易丹　劉國(guó)成　霍睿

摘? ?要：目前高校教室正朝著智能化、節(jié)能化的方向發(fā)展。文章以廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院的傳統(tǒng)教室智能化升級(jí)改造為例，提出一種基于多協(xié)議無(wú)線混合組網(wǎng)技術(shù)的無(wú)線后裝系統(tǒng)解決方案，通過(guò)ZigBee，WiFi，HomeRF等無(wú)線后裝模塊的混合組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光、窗簾、空調(diào)等設(shè)備的智能控制以及AI語(yǔ)音控制、智能安防等功能。實(shí)踐證明，無(wú)線智能后裝系統(tǒng)節(jié)能效果好、穩(wěn)定可靠、操作方便，以較低的成本實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)教室智能化改造的目的。

關(guān)鍵詞：智能教室;無(wú)線混合組網(wǎng);后裝系統(tǒng)

高校傳統(tǒng)教室升級(jí)成智能教室，可采用前裝方案或后裝方案;根據(jù)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可采用有線方案或無(wú)線方案[1]。目前，后裝系統(tǒng)的教室智能升級(jí)改造普遍基于某一種無(wú)線技術(shù)，比如ZigBee或者WiFi，單一的組網(wǎng)技術(shù)存在一些弊端，如功能和場(chǎng)景較為單一、傳輸數(shù)據(jù)格式受限、能耗偏高等[2]。本文以廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱廣鐵職院）智能化教室升級(jí)改造為例，提出一種多協(xié)議無(wú)線混合組網(wǎng)技術(shù)的智能后裝方案。

1? ? 無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)解決方案

1.1? 無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)對(duì)比分析

智能家居的常用無(wú)線技術(shù)有WiFi，Bluetooth，HomeRF，Z-Wave，ZigBee等。不同的無(wú)線協(xié)議有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)不同的場(chǎng)景選擇合適的無(wú)線方案，吸納各自的優(yōu)點(diǎn)。WiFi的傳輸速度快，信號(hào)范圍可達(dá)100 m，平均傳輸速率可達(dá)到11 Mbps，但功耗相對(duì)較高，適合數(shù)據(jù)格式較大的多媒體數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳送;ZigBee功耗低、可接入節(jié)點(diǎn)數(shù)多、響應(yīng)時(shí)間短、傳輸慢、可自組網(wǎng)，適合傳輸字節(jié)數(shù)不多的場(chǎng)景，如傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù);Bluetooth接入節(jié)點(diǎn)數(shù)受限制;HomeRF速率快、安全可靠、支持流媒體等。

1.2? 基于多功能網(wǎng)關(guān)的ZigBee，WiFi和HomeRF兼容性解決方案

目前高校智能教室的無(wú)線組網(wǎng)一般基于某一種無(wú)線技術(shù)，使混合組網(wǎng)方案的通信干擾問(wèn)題一直存在。從ZigBee與WiFi工作時(shí)的頻譜看，工作頻率是互相沖突的。研究發(fā)現(xiàn)WiFi干擾的存在導(dǎo)致ZigBee網(wǎng)絡(luò)丟包率高達(dá)58%，從發(fā)射功率、CSMA機(jī)制的回退時(shí)間、數(shù)據(jù)幀間隔等參數(shù)，都可以看出WiFi節(jié)點(diǎn)在獲取信道方面具有壓倒性優(yōu)勢(shì)，對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響[3]。

本智能教室采用了一種基于ZigBee+WiFi+HomeRF的多協(xié)議混合組網(wǎng)技術(shù)，主控模塊采用貝樂(lè)智能科技有限公司的多功能智能網(wǎng)關(guān)，可兼容ZigBee，WiFi，HomeRF協(xié)議，干擾影響大幅減少。智能主機(jī)將ZigBee芯片JN5168和WiFi模塊集成在電路板上，芯片采用MuZi-Mulit Channel ZigBee（多通道ZigBee）通信機(jī)制算法，首先，通過(guò)ZigBee的信道空閑評(píng)估（CCA）機(jī)制，啟動(dòng)干擾檢測(cè)，對(duì)范圍內(nèi)的干擾級(jí)別進(jìn)行評(píng)估，若WiFi和HomeRF干擾達(dá)到一定程度，則啟動(dòng)信道切換過(guò)程。其次，為避免信號(hào)頻繁切換，最小化全網(wǎng)目標(biāo)的信號(hào)數(shù)量，每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)維護(hù)一張鄰居信道表，當(dāng)信道進(jìn)行切換時(shí)，將其選擇的目標(biāo)信道通知其臨近節(jié)點(diǎn)[4]。

2? ? 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要完成對(duì)教室中各項(xiàng)環(huán)境信息、空間信息等的獲取，通過(guò)ZigBee，WiFi，HomeRF模塊將數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)，手機(jī)APP可通過(guò)4G模塊遠(yuǎn)程控制教室中各類電器的工作狀態(tài)。本系統(tǒng)硬件模塊由主控模塊、傳感檢測(cè)模塊、電器控制模塊、安防報(bào)警模塊、AI語(yǔ)音控制模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

主控模塊由智能網(wǎng)關(guān)主機(jī)、上位機(jī)PC組成。智能網(wǎng)關(guān)主機(jī)兼容多協(xié)議無(wú)線混合組網(wǎng)，自組網(wǎng)、自恢復(fù)、高度穩(wěn)定，通過(guò)串口連接上位機(jī)PC，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和各個(gè)模塊之間的信息傳遞。傳感檢測(cè)模塊由傳感器節(jié)點(diǎn)和ZigBee無(wú)線模塊組成，傳感器節(jié)點(diǎn)包括室內(nèi)溫濕度檢測(cè)、光照度檢測(cè)、人體存在感應(yīng)檢測(cè)、煙霧檢測(cè);ZigBee無(wú)線模塊采用基于CC2530的射頻模塊。電器控制模塊由單片機(jī)、智能電器和ZigBee無(wú)線模塊組成，包括空調(diào)、智能窗簾、電燈、背景音樂(lè)的開關(guān)控制等，通過(guò)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和遠(yuǎn)程控制。安防報(bào)警模塊包括攝像頭和紅外傳感器，攝像頭采用WiFi模塊與主控模塊通信;紅外傳感器通過(guò)傳輸接口單元，與主控模塊進(jìn)行通信。AI語(yǔ)音控制模塊由基于X1800核心板的AI語(yǔ)音控制平臺(tái)和WiFi無(wú)線模塊組成。

3? ? 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1? 模塊選型和組網(wǎng)

系統(tǒng)所有模塊及系統(tǒng)元件采用貝樂(lè)智能科技有限公司的模塊化產(chǎn)品。系統(tǒng)各個(gè)無(wú)線模塊功能如表1所示。

系統(tǒng)組網(wǎng)基于ZigBee+WiFi+ HomeRF的混合協(xié)議組網(wǎng)：WiFi模塊負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、LCD 終端顯示、AI智能語(yǔ)音控制和背景音樂(lè)數(shù)據(jù)傳輸功能;ZigBee模塊負(fù)責(zé)光照度、煙霧、紅外等傳感器終端的數(shù)據(jù)采集以及燈光、空調(diào)和窗簾等終端的智能控制功能;HomeRF模塊負(fù)責(zé)智能插座、智能門鎖等終端控制功能。

智能教室無(wú)線后裝系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2? 傳感檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

傳感檢測(cè)模塊包括煙霧檢測(cè)、光照度檢測(cè)、溫濕度檢測(cè)和人體紅外感應(yīng)，采用ZigBee通信協(xié)議的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，智能網(wǎng)關(guān)作為PAN協(xié)調(diào)器與多個(gè)終端設(shè)備組合而成，終端設(shè)備包括傳感器、智能開關(guān)、照明等，用來(lái)控制窗簾、空調(diào)、燈光等。ZigBee模塊選擇的是TI公司的CC2530芯片，包括一個(gè)高性能的RF收發(fā)器，并集成8051微處理器以及其他強(qiáng)大的支持功能和外設(shè)。把環(huán)境采集節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)等設(shè)備和協(xié)調(diào)器設(shè)備組網(wǎng)，形成ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)。

3.3? 電器控制模塊設(shè)計(jì)

智能電器控制模塊包括智能窗簾控制、智能燈光控制、空調(diào)控制、智能插座、背景音樂(lè)等功能，其中窗簾控制、燈光控制、空調(diào)控制基于ZigBee協(xié)議通信組網(wǎng)，智能插座和背景音樂(lè)控制基于WiFi通信組網(wǎng)。

3.4? 安防報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

3.4.1? 基于WiFi的視頻監(jiān)控模塊

視頻監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)對(duì)教室視頻圖像的采集、傳輸和處理，包括無(wú)線視頻節(jié)點(diǎn)（攝像機(jī)）和視頻信息集成中心兩個(gè)部分，二者采用WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。WiFi可以連接服務(wù)器和手持設(shè)備等終端，可與4G，5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等相關(guān)技術(shù)集成，適合多媒體數(shù)據(jù)格式的無(wú)線傳輸，為提高傳輸速率，在視頻圖像傳輸時(shí)需要對(duì)圖像壓縮編碼[5]。

3.4.2? 基于ZigBee的人體紅外感應(yīng)報(bào)警

教室門鎖關(guān)閉情境下，智能網(wǎng)關(guān)主機(jī)設(shè)置成布防模式，開啟人體紅外監(jiān)測(cè)傳感器監(jiān)測(cè)和與之聯(lián)動(dòng)的自動(dòng)報(bào)警燈裝置。在人體紅外傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到異常信息時(shí)，向ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)報(bào)告信息內(nèi)容，由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)WiFi或者4G網(wǎng)絡(luò)向用戶發(fā)送報(bào)警信息。

3.4.3? 基于4G模塊的手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控

遠(yuǎn)程用戶通過(guò)4G模塊與智能網(wǎng)關(guān)主機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制管理;智能網(wǎng)關(guān)主機(jī)集成ESP8266芯片，芯片具有超高集成度、超低功耗、體積小等特點(diǎn)，可將用戶的物理設(shè)備連接到WiFi網(wǎng)絡(luò)以進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，為用戶提供外部網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控、報(bào)警功能。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

廣鐵職院智能教室采用基于無(wú)線混合組網(wǎng)技術(shù)的智能后裝系統(tǒng)解決方案，差異化的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合不同場(chǎng)景的運(yùn)用，充分利用各種短距離無(wú)線組網(wǎng)協(xié)議的優(yōu)勢(shì)，2017年投入使用，比傳統(tǒng)教室節(jié)約20%～30%的電能，還節(jié)約了人力，降低了相關(guān)費(fèi)用的支出。在提高無(wú)線混合組網(wǎng)的性能方面，今后還需在如下幾個(gè)方面做出改進(jìn)：

（1）對(duì)于無(wú)線混合組網(wǎng)的終端用戶，很多參數(shù)的設(shè)置都是預(yù)先設(shè)定好的，如何在面對(duì)復(fù)雜變化的網(wǎng)絡(luò)時(shí)做出動(dòng)態(tài)的應(yīng)對(duì)，還需要進(jìn)一步思考解決。

（2）ZigBee網(wǎng)絡(luò)的干擾不僅來(lái)自于教室內(nèi)部，也可能來(lái)自于教室外部，如何在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中采用合適的機(jī)制、降低WLAN網(wǎng)絡(luò)的占空比，也是今后需要解決的問(wèn)題[6]。

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Abstract：At present， the college classroom is developing towards the direction of intelligence and energy saving. This paper takes the intelligent upgrading of the traditional classroom of Guangzhou Railway Polytechnic as an example， and proposes a solution of wireless post installation system based on multi protocol wireless hybrid networking technology. Through the hybrid networking of ZigBee， WiFi， HomeRF and other wireless post modules， the system can realize the intelligent control of lighting， curtain， air conditioning， door lock and other equipment， AI voice control， intelligent security. Practice has proved that the wireless intelligent post installation system has good energy-saving effect， stability and reliability， easy operation， and realizes the purpose of intelligent transformation of traditional classroom at a lower cost.

Key words：intelligent classroom; wireless hybrid networking; post installation system