歐陽(yáng)宏志，胡 清，張 韻

(南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001)

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

歐陽(yáng)宏志，胡 清，張 韻

(南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001)

高校師生規(guī)模不斷在擴(kuò)大，學(xué)校各種資源之間矛盾加劇，不利于實(shí)時(shí)監(jiān)控，安全隱患也隨之提高﹒為解決此問(wèn)題，以教室為中心，構(gòu)建了一個(gè)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(xué)習(xí)和生活；教室內(nèi)溫濕度、可燃?xì)怏w含量等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，營(yíng)造一個(gè)舒適安全的校園環(huán)境﹒以Zigbee技術(shù)進(jìn)行傳感器組網(wǎng)，結(jié)合TI公司CC2530芯片和ZStack協(xié)議棧進(jìn)行設(shè)計(jì)﹒實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)組網(wǎng)高效、能耗低、可靠性高，實(shí)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)

發(fā)展無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將設(shè)備從有線連接變?yōu)闊o(wú)線連接，方便使用，已成為一種必然趨勢(shì)﹒無(wú)線通信技術(shù)激烈的競(jìng)爭(zhēng)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(diǎn)脫穎而出﹒對(duì)工業(yè)控制而言，藍(lán)牙技術(shù)顯得太復(fù)雜，且功耗大、距離近、組網(wǎng)規(guī)模太小；移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)投入太大，通信速率低且費(fèi)用高﹒基于Zigbee的無(wú)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(diǎn)[1]﹒現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)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(lái)的研究并不多﹒

近些年來(lái)，各個(gè)高校都在探尋高效的校園管理辦法，以南京郵電大學(xué)和浙江大學(xué)為代表的高校對(duì)智慧校園建設(shè)進(jìn)行了積極探索﹒大學(xué)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(diǎn)必將為今后物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[2]﹒構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)智慧校園既是時(shí)勢(shì)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(wú)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(wú)線擴(kuò)展，理論上可以是由65 536個(gè)無(wú)線模塊組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)﹒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(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)支持3種拓?fù)洌盒切?、?shù)型和網(wǎng)狀型﹒Zigbee技術(shù)基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，是實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種重要技術(shù)﹒Zigbee易于實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式、自組織和低功耗的特點(diǎn)﹒

2 系統(tǒng)架構(gòu)與硬件設(shè)計(jì)

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(jì)時(shí)可以不區(qū)分，由軟件設(shè)置的標(biāo)志位加以識(shí)別﹒校園管理監(jiān)控系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器與終端無(wú)線通信，與 PC機(jī)上的上位機(jī)通過(guò)串口連接，上位機(jī)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(tái)為主的特點(diǎn)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(diǎn)

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(shí)現(xiàn)了教室內(nèi)人走燈滅、自動(dòng)開(kāi)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(diǎn)

通過(guò)點(diǎn)名、磁卡和接觸式IC卡等方式對(duì)學(xué)生到課情況進(jìn)行考勤、記錄管理，既耗時(shí)又相互干擾；而非接觸式學(xué)生考勤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了利用無(wú)線射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)對(duì)學(xué)生考勤進(jìn)行管理，既方便快捷，又省時(shí)廉價(jià)[6]﹒

系統(tǒng)工作過(guò)程：當(dāng)持有學(xué)生基本信息的非接觸式IC卡—Mifare One卡進(jìn)入MFRC522讀卡器天線作用范圍內(nèi)時(shí)，卡片獲得能量以維持卡內(nèi)電路工作；終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)控制讀卡器進(jìn)行一系列“尋卡→防沖突→選卡→讀/寫(xiě)卡”操作，如果成功，將讀取卡片上的學(xué)生信息；終端將學(xué)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(kù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的學(xué)生信息，得到本次課堂已到和缺課學(xué)生的人數(shù)及姓名，然后對(duì)信息進(jìn)行顯示并傳遞給上位機(jī)系統(tǒng)以便后臺(tái)查詢(xún)管理﹒

2.3 溫濕度、可燃?xì)怏w及地震檢測(cè)節(jié)點(diǎn)

溫濕度傳感器采用DHT11傳感器，濕度測(cè)量范圍：20%～95%；溫度測(cè)量范圍：0 ℃～50 ℃﹒系統(tǒng)通過(guò)分析溫濕度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)決定是否開(kāi)啟制冷裝置進(jìn)行控制﹒

可燃?xì)怏w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(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大[7]﹒通過(guò)電阻分壓將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電信號(hào)后，再經(jīng)比較器電路輸出高低電平，用于判斷空氣中可燃?xì)怏w濃度是否超標(biāo)﹒

震動(dòng)傳感器采用SW-420常閉型震動(dòng)傳感器，結(jié)合比較器電路，使電路檢測(cè)到震動(dòng)時(shí)輸出高電平信號(hào)并進(jìn)行地震報(bào)警﹒環(huán)境檢測(cè)模塊電路如圖4所示﹒

圖4 環(huán)境檢測(cè)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(shí)現(xiàn)不同的供電模式﹒學(xué)校下課等空暇時(shí)間段設(shè)備自行進(jìn)入休眠模式，也可人為按鍵操控，選擇是否進(jìn)入休眠﹒休眠有利于延長(zhǎng)供電電池的壽命，低功耗運(yùn)行﹒

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)

每個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)中只允許有1個(gè)協(xié)調(diào)器，它具有最高網(wǎng)絡(luò)權(quán)限，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)者[8]﹒網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器最先啟動(dòng)，啟動(dòng)后進(jìn)行能量檢測(cè)，檢測(cè)工作區(qū)域內(nèi)所指定信道上有無(wú)其它設(shè)備在工作﹒協(xié)調(diào)器根據(jù)檢測(cè)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(dòng)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(qǐng)求后，若允許請(qǐng)求，則分配一個(gè)短地址給終端，并發(fā)送相應(yīng)原語(yǔ)，請(qǐng)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(shí)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(gè)數(shù)較多、類(lèi)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(hào)由各自的終端設(shè)備傳輸給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器對(duì)各類(lèi)傳感器信號(hào)進(jìn)行輪詢(xún)，實(shí)時(shí)處理﹒傳感器的協(xié)調(diào)方式遵循分布式、自組織的特點(diǎn)﹒

3.3 程序流程及上位機(jī)

本系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)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(jī)通信﹒協(xié)調(diào)器工作流程如圖5所示﹒終端節(jié)點(diǎn)分別實(shí)現(xiàn)燈光控制、考勤和環(huán)境監(jiān)測(cè)功能，成功入網(wǎng)后開(kāi)啟各自功能，并與協(xié)調(diào)器無(wú)線通信﹒終端程序流程如圖6所示﹒上位機(jī)位于PC終端，通過(guò)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(jī)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(jī)界面

4 實(shí)測(cè)結(jié)果與分析

教室管理員或教師可以通過(guò)上位機(jī)軟件(或APP)查看班級(jí)考勤情況和教室環(huán)境數(shù)據(jù)，對(duì)學(xué)生狀況和教室情況進(jìn)行監(jiān)控，學(xué)生也可以利用該系統(tǒng)的大屏幕了解校園安全狀況，及時(shí)作出反應(yīng)﹒各功能測(cè)試結(jié)果如表1所示﹒實(shí)測(cè)情況表明系統(tǒng)功能可靠、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，可用于實(shí)際工程(由于氣體濃度報(bào)警閾值未知，地震震級(jí)與震動(dòng)傳感器的測(cè)量值關(guān)系不明確等原因，測(cè)試結(jié)果僅供參考)﹒

表1 實(shí)測(cè)情況統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)語(yǔ)

社會(huì)各界越來(lái)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(shí)現(xiàn)管理智能化，資源浪費(fèi)嚴(yán)重﹒本文設(shè)計(jì)并實(shí)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(cè)、危險(xiǎn)報(bào)警、智能考勤和燈光控制等多個(gè)方面﹒對(duì)教室的實(shí)時(shí)監(jiān)控既方便了師生的學(xué)習(xí)生活，同時(shí)也保證了校園安全，有一定的實(shí)用價(jià)值﹒

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(責(zé)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(yáng)市科技局項(xiàng)目(2014KG71)

歐陽(yáng)宏志(1982- )，男，湖南衡陽(yáng)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