基于Zigbee的無線智慧校園網(wǎng)設(shè)計(jì)

摘 要：本文在研究Zigbee技術(shù)和無線智慧校園國內(nèi)外建設(shè)情況的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國無線智慧校園實(shí)際應(yīng)用需求，提出了一套基于Zigbee的無線智慧校園解決方案。

關(guān)鍵詞：Zigbee；web；校園無線網(wǎng)絡(luò)；智慧校園

中圖分類號(hào)：TP212.9；TN929.5

隨著“數(shù)字化校園”建設(shè)進(jìn)展的推進(jìn)，各個(gè)高校都已經(jīng)基本建設(shè)成了基于光纖為主干線路的校園有線網(wǎng)。基于物聯(lián)網(wǎng)的無線智慧校園網(wǎng)的建設(shè)就是在校園已有的有線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)框架上，進(jìn)一步部署校園無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)通信網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)校園教學(xué)樓、辦公樓、學(xué)生宿舍、教職工宿舍和其他公共場(chǎng)所的無線全覆蓋。無線智慧校園=校園+物聯(lián)網(wǎng)+云計(jì)算+智慧化設(shè)備，它通過物聯(lián)網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)更加合理和人性化的服務(wù)和管理。智慧校園通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)人與人之間、人與物之間、物與物之間、人與信息資源之間以及信息資源與信息資源之間的通信。它的最高階段就是校園服務(wù)和管理各部分都是由物與物之間智慧化地完成，無需人工干預(yù)，從而達(dá)到“智慧”狀態(tài)，向廣大師生提供更加人性化的服務(wù)。

近幾年來，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與移動(dòng)通信技術(shù)的不斷深入發(fā)展促使了新一代信息通信技術(shù)——物聯(lián)網(wǎng)的形成與發(fā)展。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究與應(yīng)用，利用物聯(lián)網(wǎng)可以解決傳統(tǒng)意義上互聯(lián)網(wǎng)沒有考慮的與物件互接的問題。就此，這將有力地推動(dòng)校園信息化向下一個(gè)階段——“無線智慧校園”的發(fā)展，為高校數(shù)字化資源與信息化系統(tǒng)的高效整合提供更有利的條件，更好地為廣大師生的工作、學(xué)習(xí)和日常生活服務(wù)。Zigbee技術(shù)是其中很重要的一種。

Zigbee技術(shù)作為一種新興的遠(yuǎn)距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率、可愈的雙向無線通信技術(shù)完全適用于無線校園系統(tǒng)，成為連接各個(gè)傳感器單元的絡(luò)技術(shù)，其層次化的結(jié)構(gòu)和多樣化的功能能夠很好地解決物聯(lián)網(wǎng)中無線傳感器節(jié)點(diǎn)間網(wǎng)絡(luò)連接的問題，因此，zigbee技術(shù)能夠很好地應(yīng)用于智慧校園網(wǎng)的建設(shè)當(dāng)中，成為連接各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

1 關(guān)鍵技術(shù)——Zigbee

1.1 概念及特點(diǎn)

Zigbee技術(shù)是由Zigbee聯(lián)盟提出的一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的短距離、低速率、低功耗的無線通信技術(shù)[1]。

由于其層次化的結(jié)構(gòu)和多樣化的功能能夠很好地解決物聯(lián)網(wǎng)中無線傳感器節(jié)點(diǎn)間網(wǎng)絡(luò)連接的問題，因此，Zigbee技術(shù)能夠很好地應(yīng)用于智慧校園網(wǎng)的建設(shè)當(dāng)中，成為連接各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。其主要具有以下特點(diǎn)[2]：（1）低功耗，可用電池供電；（2）低但可靠的數(shù)據(jù)傳輸率；（3）可同時(shí)支持多節(jié)點(diǎn)的連接；（4）支持動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)；（5）支持自組織性網(wǎng)絡(luò)；（6）網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大。

1.2 體系結(jié)構(gòu)

Zigbee網(wǎng)絡(luò)自上而下分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、媒體訪問控制層和物理層，其體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[3]。（1）應(yīng)用層：該層由應(yīng)用框架、Zigbee設(shè)備對(duì)象和應(yīng)用支持子層組成，其主要負(fù)責(zé)各個(gè)應(yīng)用對(duì)象的運(yùn)行。（2）網(wǎng)絡(luò)層：該層主要提供網(wǎng)絡(luò)管理、路由管理、網(wǎng)絡(luò)信息轉(zhuǎn)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)安全管理等功能，從而形成自組網(wǎng)機(jī)制。（3）媒體訪問控制層：該層主要為高層提供數(shù)據(jù)編址、CSMA/CA訪問機(jī)制、信標(biāo)等功能支持。（4）物理層：該層主要負(fù)責(zé)WPAN設(shè)備通訊頻段的分配，從而避免干擾的產(chǎn)生。

圖1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖

1.3 網(wǎng)狀Zigbee網(wǎng)絡(luò)

該Zigbee網(wǎng)的組建方式與樹型Zigbee網(wǎng)類似，不同的是其各層路由器之間也進(jìn)行了連接[4]，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)狀Zigbee網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

該網(wǎng)狀Zigbee網(wǎng)是基于樹型Zigbee網(wǎng)改進(jìn)的，其具有網(wǎng)絡(luò)自組織功能，即源節(jié)點(diǎn)與終節(jié)點(diǎn)之間的通信路徑并不唯一，當(dāng)其中某臺(tái)路由器發(fā)生故障時(shí)，該網(wǎng)狀Zigbee網(wǎng)絡(luò)能夠啟用網(wǎng)絡(luò)自組織功能尋找另一條替代通信路徑[5]。本文采用的技術(shù)就是網(wǎng)狀Zigbee網(wǎng)。

2 具體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園網(wǎng)主要有以下三種網(wǎng)絡(luò)組建而成：

（1）校園有線網(wǎng)。該網(wǎng)絡(luò)是指目前各個(gè)高校已經(jīng)建成的校園主干網(wǎng)，在整個(gè)智慧校園網(wǎng)內(nèi)，該網(wǎng)絡(luò)主要作為校園主干線路網(wǎng)絡(luò)，承擔(dān)校園主干線路的大數(shù)據(jù)量通信。目前主流的高速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要有ATM技術(shù)、光纖分布式接口（FDDI）、千兆以太網(wǎng)（Gigabit Ethernet）和快速以太網(wǎng)[6]。鑒于快速以太網(wǎng)技術(shù)能夠有效地支持3、4、5類雙絞線和光纖的連接，以及有效地利用各個(gè)高?，F(xiàn)有的設(shè)備，本基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園設(shè)計(jì)方案網(wǎng)仍選用快速以太網(wǎng)作為校園主干網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

（2）校園無線傳感器網(wǎng)（WSN）。在整個(gè)智慧校園網(wǎng)內(nèi)，該網(wǎng)絡(luò)主要作為校園各個(gè)局部區(qū)域（例如：宿舍樓、辦公樓、圖書館、教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓等）的網(wǎng)絡(luò)，承擔(dān)著該局部區(qū)域無線傳感器之間的通信。鑒于zigbee技術(shù)是一種新興的短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率、高可靠性、可愈的雙向無線通信技術(shù)和其層次化的結(jié)構(gòu)和多樣化的功能能夠很好地解決物聯(lián)網(wǎng)中無線傳感器節(jié)點(diǎn)間網(wǎng)絡(luò)連接的問題，因此，本基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園網(wǎng)設(shè)計(jì)選用其作為校園無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心支撐技術(shù)[7～9]。

（3）移動(dòng)通信網(wǎng)。在整個(gè)智慧校園網(wǎng)內(nèi)，該網(wǎng)絡(luò)主要承擔(dān)校園手機(jī)短信息的收發(fā)。該網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)工作主要由智慧校園合作方——移動(dòng)通信服務(wù)提供商負(fù)責(zé)。

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

（1）整個(gè)無線智慧校園網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

由于各個(gè)校園的規(guī)模和建筑物地理分布的不同，其校園網(wǎng)具體搭建方式也各不相同，但其整個(gè)校園網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可大致相同。

本基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園網(wǎng)采用“物理上總線型，邏輯上星型”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

（2）基于Zigbee的校園無線傳感器網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

由上一小節(jié)的論述可知，Zigbee支持星型、樹型和網(wǎng)狀三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，星型Zigbee網(wǎng)可看作為簡化版的樹型Zigbee網(wǎng)，兩者都具有邏輯層次鮮明的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在“整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能受協(xié)調(diào)中心的制約、通信路徑唯一、通信不可靠”的缺點(diǎn)；網(wǎng)狀Zigbee網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)自組織能力，具有靈活、通信可靠的優(yōu)點(diǎn)。

因此，我們?cè)谶M(jìn)行智慧校園無線傳感器網(wǎng)建設(shè)時(shí)，可依據(jù)各局部區(qū)域的實(shí)際情況（所需布置傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)、覆蓋范圍、數(shù)據(jù)通信量、數(shù)據(jù)傳輸速率等）部署不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

下面舉一個(gè)利用基于Zigbee校園無線傳感器網(wǎng)實(shí)現(xiàn)學(xué)生上課考勤統(tǒng)計(jì)的應(yīng)用事例。圖4為該教室設(shè)備分布示意圖。

圖4 教室設(shè)備分布示意圖

其中，Zigbee協(xié)調(diào)中心布置于教室中心，每一個(gè)攜帶配置RFID-SIM卡手機(jī)的學(xué)生作為Zigbee終端設(shè)備。考慮到教室組網(wǎng)這個(gè)特殊的環(huán)境，包括每一個(gè)課堂的學(xué)生和教師人數(shù)較多，使得Zigbee終端分布密集。因此，在此種情況如果部設(shè)樹型Zigbee網(wǎng)的話，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸性能會(huì)受到一定的影響，所以這里最好部設(shè)網(wǎng)狀zigbee網(wǎng)。

通過上面的學(xué)生上課考勤統(tǒng)計(jì)應(yīng)用例子，我們可以發(fā)現(xiàn)，在終端節(jié)點(diǎn)較多的情況下，網(wǎng)狀Zigbee網(wǎng)不僅比樹型Zigbee網(wǎng)和星型Zigbee網(wǎng)更為靈活和可靠，而且在網(wǎng)絡(luò)傳輸更為高效。因此，基于校園終端設(shè)備數(shù)量較多這一實(shí)際情況出發(fā)，我們?cè)谶M(jìn)行校園無線傳感器網(wǎng)組網(wǎng)時(shí)，如果不是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較簡單，或?qū)K端的數(shù)據(jù)傳輸有嚴(yán)格的中繼和管理要求時(shí)，我們應(yīng)優(yōu)先考慮網(wǎng)狀拓?fù)洹?/p>

2.2 三網(wǎng)融合設(shè)計(jì)

本智慧校園網(wǎng)采用如圖5所示的方案進(jìn)行校園有線網(wǎng)、基于Zigbee的校園無線傳感器網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)的融合，即通過Zigbee網(wǎng)關(guān)設(shè)備的使用實(shí)現(xiàn)三者的融合。

圖5 三網(wǎng)融合示意圖

其中，通過Zigbee網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)總線內(nèi)置GSM模塊來實(shí)現(xiàn)與移動(dòng)通信網(wǎng)的連接；通過提供以太網(wǎng)接口以有線的方式或內(nèi)置無線上網(wǎng)卡（支持IEEE802.11 a/b/g①）以建立WLAN②的方式來實(shí)現(xiàn)與校園有線網(wǎng)的連接。另外，校園有線網(wǎng)通過總的學(xué)校網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)與Internet的連接。

3 結(jié)束語

本文在研究Zigbee技術(shù)和無線智慧校園國內(nèi)外建設(shè)情況的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國無線智慧校園實(shí)際應(yīng)用需求，提出了一套基于Zigbee的無線智慧校園解決方案，旨在解決目前數(shù)字校園所存在的校內(nèi)信息資源整合與共享、自動(dòng)身份識(shí)別、信息化保障機(jī)制和安全保障體系的搭建、信息資源及時(shí)采集與更新和校內(nèi)各信息系統(tǒng)集成等難題，為即將實(shí)施或正在實(shí)施無線智慧校園建設(shè)的各大院校提供參考和借鑒。

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注：

①802.11是IEEE最初制定的一個(gè)無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中，用戶與用戶終端的無線接入，業(yè)務(wù)主要限于數(shù)據(jù)存取，速率最高只能達(dá)到2Mbps。

②無線局域網(wǎng)絡(luò)（Wireless Local Area Networks；WLAN）是一種便利的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它是利用射頻（Radio Frequency；RF）的技術(shù)取代舊式礙手礙腳的雙絞銅線（Coaxial）所構(gòu)成的局域網(wǎng)絡(luò)。

作者簡介：鐘志文（1976-），男，廣東徐聞縣人，計(jì)算機(jī)講師，應(yīng)用電子技術(shù)工程師，大學(xué)學(xué)歷，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

作者單位：廣東省水產(chǎn)技工學(xué)校，廣州 510320