科学家研发一款由太阳能驱动的物联网邮箱,可以与智能设备相连!

   电子分析员        

在这个电子通信的时代,查看邮箱仍然是我们日常生活的一部分。信箱被放置在离房子几米远的地方,有时在街道的对面。每天走到邮箱,却发现邮箱是空的,这是很烦人的。在本文中,我们开发了一种连接物联网的智能邮箱,它可以在收到新邮件时自动向智能手机发送通知。此通知消除了不必要的邮箱访问带来的麻烦。该邮箱包含一个由传感器、一个带低功耗蓝牙(BLE)的系统芯片微控制器和一个可通过太阳能电池板充电的可充电电池组成的低功耗设备。每当邮箱门关闭时,它就检查邮件是否存在,然后使用BLE将数据发送到集线器。这个集线器放置在房子里,通过家里的Wi-Fi向智能手机发送推送通知。智能扬声器谷歌Home也与该系统交互,当被询问定制的问题时,它可以口头告知邮箱的状态。智能邮箱、hub和智能手机应用的原型已经开发并成功测试。


相关论文以题为“A Solar-Powered IoT Connected Physical Mailbox Interfaced with Smart Devices”于北京时间2020年09月15号发表在《 IoT 》上。


科学家研发一款由太阳能驱动的物联网邮箱,可以与智能设备相连!


物联网和智能家居技术给我们的日常生活带来了很多乐趣。智能家庭指的是一种方便的家庭设置,其中的电器和设备,如恒温器、灯、窗户、门等,可以通过智能手机或其他联网设备自动远程监控和控制。智能家居技术为房主提供了方便和更好的接入方式。2016年,全球家庭自动化市场的价值约为240亿美元。随着越来越多的人开始采用智能家居技术,预计到2022年,这一数字将增长到535亿美元左右。


在这个电子邮件和社交媒体盛行的时代,我们仍然期待着每天查看自己的实体邮箱。根据盖洛普的一项调查,老年人比年轻人更喜欢查看邮件,但30岁以下的美国人中有36%也有这种感觉。一个非常重要的问题是:什么时候检查邮箱?有时,信箱被放置在离房子几米远的地方,有时它们被放置在一条繁忙街道的另一边。对人们来说,特别是老年人和残疾人来说,每天穿过一条繁忙的街道,走几米到邮箱,却发现没有邮件到达,这可能会令人沮丧。当天气极其炎热、寒冷或多雨时,情况会变得更麻烦。本项目开发了一个物联网智能邮箱。当新邮件被放入邮箱时,它会自动检测,并向用户的智能手机发送通知。该通知将准确地通知所有者邮件到达的时间,并消除不必要的邮箱访问带来的挫败感。只要主人的智能手机与世界上任何一个地方的互联网相连,就会在信件或礼物送达邮箱时通知主人,这让主人心情平静。


在该方法中,每个智能邮箱包含一个低功率电子设备组成的传感器检测邮箱门的状态,一个传感器来检测项目的存在内部邮箱,soc单片机与蓝牙低能量,和一个可充电的锂离子聚合物电池。这款电子设备的关键设计挑战是要使其耗电量超低,这样电池就可以使用太阳能电池板充电,而不需要手动充电。这款设备的设计考虑到了低能耗,它的电池是通过安装在邮箱顶部的太阳能电池板充电的。当邮箱门关闭时,设备从低功耗休眠模式中醒来,然后它检查邮箱中是否存在任何项目,并使用BLE将数据发送到集线器单元。无线系统,如BLE,比有线系统更容易安装。该集线器放置在家中,与家庭Wi-Fi无线连接。然后中心通过互联网向用户的智能手机发送推送通知。智能音箱谷歌Home也与该系统相连。当主人问谷歌Home:“检查邮箱”,它回答“你的邮箱有邮件”或“你的邮箱是空的”,这取决于邮箱的状态。此外,可以使用web浏览器从世界的任何地方读取邮箱的状态(是空的还是有邮件的)。


研究人员使用可编程逻辑控制器(PLC)和全球移动系统(GSM)调制解调器,开发了一个用于集中邮箱系统的邮件警报系统。生成电子邮件或短信服务(SMS)通知用户。而GSM调制解调器在正常运行时的电流消耗是250 mA,传输时可以增加到1个-所以电池使用时间不长,需要外接电源到邮箱。此外,GSM调制解调器将需要一个用户身份模块(SIM)卡,以及额外的月费也将被要求。工作重点是数字化建筑地址,并将其存储在射频识别(RFID)标签中,可用于无人机投递。该邮箱使用被动红外(PIR)运动传感器、摄像头、螺线管锁和由Arduino微控制器与Wi-Fi连接控制的RFID阅读器。为了安全起见,只要检测到附近有移动,建议的邮箱就会捕获一个图像,并在用户拥有适当的RFID卡时打开邮箱锁。由于相机、Wi-Fi、RFID阅读器、螺线管的集成,功耗会非常高,可能无法使用电池或太阳能充电。此外,由于邮箱内没有检测实际邮件的传感器,如果有人在邮箱前移动,并没有检查或盗窃邮件的意图,会产生假警报。


一些创业公司正计划制造商业智能邮箱。智能邮箱的工作使用915mhz TI无线电收发机进行通信,在传输过程中消耗45 mA。只有当用户靠近邮箱时才会向智能手机发送通知——因此,通知不是实时的。然而,Rpi在空闲状态时消耗的电流超过200 mA,在Wi-Fi开启时消耗的电流超过300 mA,这使得Rpi非常耗电,不适合电池或太阳能运行。美国邮政服务(USPS)的消息递送服务可以每天早上发送包含今天邮件图像的电子邮件。但是,当邮件到达时,它不提供通知。此外,这些电子邮件不包含图像的邮政服务以外的美国邮政。


与其他工作相比,本文拟开展的工作主要有以下几点:


·超低功耗的硬件,因为它使用BLE和基于事件的低功耗固件设计。


·邮筒内装有充电电路,可以从太阳能板上为电池充电,因此无需手动充电,也不需要在邮筒附近安装电源线路。


·所述邮箱包含一个传感器,用于检测邮箱中的邮件,因此,如果没有将邮件放入邮箱门而打开邮箱门,则不会产生假警报。


·该系统的中心连接到家庭Wi-Fi,可以实时向智能手机发送通知到世界上任何地方。


·最先进的智能音箱,谷歌Home,与系统接口,可以说出邮箱的状态。到目前为止,在文献中还没有找到关于智能扬声器与邮箱接口的相关工作。


·邮箱的状态也可以从世界上任何地方的web浏览器中查看。


材料和方法


所建议的智能邮箱系统的总体系统架构如图1所示。每当邮箱门关闭时,电子设备就会从低功耗睡眠模式中唤醒,并使用红外(IR)反射率传感器检测邮箱中是否存在邮件,并使用BLE将数据发送到集线器。该设备由可充电电池供电,并通过太阳能电池板自动充电。放置在家庭内部的集线器与家庭Wi-Fi无线连接,并使用Internet发送云消息。使用推播通知会立即通知智能手机应用程序。智能手机应用程序还包含用于无线配置集线器的设置屏幕。当向与同一家庭Wi-Fi网络连接的Google Home询问自定义问题时,集线器会根据邮箱的状态将音频响应投射到Google Home。


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图1. 智能邮箱系统的体系结构。智能邮箱(一)中,用在电子设备和太阳能电池板,与轮毂(无线连接b使用BLE)。集线器通过Wi-Fi与家庭路由器(c)连接。每当邮件到达或删除时,集线器都会通过Internet将云消息(d)发送到智能手机应用程序(e)。Google Home(f)已连接到本地Wi-Fi网络,并且可以说出邮箱的状态。也可以使用Web浏览器(g)查看邮箱的状态。


物联网系统的主要设计挑战是降低功耗,无线设备的范围,实时通知,可靠性和智能扬声器接口。本节的其余部分讨论系统的不同组件,以及如何解决和实施挑战。


智能邮箱


每当关闭邮箱门时,智能邮箱都会检测到其中的邮件并将其发送到集线器。为此,设计了基于微控制器的硬件设备。硬件的主要设计挑战是降低功耗,因为它由电池供电并使用太阳能电池板充电。设备的硬件和固件简要介绍如下。


硬件


智能邮箱内部的硬件单元的框图如图2所示。


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图2. 智能邮箱硬件设备的框图。


Nordic nRF52840 [ 17 ]是具有BLE的低功耗,小型片上系统(SoC)微控制器,它用作处理和无线通信单元。该微控制器集成了行业标准的ARM Cortex M4F微处理器,1 MB系统内可编程闪存,256 kB RAM,2.4 GHz BLE 5收发器,其输出功率高达+8 dBm,具有6个模数转换器(ADC)通道,通用输入/输出(GPIO),定时器,I2C和许多不同的外设。它的低功耗睡眠模式适用于需要超低功耗以延长电池寿命的系统。BLE 5的最大数据速率为48 Mbps,距离最大为300 m。它还引入了一种新的操作模式,称为远程模式,可以从1.6公里的距离传输数据。


此项目中使用的是Feather nRF52840 Express [ 19 ]板,它由nRF52840微控制器组成。该板具有用于编程的USB串行转换器,用于3.7 V锂聚合物(Li-Po)电池的连接器,板载3.3 V稳压器,以及电池充电电路。编程和充电电路仅在开发板通过USB连接时才通电,而仅在连接电池时不再消耗功率。同时连接电池和USB时,充电电路开始使用USB电源为电池充电。Feather板上实现了一个由电池连接器供电的分压器电路,其中点连接至微控制器的ADC引脚,以监控电池的电压水平。


6瓦的太阳能板与太阳能充电器模块连接,以便在有阳光的情况下为电池充电。太阳能充电器模块的电池端子连接了容量为2500 mAh的3.7V Li-Po可充电电池。该模块使用LT3652单芯片,该芯片为单节锂电池实现了最大功率点跟踪(MPPT)方法,能够以最大2 A的速率充电。对于该应用,最大充电电流设置为450 mA 。


倾斜传感器开关[ 23]用于检测邮箱的门位置-邮箱是关闭的(具有垂直方向)还是打开的(具有水平方向)。传感器直立时,传感器内部的金属球与传感器端子接触;当传感器倾斜时,金属球将断开端子。传感器以一定角度放置在邮箱门上,这样,每当门关闭时,传感器端子便会打开,而每当门打开时,传感器端子便会关闭。传感器连接到微控制器的GPIO中断引脚,并且在上升事件时配置中断。1 µF电容器从MCU引脚连接到地面,以滤除传感器的反弹信号。390kΩ的外部上拉电阻—如图2所示—用于在传感器端子打开时使引脚变高。nRF52832可提供内部上拉电阻(R pu),其值约为13kΩ。但是,启用内部上拉电阻器将导致每当传感器端子闭合时,通过开关的该分支将持续消耗3.3÷13k = 0.25 mA的电流。这种大电流将迅速缩短电池寿命。因此,通过禁用内部上拉电阻,可以使用更高值的390kΩ外部上拉电阻。使用该解决方案,当传感器端子闭合时,分支仅消耗3.3÷390k = 8.46 µA电流(实时测量为8.32 µA)。如果使用较高的外部电阻值,例如1MΩ,则电压下降太多,并且微控制器引脚无法识别中断事件。这就是为什么使用390kΩ外部上拉电阻的电阻的原因,该电阻小于1MΩ且大于内部13kΩ的上拉电阻。当该引脚的输入电阻较高时,其输入引脚会吸收微不足道的电流。当邮箱门关闭时:传感器端子打开,微控制器引脚从低电平变为高电平,并触发上升中断事件。


微型红外反射传感器QRE1113转接板,用于检测邮箱中是否存在邮件。传感器由两部分组成-红外发光二极管(LED)和红外敏感光电晶体管。分支板上电后,传感器的IR LED点亮。当来自LED的IR反射到光电晶体管上时,传感器的输出电压从高变低。光电晶体管感测到的IR光越高,分支板的输出电压就越低。输出引脚与微控制器的ADC引脚连接。当邮件放入邮箱时:它覆盖了传感器,红外线被邮件反射,光电晶体管感应到更多的红外线,并且输出电压降低。不使用传感器以减少功耗时,请切断电源。如图2所示,微控制器的GPIO引脚控制晶体管的基极。在稳定和感测期间,基本电流仅流过几毫秒,然后通过将GPIO引脚转为低电平以切断传感器的电源,将电流设为零。


固件


放置在智能邮箱中的电子设备使用BLE将数据发送到集线器。邮箱设备充当外围设备,而集线器充当中心。实现了用于nRF52840 SoC的功能丰富的BLE 5协议栈(称为软设备),其中包含具有通用访问配置文件(GAP),通用属性配置文件(GATT),链接和其他层的完整堆栈。BLE协议支持使用非连接状态下的广告或连接状态下的服务来进行自定义数据传输。要在连接状态下传输数据,固件必须使用一项服务,并且该服务必须包含一个或多个特征。服务用于按组分解数据,每个组包含特定的数据块,称为特征。服务可以具有一个或多个特征,并且每个服务都使用称为通用唯一ID(UUID)的唯一数字ID与其他服务区分开,该ID可以是16位(对于正式采用的BLE服务)或128位(用于自定义服务)。像服务一样,每个特征都通过预定义的UUID进行区分。定制服务由GATT配置文件中的固件实现。在此服务下,将创建一个自定义特征。特征的数据长度为2个字节-一个字节表示邮件的存在,另一个字节表示电池电量。该通知 设置特征的属性,以便只要更新特征中的数据,就会自动调用集线器中的回调函数。


要与集线器建立连接,设备首先会发布其GAP数据。然后,集线器与设备连接并保持连接状态。设备的BLE发射功率设置为其最大值+8 dBm。连接后,该设备将停止发布广告,并准备进行数据传输。如果由于电池电量低或范围问题而导致BLE断开连接,则在集线器中将调用BLE断开连接的回叫功能,并且设备将再次开始通告重新连接。


该固件使用实时操作系统(RTOS)-称为FreeRTOS 。固件不总是在循环内运行代码,而是对事件执行回调功能以节省功耗。固件等待事件唤醒,然后再次进入低功耗睡眠模式。每当邮箱门关闭时,倾斜传感器就会打开,door_closed中断被触发,微控制器唤醒。然后,中断服务程序(ISR)启动计时器,并通过将与晶体管基极相连的GPIO引脚设为高电平,向IR反射率传感器供电。在计时器延迟期间,邮箱将变得稳定。延迟之后,将调用计时器ISR。在此ISR中,计时器首先停止。然后启用ADC外设,读取IR反射率传感器数据和电池电量,然后禁用ADC外设。将红外反射率传感器数据与阈值进行比较,以确定邮件是否在邮箱中。然后将邮件的存在和电池电量数据写入BLE特性-使集线器中的回调函数得以执行以接收数据。最后,通过降低GPIO引脚的低电平来切断IR反射率传感器的电源,该引脚控制晶体管。然后程序进入睡眠模式并等待另一个门关闭事件发生。关闭信箱门后,设备执行的操作如图3所示。


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图3. 邮箱门关闭后的操作流程图。IR,红外;ADC,模数转换。


在固件中,进行了以下配置以降低功耗:


·代替使用低压差(LDO)调节器,微控制器的DC / DC转换器用于降低功耗。


·浮点单元(FPU)消耗大量功率。因此,编写该程序时应避免使用任何浮点数。清除了异常标志和未决的FPU中断,以使微控制器进入低功耗模式。


RTOS使用滴答中断来测量时间。滴答频率的增加意味着计时器可以将时间测量为更高分辨率,反之亦然。通过在每个RTOS滴答之间切换任务,RTOS调度·程序还可以在优先级相同的任务之间共享处理器时间。变动频率会影响分配给每个任务的时间片。为了降低功耗,RTOS滴答中断的频率(称为configTICK_RATE_HZ)从1024 Hz降低到64 Hz,并减少了110 µA电流。滴答频率的进一步降低会导致ADC外设出现问题。微控制器的系统时钟(称为SystemCoreClock)为64 MHz,并且不会更改。因此,微控制器不会牺牲其性能,而是会高速执行指令。


集线器


集线器使用BLE从邮箱接收数据,并使用家庭Wi-Fi将云消息发送到智能手机应用程序。智能扬声器和Web界面还使用家用路由器与集线器连接。集线器可以放置在家庭内部,在BLE和家庭Wi-Fi信号范围内。集线器的硬件和应用程序部分如下所述。


硬件


单板计算机Raspberry Pi(RPi)v3 被用作主要处理单元。它包含一个以1.2 GHz运行的64位四核ARMv8微处理器,1 GB RAM,一个支持高达32 GB的micro SD卡插槽,板载BLE,Wi-Fi模块以及其他内置硬件外围设备。110 V AC到5.1 V DC适配器用作RPi板的电源。


固件


Raspberry Pi OS(以前称为Raspbian)[ 31 ](基于Debian的Linux操作系统)安装在RPi板的16 GB SD卡上。该固件是使用Python语言开发的,并已安装了pygatt,pyfcm,pychromecast,http.server等必需的软件包。


在启动时,集线器将使用Wi-Fi连接到家庭路由器,从而可以访问Internet。邮箱的最后保存状态和某些设置(例如邮件的存在,电池电量,Goggle家庭Internet协议(IP)地址和BLE媒体访问控制(MAC)地址)从settings.dat文件中加载。然后,集线器使用BLE与邮箱连接,并订阅自定义特征的UUID。


每当邮箱门关闭时,邮箱的状态就会使用BLE发送到集线器,并且在集线器中会调用回叫功能(BLE数据到达)。集线器收到BLE数据后执行的动作如图4所示。在BLE数据到达功能中,邮箱的状态(例如,邮件的存在,电池电量和BLE连接状态)被保存在settings.dat文件中,并使用Firebase Cloud Messaging(FCM)发送到用户的智能手机。FCM是一种跨平台的消息传递解决方案,可以可靠地免费使用Internet发送消息。使用FCM,只要有新数据可同步,就可以立即通知智能手机应用程序。一条消息最多可将4 KB的有效负载传送到客户端应用程序。使用从注册了智能手机应用程序的云服务器生成的服务器密钥发送消息。如果由于电量不足或范围问题而断开了与邮箱的BLE连接,则将在集线器中调用BLE断开的回叫功能。然后,该功能使用FCM更新有关BLE断开状态的智能手机。


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图4. 集线器收到BLE数据后的操作流程图。


智能手机应用


智能手机应用程序是为Android平台开发的。应用启动时,它将使用URL中的状态字向集线器的服务器发送HTTP GET请求。然后,集线器使用FCM将邮箱的状态发送到智能手机。该应用程序的第一个屏幕显示了邮件状态-“您有邮件”或“邮箱为空;” 电池电量水平的百分比;上次数据更新的日期和时间;它使用Internet与集线器的连接状态;以及使用BLE的集线器与邮箱的连接状态。它还包含一个按钮,该按钮可使用BLE与邮箱重新连接,并且在集线器与邮箱的连接丢失时启用。


该应用程序包含一个用于配置通知的设置菜单,集线器的公共IP,Google Home IP和邮箱的BLE MAC。用户可以启用或禁用通知:在收到新邮件时,在邮箱为空时或两者兼而有之。当邮件被取出并且邮箱变空以检测邮件被盗时,可能有必要获得通知。要从智能手机应用向集线器发出HTTP请求,需要公共IP或集线器服务器的友好名称。如果智能手机与集线器的同一Wi-Fi网络连接,则可以通过按下将HTTP请求发送到https://ipecho.net/plain的按钮来自动填充Wi-Fi网络的公共IP。并从发出请求的位置响应IP。或者,也可以通过在whatsmyip.com网站上查找来手动输入公共IP。要将邮件的状态音频发送到智能扬声器,集线器必须知道Google Home IP。用户在应用程序中输入Google Home IP。可以从Home应用中找到Google Home IP 。集线器必须知道用于与邮箱连接的BLE MAC。要获取邮箱的BLE MAC,用户按下“开始扫描”按钮以查找附近正在做广告的BLE设备。将在列表视图框中添加附近的BLE设备,用户可以从列表中选择所需的MAC地址。用户按下返回按钮退出设置菜单后,该应用会将数据保存在settings.dat中文件,并使用URL中的设置字,BLE MAC和Google Home IP向集线器发送HTTP GET请求。


每当收到新的FCM消息时,应用程序的第一个屏幕都会更新。图5中的流程图显示了每当收到FCM消息时,智能手机就会采取的措施。通过这种方式,数据可以在家庭中的集线器和用户的智能手机之间进行同步,无论用户身在何处。该应用已添加并在FCM中注册,以接收推送通知。名为FirebaseMessaging的服务在此应用程序的后台运行。当它从FCM接收的推送通知消息,回呼函数被调用和应用程序保存在邮箱状态-如邮件,电池电平的情况下,和BLE连接状态-与当前日期/时间中的信息状态.dat文件。然后,如果新邮件到达或邮件被删除,则该应用程序会生成智能手机通知,具体取决于通知设置和最后状态。然后,该应用程序的第一个屏幕将更新,以显示邮箱的当前状态和电池电量。如果集线器与邮箱的BLE连接丢失,则邮箱的连接状态将显示为“已断开”;邮件和电池电量的存在显示为未知。


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图5. 收到Firebase Cloud Messaging(FCM)消息时的操作流程图。


如果集线器服务器已关闭,则从智能手机发送的任何HTTP请求都将导致错误消息。在这种情况下,集线器的连接状态显示为“已断开”,并且在应用程序的第一个屏幕中,邮件的存在,电池电量和与邮箱的BLE连接状态显示为未知。


结果


拟议的智能邮箱,集线器,智能手机应用程序,Google Home界面和Web界面的原型已成功开发和测试。智能邮箱(其中装有电子设备)的照片如图6所示。使用电流表测量处于不同状态的设备的电流消耗,如表1所示。设备的BLE仅在需要由集线器发现时才会发布。一旦发现并连接,该设备将消耗780 µA电流。邮箱大部分时间将处于此低功耗空闲状态。当门打开然后关闭时,设备将从睡眠模式中唤醒,检测到邮件的存在并在短时间内传输数据几毫秒,然后再次进入睡眠模式。该原型使用容量为2500 mAh的锂充电电池,并通过太阳能充电器电路与太阳能电池板连接。只要有阳光,电池就会充电。假设没有可用的太阳能充电,则设备的电池寿命约为2500÷0.78 = 3205.12 h或133天。因此,即使天气多云,智能邮箱也将正常工作。


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图6. 智能邮箱的照片:(a)放置在邮箱内的电子设备-(1)红外反射传感器,(2)倾斜传感器,(3)带有BLE的片上系统(SoC)微控制器,(4)太阳能充电器和锂聚合物充电电池,以及(5)太阳能电池板;(b)邮箱中的邮件-盖有红外反射传感器;(c)当门关闭时,倾斜传感器对微控制器造成中断。


表1. 在不同状态下测得的器件电流消耗。


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结论


研究人员开发和测试了IoT连接的智能邮箱系统。邮箱中的电子设备使用BLE并消耗超低功率,并且使用太阳能电池板为电池充电。拟议系统中的集线器与家庭Wi-Fi连接,并且可以在邮件到达时将通知实时发送到用户的智能手机到世界任何地方。此外,最先进的智能扬声器Google Home与系统连接,可以说出邮箱的状态。邮箱状态也可以从世界任何地方的Web浏览器中查看。


论文链接:https://www.mdpi.com/2624-831X/1/1/8/htm


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