,

(青島大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，山東 青島 266100)

0 引 言

教室是高校教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分，作為高等學(xué)校一項(xiàng)重要的教學(xué)資源，除在每學(xué)期開學(xué)前已安排有指令性的教學(xué)任務(wù)(課程表)之外，也必須承擔(dān)課程表之外的各項(xiàng)學(xué)校工作。如何在各項(xiàng)工作中合理、安全的使用和安排教室資源，達(dá)到充分利用，成為了教室管理工作的主要任務(wù)[1]。高校教室的特點(diǎn)是一般采用開放式管理，學(xué)生基本無(wú)固定教室、固定座位，且清掃人員僅負(fù)責(zé)衛(wèi)生和維護(hù)工作。

從對(duì)教室的日常使用可以發(fā)現(xiàn)，教室的管理存在諸如：冬季供暖的能源浪費(fèi)[2]、照明用電浪費(fèi)[3]、貴重設(shè)施安全保障[4]等一系列問題。針對(duì)這些問題，當(dāng)前已經(jīng)對(duì)如何解決展開了嘗試，如ACME樓宇現(xiàn)場(chǎng)控制器和氣候補(bǔ)償節(jié)能控制器、SL8321時(shí)間照度節(jié)能控制開關(guān)、常規(guī)的門禁系統(tǒng)等等。但這些系統(tǒng)主要是針對(duì)樓宇等大型建筑主體，無(wú)法適應(yīng)教室這種小型空間的日常管理。因此，涉及一套自主設(shè)計(jì)并開發(fā)的智能網(wǎng)絡(luò)化教室管理系統(tǒng)，系統(tǒng)主要基于ZigBee技術(shù)(一種低價(jià)位、低功耗、自組網(wǎng)的近程無(wú)線通訊技術(shù))，以解決教室管理中存在的諸多問題。

1 系統(tǒng)原理和硬件組成

1.1 ZigBee技術(shù)

Zigbee作為一種新興的近程、低速率、低功耗的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離無(wú)線連接。具有低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、自組網(wǎng)、超視距、可靠性高的特點(diǎn)。ZigBee可以嵌入各種設(shè)備，主要應(yīng)用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的、低功耗、自組網(wǎng)的近程無(wú)線通訊技術(shù)[5]。

ZigBee聯(lián)盟把IEEE 802.15.4中定義的PAN協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器和一般設(shè)備分別稱為：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)路由器和網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備。其中網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立，以及網(wǎng)絡(luò)配置；路由器負(fù)責(zé)找尋、建立和修復(fù)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文信息，并負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)；網(wǎng)絡(luò)終端具有加入、退出功能，并可接收和發(fā)送報(bào)文，但終端設(shè)備不允許路由轉(zhuǎn)發(fā)。

1.2 系統(tǒng)模塊

該智能教室主要包含四個(gè)子系統(tǒng)，分別是供暖分時(shí)分溫控制子系統(tǒng)、照明按需管理子系統(tǒng)、安全門禁子系統(tǒng)和多媒體設(shè)備智能控制子系統(tǒng)。其系統(tǒng)模塊如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模塊框圖

智能教室采用星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，設(shè)備采用協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備。且所有終端設(shè)備都直接與協(xié)調(diào)器通信，由協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)，以及與上位機(jī)的通信。子系統(tǒng)由傳感器和終端節(jié)點(diǎn)組成，教室內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)直接與協(xié)調(diào)器通訊，協(xié)調(diào)器與中心管理計(jì)算機(jī)之間則利用以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換模塊，并通過已有的校園網(wǎng)接口與校園網(wǎng)內(nèi)的中心管理計(jì)算機(jī)通訊。系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能教室無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)框圖

各子系統(tǒng)組成和功能包括：

(1)供暖分時(shí)分溫控制子系統(tǒng)

根據(jù)實(shí)際需求，教室的供暖宜集中在開放時(shí)段，教室關(guān)閉時(shí)則采取小流量防凍方式，從而達(dá)到節(jié)能的目的[6]。為降低系統(tǒng)硬件成本，系統(tǒng)采用普通電磁閥，安裝在教室供暖管道的進(jìn)水管處。選用的電磁閥的開度有2個(gè)檔位，分別是100%和20%。由于管道和散熱器防凍的需要，系統(tǒng)需進(jìn)行小流量循環(huán)，所以不能選用全關(guān)閉電磁閥。系統(tǒng)硬件由電源板、CC2530無(wú)線節(jié)點(diǎn)模塊[7]、溫度傳感器模塊和繼電器輸出模塊等組成，如圖3所示。

(2)照明按需管理子系統(tǒng) 教室照明和其它領(lǐng)域的照明不同，有著嚴(yán)格的照度要求。為此，國(guó)家專門頒布了《中小學(xué)校教室采光和照度衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，在《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中，也專門為教室的采光、照明等制訂了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[8]。其核心就是要保證足夠的光照度，減少暈光等不利因素的影響。依照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，教室白天照度不低于200LUX，晚間照度不低于150LUX[8]。

圖3 供暖分時(shí)分溫控制子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖4 照明按需管理子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖5 中心節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

系統(tǒng)保持教室原有的4路照明電源回路，可不改變?cè)胁季?，?jiǎn)化布線。在回路中設(shè)置一個(gè)光照傳感器和一個(gè)熱釋電傳感器來(lái)檢測(cè)室內(nèi)光照和判斷是否有人，然后根據(jù)設(shè)定的時(shí)間、照度值和是否有人，自動(dòng)控制照明電源的開啟和關(guān)閉。在開啟時(shí)間段內(nèi)，當(dāng)自然光照度值低于設(shè)定值并區(qū)域有人時(shí)，照明電源開啟，否則關(guān)閉電源。系統(tǒng)硬件由電源板、CC2530無(wú)線節(jié)點(diǎn)模塊、光照度傳感器模塊、熱釋電傳感器模塊和繼電器輸出模塊等組成如圖4所示。

其中光照度傳感器采用BPW34S光電二極管，并通過TLV2372運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，變?yōu)殡妷盒盘?hào)后送到CCC2530模擬量輸入端子AIN0進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

(3)安全門禁子系統(tǒng)

安全門禁系統(tǒng)能夠接收中心管理計(jì)算機(jī)按課表安排而發(fā)出的教室門鎖開、關(guān)指令，不需人工干預(yù)，降低了管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。由于教室門在使用過程中具有頻繁開、關(guān)的特點(diǎn)，所以不能采用普通樓宇單元門經(jīng)常采用的電控鎖，而應(yīng)該采用磁力鎖，它具有吸力強(qiáng)，容易安裝，耗電量低，自動(dòng)消磁無(wú)殘磁，低噪音，防腐蝕，使用壽命長(zhǎng)，無(wú)機(jī)械故障等特點(diǎn)。系統(tǒng)硬件由電源板、CC2530無(wú)線節(jié)點(diǎn)模塊和繼電器輸出模塊等組成。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用LabVIEW虛擬儀器方案和工業(yè)組態(tài)軟件兩種方案。選擇了第一種方案來(lái)進(jìn)行上位機(jī)軟件開發(fā)。系統(tǒng)中心節(jié)點(diǎn)主程序流程如圖5所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前高校教室管理中存在的問題，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在高校教室智能化、節(jié)能化等方面展開了探索和研究。設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種基于ZigBee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能網(wǎng)絡(luò)化教室管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含硬件與軟件兩個(gè)方面，一方面通過硬件設(shè)備對(duì)教室具體情況加以調(diào)整，另一方面通過軟件控制實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的教室智能化網(wǎng)絡(luò)管理。本系統(tǒng)具有較好的教室管理能力，能夠滿足日常教學(xué)、管理、維護(hù)等要求，具有很好的應(yīng)用前景。