俞萍

(广东培正学院)

0 引言

物联网就是“物物相连的互联网”其英文名Internet of Things.物联网未来发展的前景十分广阔，物联网将会被广泛应用于家居、医疗、交通、物流、电力、军事等各个领域，掀起了第三次信息产业浪潮.目前的智慧城市把握着新一轮物联网科技创新和信息产业浪潮的重大机遇，充分发挥了信息通信产业、RFID技术、电信业务及信息化基础设施的作用.构建了城市发展的智慧环境，形成基于海量信息和智能过滤处理的新生活、构建了全新的城市形态.

智慧城市是指借助物联网、传感网，应用到智能楼宇、智能家居、路网监控、智能医院、城市生命线管理、食品药品管理、票证管理、家庭护理、个人健康与数字生活等诸多领域的应用.

“智慧街道”的建设是惠及全民的民生工程，是基于数字街道之上，把物联网智能感知设备和基础网络作为基础设施，利用和融合更为先进的云计算、移动互联网等技术，促进人与人、人与物、物与物之间的互动，提高街道智能化程度的未来城市街道;使在街道生活、工作和路过的人都能够享受到主动、智能、贴心的服务.本设计构建包括主要着重对“智慧街道”设计的研究和实现［1］.

1 设计原理与方案论证

1.1 设计原理

街道是人们生活中必不可少的部分，然而在现实生活中，现实的街道仍然存在一些不足的地方，比如垃圾桶垃圾分类混乱及太满而不能及时清洗、街道路面温度过高常发生车辆爆胎事件、街道自行车等车辆摆放拥挤、街灯闪烁不稳定或者不能按时关开灯等问题.为了解决这些问题，该文设计从实用性、创新角度出发做了大胆的尝试，有效地解决的其中某些的问题.设计中还加入了太阳能模块，符合了可持续发展的要求，充分体现了高效环保节能优势.

该设计大致可分为几大模块，如图1所示.主要模块的设计将在接下来的几个小节中加以详细阐述.

1.2 电子万年历、街灯及测温控制设计

该设计电路是由STC89C52单片机为控制核心，LCD12864作为显示模块.时钟电路由DS1302提供，它是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，可以对年、月、周、日、时、分、秒进行计时，还具有闰年补偿功能，工作电压在2.5～5.5 V.系统采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或者RAM数据.DS1302内部有一个31 *8的用于临时性存放数据的RAM寄存器，同时具有掉电自动保护功能.

图1

温度采集由DS18B20构成，由于AT24C02采用I2C总线结构，操作简单而且具有长久的数据保存能力，关灯时间的设置采用AT24C02来进行储存.

街灯的光敏模块采用亮度传感器(光敏电阻型)，采用光控和时控相结合.傍晚光线暗时控制器自动接通路灯电源，所有的街灯点亮;当深夜行人少时根据设置的时间熄灭标号为1，6，3，8的路灯，天亮后所有路灯自动关断.这样可以达到节约用电的目的.该电路还添加了四个按键，分别为S1，S2，S3，S4.S1为光标移动键，S2为变换页面键，并注有注意设置等提示语，S3和S4分别为加一和减一键，同时液晶也会显示加减提示，以防按键错误.

1.3 垃圾桶检测与控制设计

这部分电路设计分别由红外线信号检测电路、执行电路、语音提示电路3部分电路组成.利用感应开关感应垃圾筒周围是否有人靠近.当人走近垃圾桶准备倒垃圾时，由红外线检测电路检测到这一信息时，LED闪烁，发出提示，然后控制电机运作，将垃圾桶盖打开，并语音提示，提醒人们将垃圾分类.为了防止有人经过的时候误操作，设置了延时功能.当人离开红外的感应范围，传感器驱动电机运作，将垃圾桶盖关闭，还会有温馨的语音答谢.

此外，当垃圾桶满时，垃圾桶盖不再打开，等SIM模块发信息通知环卫工人来将按键打开，这样可在一定程度上减少因长期无人清理而导致垃圾污染环境，为人们使用提供了许多方便.此设计适合安置垃圾桶的场所，尤其适合宾馆、酒店、机场、校园等人流量较大的场所.程序设计流程图如图2所示.

图2

1.4 智能停车场设计

随着低碳绿色出行的不断推广，越来越多人选择骑自行车作为的代步工具，既环保又能锻炼身体.的停车场电路设计是由STC89C52单片机为控制核心，通过4*4矩阵键盘输入密码，用八段数码管显示密码，由步进电机带动模型的转动，从而达到控制自行车的停放与获取.从而大大提高了车库的管理质量、效益和安全性.该停车场的设计是针对地下停车场的模型制作的，起到了节省路面空间的作用.同时该设计也可扩展成为其他大型车辆的停车场.停车场的构造还能根据需要进行进一步的改造，由一层改造为多层［2］.

2 设计方案

2.1 电子万年历、街灯控制、测温设计方案

STC89C52单片机作为核心，该单片机属于双列直插式封装的PDI40口管脚.具有4个输入输出端口，分别为P0，P1，P2，P3，其中P0口是一组8位漏极开路型双向IO口.校验时，要求接上拉电阻.而其他三个端口内部有30 K的电阻，所以不用再外接电阻.此单片机具有6个中断，其中包括三个定时器中断，二个外部中断，一个串口中断，为全双工通信口.内部有静态非易失EEPROM和看门狗.片内有8Kb的可反复檫写的只读程序存储器(PEROM)和256b的随机存取数据存储器(RAM)，功能强大，适合许多较为复杂的控制应用场合［3］.

采用DS1302作为定时芯片.DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路.

采用DS18B20作为温度传感.它是数字式温度传感器，采用单总线通信协议.DS18B20具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高附加功能强，封装形式多样等特点.适合各种狭小空间内设备的数字测温和控制.同时单线可挂接多个元件，因为每个元件都有唯一的一个64位光刻ROM编码，可以多个也可单个操作.电压测量范围是3.0～5.5 V.内部含有EEPROM，其报警上、下限温度值和设定的分辨率倍数在芯片掉电的情况不会丢失.并且内部带有AD转换电路，技术较为成熟.

使用了AT24C02作为缓存器.它是一个2K位串行CMOS E2PROM，内部含有256个8位字节.AT24C02有一个16字节页写缓冲器.该器件通过IIC总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能.

另外用12864液晶进行显示.它应用非常广泛，操作简单，功能强大，采用12864液晶显示各种数字信息最为合适，通过对单片机的编程来控制DS1302芯片的读写操作来获取相应的信息，再通过对液晶的编程控制将获取到的信息通过一系列转换从而显示到12864液晶上.最后达到有电子万年历的功能.

总共设有四个按键，为节约资源考虑，每个按键都有多种功能.每个按键分别标号为S1，S2，S3，S4.S1为光标移动键，S2为变换页面键，并注有注意设置等提示语，S3和S4分别为加一和减一键，同时液晶也会显示加减提示，以防按键错误.操作简单，按键灵活.如图3所示，路灯、测温和万年历程序流程图.

2.2 垃圾桶控制设计方案

采用STC89C52单片机作为核心控制体，内部有静态非易失EEPROM和看门狗.片内含8Kbbytes的可反复檫写的只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器，功能强大，适合许多较为复杂的控制应用场合.

需要使用红外感应自动感应.该传感器模块对环境光线适应能力强，其具有一对红外线发射与接收管.发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物(反射面)时，红外线反射回来被接收管接收.经过比较器电路处理之后，绿色指示灯会亮起，同时信号输出接口输出数字信号(一个低电平信号)，可通过电位器旋钮调节检测距离.有效距离范围为2～80 cm，工作电压为3.3～5 V.该传感器的探测距离可以通过电位器调节、具有干扰小、便于装配、使用方便等特点.

图3

录音功能采用ISD1820美国ISD公司一种单片8到20秒单段语音录放电路芯片，采用CMOS技术，内含振荡器，话筒前置放大，自动增益控制，防混滤波器，扬声器驱动及FLASH阵列.

垃圾桶的打开关闭需要步进电机驱动.步进电机安装了有带永久磁性的转子，而定子至少具有两个绕线.当转子磁性与定子绕线保持一致时，将驱动第二个绕线.两个绕线交替开启和关闭，这将导致电机锁定在想要的步进位置.通过绕线的电流方向还可反向.步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的.可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的.

驱动电机的电路采用ULN2003.它是一个高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN复合晶体管组成.ULN2003是大电流驱动阵列，多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中，可直接驱动继电器等负载［4］.

2.3 智能停车场设计方案

智能停车场的核心控制体是STC89C52单片机.并采用了存储芯片AT24C02，它是一个2K位串行CMOSE2PROM，内部含有256个8位字节.该器件通过IIC总线接口进行操作，具有一个专门的写保护功能.这个设计的模型的停车位置需要依靠步进电机进行转动.这时候需要用到ULN2003、继电器来驱动［5］.利用按键4*4矩阵键盘来输入存取车的密码，并且还可以在八段数码管显示存取的情况.如图4所示为停车场程序流程图.

图4

3 系统测试与实践

在这期间遇到了许多的问题.在软件上，主要的问题出现在程序的编程，一个是AT24CO2的存取以及DS1302内部数据的存储的问题.另一部分是关于DS1302与LCD12864的硬件特点以及在硬件的基础之上驱动程序的调用.

在密码锁方面，最难解决的就是按键数字的存储，一开始用for语句来循环存储，但单片机执行速度非常快，只按一次就进行了四次的循环，最后改用switch语句才能正常存储按键数字.

原理图的仿真是遇到的另一个难题，采用的proteus仿真软件，LCD12864在计算机上根本无法实现仿真，因为proteus软件中的LCD12864是不带字库的，无法通过显示得出想要的效果.因此，只能通过焊接出电路，进行不断地测试和调试.

在硬件上，主要是焊接元器件，这部分由于粗心将电解电容正负极焊反，经过万用表不断的测试才判断出来，及时纠正过来.

紧接着在硬件与软件的结合调试上.在调试万年历模块时，LCD12864上显示的都是乱码，一开始，以为是焊接出现了虚焊，经过多次的检查和万用表的测量，原来是DS1302的上拉电阻的问题，然后焊接了10 K的电阻，电阻太大，导致DS1302不稳定，后来换成了4.7 K的电阻，但是问题还是没有解决，LCD只亮不显示任何东西，通过查找LCD12864硬件资料才发现，还缺少了一个10 K滑动电阻，换成10 K的电阻是否能实现呢?通过试验，10 K电阻并不可以代替可变电阻.

在电源供电部分，刚开始是用6 V蓄电池经过电压转换电路提供5.0 V的电压，然而接到硬件电路却只有4.5 V，将它调节到5.5 V后，接入硬件系统就能达到5 V.在硬件设计方面，智能停车场的模型的难度最大，调节齿轮的高度，控制电机的速度和车位的上下和左右移动，以及升降台的固定.因为就只有几块木板，买了两套齿轮和齿条后就开始车库模型的制作，左右移动不是很难实现，最难实现的上下的带动，因为木板到后期不够了，为了节省成本，用了塑料和纸皮来代替，也因为这些材料不够硬，在上下移动的时候会产生偏移，当移动到最远端就会脱轨.利用了双面胶来增加齿轮和齿条的粘性来以防脱轨.

4 设计创新点与不足

本次的设计是针对现实生活中街道上已经存在的问题进行改进，采用了太阳能电池作为能源，内部设置有蓄电池，用于保证在阴雨天气供电，以达到环保节约的目的.

该设计中，各大功能基本达标，硬件设施基本合乎要求，软件设计可以配合硬件实现其功能.时钟、温度和提示语的显示，调时间和关灯设置功能以及降温洒水功能.时钟与温度的显示功能，精确度完全可以满足日常生活显示时间的需要;按键调时间方便快捷.

设计中使用了光控和时控相结合的方法，避免了光控法易受干扰，时控需频繁设置时间的麻烦，为了节约用电，在深夜行人较少时路灯根据设置的熄灯时间熄灭.垃圾桶智能化，语音提醒和信息通知功能.智能停车场方面，做到了最大限度地节省街道空间，提供人民方便快捷的停、取车服务.此外，街道上还提供太阳能便携充电，以供行人使用.随着技术在不断进步，智能化的事物不断更新，更能提高人们的生活质量，更受人们欢迎.

该设计需要改进的地方有几个方面:首先由于蓄电池自身的容量限制，不能保证在阴雨天长时间对外供电.希望这个问题在以后的新型能源出现之后可以得到解决.另外这个设计只能作为研究和分析，如果要实际中应用还需要进一步改进，能在生活当中进一步使用和推广.

［1］ 王辉，吴越.智慧城市［M］.北京:清华大学大学出版社.

［2］ 邢小杰.单片机电子时钟设计［J］.中国科技博览，2009.

［3］ 刘剑，刘奇穗.51单片机开发与应用基础教程［M］.北京:中国电力出版社，2012.

［4］ 李元庆.电机多功能测试装置的研制与和应用［J］.煤炭技术，2009(10).

［5］ 刘宝玲.电子电路基础［M］.北京:高等教育出版社，2006.