趙義+曹映紅++張莉萍

摘要：物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。廣泛應(yīng)用在安防反恐、市政管理、節(jié)能環(huán)保、醫(yī)療健康、交通管理、能源電力、物流零售、智能工農(nóng)業(yè)、金融保險(xiǎn)、智能建筑等領(lǐng)域。本文是湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃指導(dǎo)性項(xiàng)目“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在幼兒教育中的應(yīng)用研究”階段性成果，主要闡述如何利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建教育信息平臺(tái)，促進(jìn)家園共育，實(shí)現(xiàn)幼兒園，幼兒園教師，幼兒，幼兒家長(zhǎng)及時(shí)有效溝通。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；家園共育；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；智慧幼兒園

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）14-0031-03

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)定義

物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按照約定通信協(xié)議，把物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)概念?！癐OT，The Internet of Things”，就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

IOT的體系結(jié)構(gòu)由3層組成，其模型如圖1所示。分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。下面簡(jiǎn)要各層次的功能和作用。

1）感知層

物聯(lián)網(wǎng)的核心，是信息采集的關(guān)鍵部分。感知層位于物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)中的最底層，其功能為“感知”，即通過(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)獲取環(huán)境信息。感知層是物聯(lián)網(wǎng)的核心，是信息采集的關(guān)鍵部分。

感知層技術(shù)包括傳感器技術(shù)、二維碼技術(shù)、射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)、ZigBee、藍(lán)牙等相關(guān)技術(shù)。

2）網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層為第二層，其功能為實(shí)現(xiàn)信息的“傳送”，即通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸。網(wǎng)絡(luò)層是感知層和應(yīng)用層聯(lián)系的媒介和橋梁，它由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無(wú)線通信網(wǎng)等組成，相當(dāng)于人的神經(jīng)中樞系統(tǒng)，負(fù)責(zé)將感知層獲取的信息，安全可靠地傳輸?shù)綉?yīng)用層，然后根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行信息處理。

網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)包括移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、信息中心、網(wǎng)管中心、云計(jì)算平臺(tái)等。

3）應(yīng)用層

應(yīng)用層根據(jù)不同用戶的需求向用戶提供各類管理平臺(tái)和運(yùn)行平臺(tái)，并根據(jù)各種應(yīng)用的特點(diǎn)集成相關(guān)的內(nèi)容服務(wù)。應(yīng)用層通過(guò)各類用戶界面顯示設(shè)備以及其他管理設(shè)備來(lái)為用戶提供服務(wù)。

應(yīng)用層的應(yīng)用包括物流監(jiān)控、污染監(jiān)控、智能檢索、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能家居、智能交通等。

2 核心技術(shù)分析

2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network， WSN）是由大量的傳感器組成，以分布式的方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其傳感器節(jié)點(diǎn)以靜止或移動(dòng)的方式分布與協(xié)作。以無(wú)線傳輸方式，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)被感知對(duì)象的信息通過(guò)感知、采集、處理，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的所有者。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 新型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用在采集位置、光強(qiáng)、溫度、濕度、壓力、生化等可量化數(shù)據(jù)。同時(shí)，對(duì)視頻、音頻、圖像等多媒體信息的獲取也成為我們?cè)卺t(yī)療監(jiān)護(hù)、交通監(jiān)控、智能家居等領(lǐng)域中的實(shí)際需求。因此，無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)成為一種解決方案。無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)（WMSN，Wireless Multimedia Sensor Networks）是以傳統(tǒng)WSN為基礎(chǔ)，導(dǎo)入視頻、音頻、圖像等多媒體信息感知功能而產(chǎn)生的新型傳感器網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 “智能環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)”解決方案

“智慧幼兒園”是以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)感知層的各類感知設(shè)備借助互聯(lián)網(wǎng)覆蓋全校園，利用智能網(wǎng)關(guān)給予認(rèn)證，結(jié)合攝像頭，將學(xué)校資源整合到互聯(lián)網(wǎng)上的一項(xiàng)智能應(yīng)用。智慧幼兒園以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，將各種應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)集成，使幼兒園保教工作、園務(wù)管理和家園共育充分有效融合。

環(huán)境是人們賴以生存的必要條件，特別是幼兒在園的環(huán)境更是家長(zhǎng)關(guān)心和關(guān)注的焦點(diǎn)。智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)幼兒園室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)為用戶提供可靠并且全面的環(huán)境信息。通過(guò)系統(tǒng)，家長(zhǎng)可以獲得實(shí)時(shí)的居住環(huán)境信息，如溫度和濕度、各種有害氣體的濃度、光照強(qiáng)度、火災(zāi)信息等。同時(shí)，此系統(tǒng)中傳感器所得到的環(huán)境參數(shù)可以為其他幼兒園設(shè)備做決策參考，最終由智能園所系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)園所環(huán)境的智能調(diào)節(jié)。因此，智能園所系統(tǒng)為用戶提供了安全、舒適、便捷生活的環(huán)境，從而使環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)成為了智能園所系統(tǒng)的一個(gè)非常重要關(guān)鍵部分與基本環(huán)節(jié)，，能否擁有一個(gè)好的智能家居系統(tǒng)的關(guān)鍵在于能否設(shè)計(jì)出好環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，這對(duì)改善人們生活環(huán)境的舒適度有非常重要的意義。

3.1 ZigBee 技術(shù)

ZigBee 技術(shù)主要用于低數(shù)據(jù)傳輸速率并且傳輸距離要求不是很遠(yuǎn)的各種通信設(shè)備之間[3]。ZigBee的名字主要來(lái)源于蜜蜂通過(guò)跳 ZigZag形狀的舞蹈來(lái)傳遞所發(fā)現(xiàn)的食物的位置、距離和方向等信息，一只一只的傳遞下去，此種技術(shù)與蜜蜂的這種通信方式相類似。ZigBee聯(lián)盟則于2001年成立，而在2002年下半年，以及四大半導(dǎo)體公司共同宣布加盟ZigBee技術(shù)聯(lián)盟，以研發(fā)名為ZigBee的新一代無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)。而在2006年作為中國(guó)通信行業(yè)龍頭的華為公司亦加入了此聯(lián)盟。ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

3.2 智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案

基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，故根據(jù)ZigBee技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和特點(diǎn)設(shè)計(jì)了由多傳感器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和PC組成的該系統(tǒng)。其中，傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線技 術(shù)與協(xié)調(diào)器進(jìn)行信息的交換；協(xié)調(diào)器則通過(guò)串口 進(jìn)行相連通信。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

系統(tǒng)功能定義：

1）溫度濕度：溫度傳感器可以在用戶設(shè)定的頻率下采集區(qū)域的溫度信息，并將其發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，再由協(xié)調(diào)器將處理結(jié)果數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到PC，此時(shí)，PC可按之前用戶設(shè)置好的參數(shù)和程序?qū)照{(diào)系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫度的控制，當(dāng)然這些是后續(xù)控制，不在本文討論范圍內(nèi)。

2）濕度：通過(guò)濕度傳感器對(duì)濕度信息的采集，再經(jīng)由PC的處理后，對(duì)加濕器進(jìn)行控制，即可達(dá)到科學(xué)明了地控制室內(nèi)的濕度。

3）煙霧：當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到煙霧濃度大于用戶設(shè)定是初值時(shí)，PC會(huì)立即發(fā)送報(bào)警信號(hào)到報(bào)警裝置或者是家庭成員的手機(jī)或直接報(bào)警，PC在啟動(dòng)報(bào)警裝置的同時(shí)，或可以自動(dòng)控制開(kāi)窗，以達(dá)到室內(nèi)空氣流通的效果，保證家庭成員的安全。

4）燈光：光敏傳感器可以將感知的光線強(qiáng)度信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器則將信息傳輸?shù)絇C，經(jīng)過(guò)處理和判斷光線強(qiáng)度控制窗簾的開(kāi)關(guān)或燈的開(kāi)關(guān)。當(dāng)光線過(guò)強(qiáng)時(shí)，可以控制窗簾自動(dòng)合起，反之則可以控制其打開(kāi)或電燈打開(kāi)。

4 結(jié)論

“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在幼兒教育中的應(yīng)用研究”項(xiàng)目由物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學(xué)應(yīng)用子模塊、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教育管理應(yīng)用子模塊、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教育信息應(yīng)用子模塊構(gòu)成。本文論述的是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教育信息應(yīng)用子模塊內(nèi)容。通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，利用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為智慧幼兒園提供了一種可行的整體解決方案。

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