務(wù)能力。比如某位用戶點(diǎn)擊生活圈餐飲類信息較多，則該用戶刷卡時(shí)優(yōu)先提供飲食類信息等等。

而在實(shí)現(xiàn)上述功能改進(jìn)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(duì)于所有和使用RFID的地點(diǎn)，如公交、地鐵等系統(tǒng)，都可以提供移動(dòng)生活圈信息。而除了社區(qū)之外，體育館、商場(chǎng)、餐飲場(chǎng)所也可以增加LifeSpace城市生活圈信息終端，服務(wù)器亦可以為用戶提供LSB（location based service）服務(wù)。城市生活圈信息終端作為無(wú)所不在的交互平臺(tái)將嵌入到越來(lái)越多的地點(diǎn)和現(xiàn)有設(shè)施中。