歐陽宏志，胡 清，張 韻

(南華大學 電氣工程學院，湖南 衡陽 421001)

基于Zigbee技術(shù)的教室智能管理監(jiān)控系統(tǒng)

歐陽宏志，胡 清，張 韻

(南華大學 電氣工程學院，湖南 衡陽 421001)

高校師生規(guī)模不斷在擴大，學校各種資源之間矛盾加劇，不利于實時監(jiān)控，安全隱患也隨之提高﹒為解決此問題，以教室為中心，構(gòu)建了一個智能管理監(jiān)控系統(tǒng)﹒智能燈光控制，打造節(jié)能型校園；智能考勤系統(tǒng)，方便師生辦公、學習和生活；教室內(nèi)溫濕度、可燃氣體含量等數(shù)據(jù)實時監(jiān)控，營造一個舒適安全的校園環(huán)境﹒以Zigbee技術(shù)進行傳感器組網(wǎng)，結(jié)合TI公司CC2530芯片和ZStack協(xié)議棧進行設(shè)計﹒實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)組網(wǎng)高效、能耗低、可靠性高，實現(xiàn)教室一體化監(jiān)控，有助于建設(shè)平安校園和智慧校園﹒

Zigbee；智能；教室；無線網(wǎng)絡(luò)

發(fā)展無線網(wǎng)絡(luò)，將設(shè)備從有線連接變?yōu)闊o線連接，方便使用，已成為一種必然趨勢﹒無線通信技術(shù)激烈的競爭中，Zigbee技術(shù)以低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)速率和高可靠性等優(yōu)點脫穎而出﹒對工業(yè)控制而言，藍牙技術(shù)顯得太復雜，且功耗大、距離近、組網(wǎng)規(guī)模太?。灰苿泳W(wǎng)絡(luò)投入太大，通信速率低且費用高﹒基于Zigbee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)避免了上述弊端，也克服了有線網(wǎng)絡(luò)的局限性及功耗高等缺點[1]﹒現(xiàn)有文獻對智慧校園的研究，有的側(cè)重考勤方面，有的則側(cè)重安全方面，把節(jié)能、安全和考勤各方面結(jié)合起來的研究并不多﹒

近些年來，各個高校都在探尋高效的校園管理辦法，以南京郵電大學和浙江大學為代表的高校對智慧校園建設(shè)進行了積極探索﹒大學是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用最早、最為廣泛的地方之一，小范圍試點必將為今后物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展打下堅實基礎(chǔ)[2]﹒構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)智慧校園既是時勢所趨，又體現(xiàn)了以人為本﹒

1 Zigbee技術(shù)概述

Zigbee是一種雙向無線通信技術(shù)，主要用于短距離、低功耗且傳輸速率不高的電子設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)﹒Zigbee模塊通信距離從幾十米到幾百米，并支持無線擴展，理論上可以是由65 536個無線模塊組成的無線網(wǎng)絡(luò)平臺﹒Zigbee協(xié)議棧由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成[3]﹒Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備按各自作用分為協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點和終端節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)支持3種拓撲：星型、樹型和網(wǎng)狀型﹒Zigbee技術(shù)基于IEEE802.15.4標準，是實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種重要技術(shù)﹒Zigbee易于實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式、自組織和低功耗的特點﹒

2 系統(tǒng)架構(gòu)與硬件設(shè)計

Zigbee設(shè)備主要分為協(xié)調(diào)器和終端，但在硬件部分設(shè)計時可以不區(qū)分，由軟件設(shè)置的標志位加以識別﹒校園管理監(jiān)控系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器與終端無線通信，與 PC機上的上位機通過串口連接，上位機接收協(xié)調(diào)器獲取的數(shù)據(jù)﹒系統(tǒng)根據(jù)教室以講臺為主的特點采用星型網(wǎng)絡(luò)[4]，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示﹒

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

2.1 燈光控制節(jié)點

燈光控制結(jié)合人體紅外熱釋電傳感器和光敏電阻傳感器實現(xiàn)了教室內(nèi)人走燈滅、自動開燈功能[5]，既方便了師生生活，又避免電能損耗，有效地節(jié)約了資源﹒人體感應(yīng)和光敏傳感電路分別如圖2～圖3所示﹒

圖2 人體感應(yīng)傳感電路原理圖

圖3 光敏傳感電路原理圖

2.2 智能考勤節(jié)點

通過點名、磁卡和接觸式IC卡等方式對學生到課情況進行考勤、記錄管理，既耗時又相互干擾；而非接觸式學生考勤系統(tǒng)實現(xiàn)了利用無線射頻識別(RFID)技術(shù)對學生考勤進行管理，既方便快捷，又省時廉價[6]﹒

系統(tǒng)工作過程：當持有學生基本信息的非接觸式IC卡—Mifare One卡進入MFRC522讀卡器天線作用范圍內(nèi)時，卡片獲得能量以維持卡內(nèi)電路工作；終端節(jié)點負責控制讀卡器進行一系列“尋卡→防沖突→選卡→讀/寫卡”操作，如果成功，將讀取卡片上的學生信息；終端將學生信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器﹒

協(xié)調(diào)器接收到相應(yīng)數(shù)據(jù)后，根據(jù)預(yù)存的數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的學生信息，得到本次課堂已到和缺課學生的人數(shù)及姓名，然后對信息進行顯示并傳遞給上位機系統(tǒng)以便后臺查詢管理﹒

2.3 溫濕度、可燃氣體及地震檢測節(jié)點

溫濕度傳感器采用DHT11傳感器，濕度測量范圍：20%～95%；溫度測量范圍：0 ℃～50 ℃﹒系統(tǒng)通過分析溫濕度實時數(shù)據(jù)來決定是否開啟制冷裝置進行控制﹒

可燃氣體傳感器采用MQ-2氣體傳感器，其所用氣敏材料是二氧化錫(SnO2)，SnO2電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大[7]﹒通過電阻分壓將電導率的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電信號后，再經(jīng)比較器電路輸出高低電平，用于判斷空氣中可燃氣體濃度是否超標﹒

震動傳感器采用SW-420常閉型震動傳感器，結(jié)合比較器電路，使電路檢測到震動時輸出高電平信號并進行地震報警﹒環(huán)境檢測模塊電路如圖4所示﹒

圖4 環(huán)境檢測模塊總電路

2.4 電源管理

Zigbee設(shè)備采用TI公司的CC2530，所有設(shè)備及其外圍電路可選用 3節(jié)干電池串聯(lián)供電﹒CC2530包含電源管理功能，可實現(xiàn)不同的供電模式﹒學校下課等空暇時間段設(shè)備自行進入休眠模式，也可人為按鍵操控，選擇是否進入休眠﹒休眠有利于延長供電電池的壽命，低功耗運行﹒

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)

每個Zigbee網(wǎng)絡(luò)中只允許有1個協(xié)調(diào)器，它具有最高網(wǎng)絡(luò)權(quán)限，是整個網(wǎng)絡(luò)的維護者[8]﹒網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器最先啟動，啟動后進行能量檢測，檢測工作區(qū)域內(nèi)所指定信道上有無其它設(shè)備在工作﹒協(xié)調(diào)器根據(jù)檢測結(jié)果選擇合適的信道，并選擇PANID和網(wǎng)絡(luò)短地址后啟動協(xié)調(diào)器，并允許終端加入[9]﹒協(xié)調(diào)器收到終端入網(wǎng)請求后，若允許請求，則分配一個短地址給終端，并發(fā)送相應(yīng)原語，請求入網(wǎng)的設(shè)備即加入到網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備入網(wǎng)后就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互傳送﹒

3.2 網(wǎng)絡(luò)中傳感器的協(xié)調(diào)

系統(tǒng)中傳感器個數(shù)較多、類型多樣，需遵循一定的協(xié)調(diào)方式﹒不同功能的傳感器所安裝位置也不同，所以需要配備各自的終端設(shè)備﹒本系統(tǒng)傳感器信號由各自的終端設(shè)備傳輸給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器對各類傳感器信號進行輪詢，實時處理﹒傳感器的協(xié)調(diào)方式遵循分布式、自組織的特點﹒

3.3 程序流程及上位機

本系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器負責組網(wǎng)并接收處理終端數(shù)據(jù)，向終端發(fā)送相應(yīng)命令，并與上位機通信﹒協(xié)調(diào)器工作流程如圖5所示﹒終端節(jié)點分別實現(xiàn)燈光控制、考勤和環(huán)境監(jiān)測功能，成功入網(wǎng)后開啟各自功能，并與協(xié)調(diào)器無線通信﹒終端程序流程如圖6所示﹒上位機位于PC終端，通過串口接收網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)，可顯示教室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)﹒上位機界面如圖7所示﹒

圖5 協(xié)調(diào)器流程圖

圖6 終端流程圖

圖7 上位機界面

4 實測結(jié)果與分析

教室管理員或教師可以通過上位機軟件(或APP)查看班級考勤情況和教室環(huán)境數(shù)據(jù)，對學生狀況和教室情況進行監(jiān)控，學生也可以利用該系統(tǒng)的大屏幕了解校園安全狀況，及時作出反應(yīng)﹒各功能測試結(jié)果如表1所示﹒實測情況表明系統(tǒng)功能可靠、數(shù)據(jù)準確，可用于實際工程(由于氣體濃度報警閾值未知，地震震級與震動傳感器的測量值關(guān)系不明確等原因，測試結(jié)果僅供參考)﹒

表1 實測情況統(tǒng)計表

5 結(jié)語

社會各界越來越重視物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶給生活的智慧與便捷，傳統(tǒng)教室存在諸多不便，未實現(xiàn)管理智能化，資源浪費嚴重﹒本文設(shè)計并實現(xiàn)了一套教室管理監(jiān)控系統(tǒng)，涉及教室環(huán)境監(jiān)測、危險報警、智能考勤和燈光控制等多個方面﹒對教室的實時監(jiān)控既方便了師生的學習生活，同時也保證了校園安全，有一定的實用價值﹒

[1]楊萌, 趙亮. 基于Zigbee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究[J]. 電子技術(shù)與軟件工程, 2015(1): 34.

[2]韓雪. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧校園系統(tǒng)設(shè)計研究[J]. 電子設(shè)計工程, 2011, 19(24): 41-43.

[3]青島東合信息技術(shù)有限公司. Zigbee開發(fā)技術(shù)及實踐[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社, 2014.

[4]周益. 基于Zigbee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計與實現(xiàn)[D].蘇州: 蘇州大學, 2009.

[5]蔣武鋒, 黃慶南, 陸波文, 等. 基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的教室節(jié)能智能控制系統(tǒng)[J]. 電子科技, 2013, 26(10): 44-46.

[6]李泉林, 郭龍巖. 綜述RFID技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域[J]. 射頻世界,2006(1): 51-62.

[7]何孟凡, 高國偉, 王世峰, 等. 智能家居防火防盜系統(tǒng)[J]. 傳感器世界, 2017, 23(2): 12-16.

[8]楊業(yè)令. 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧家庭系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 成都:電子科技大學, 2013.

[9]王江峰. 基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)[D]. 濟南: 濟南大學, 2010.

(責任編校：龔倫峰)

Intelligent Classroom Management and Monitoring System Based on Zigbee Technology

OUYANG Hongzhi, HU Qing, ZHANG Yun
(School of Electrical Engineering, University of South China, Hengyang, Hunan 421001, China)

With the continuous expansion of teachers and students, the real-time monitoring is very difficult for university. Increasing of students has not only exacerbated the contradictions among the various resources in the university, but also increased the security risks. In order to solve that situation, this paper survey and design in a classroom-centered way, combining the CC2530 chip with protocol stack of ZStack:Intelligent lighting control is to create energy saving campus; The intelligent attendance system is convenient for teachers and students to study and work. The real-time monitoring of the temperature and humidity and the content of combustible gas in the classroom can create a comfortable and safe campus environment. The system is very efficient and environmental, low-costing and reliable, besides, it makes the integration of the classroom a reality. This integrated environment helps build a peaceful and smart campus, and achieve a highly intelligent campus’ Internet of Things.

Zigbee; intelligent; classroom; wireless network

TP273.5

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.05.0013

1672–7304(2017)05–0061–04

2017-01-04

衡陽市科技局項目(2014KG71)

歐陽宏志(1982- )，男，湖南衡陽人，副教授，碩士，主要從事電子技術(shù)應(yīng)用研究﹒E-mail: oyhz1982@163.com