基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)樓管理系統(tǒng)在高校中的應(yīng)用

明亮

摘 要：ZigBee技術(shù)是一種全新的短距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，其專注于商業(yè)建筑自動化、工廠車間管理和家庭居住控制這三大無線傳感器網(wǎng)絡(luò)市場領(lǐng)域。一個基于ZigBee的教學(xué)樓管理系統(tǒng)，可以將傳統(tǒng)的教學(xué)樓變成全新的現(xiàn)代化教學(xué)樓，為高校師生的學(xué)習(xí)和生活提供便利。

關(guān)鍵詞：高校；ZigBee技術(shù)；教學(xué)樓管理；應(yīng)用

進(jìn)入信息時代后，各類高校要提高教育教學(xué)水平就必須借助信息技術(shù)來提高學(xué)校的生產(chǎn)效率和管理水平。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展使得網(wǎng)絡(luò)從基礎(chǔ)架構(gòu)到維護(hù)和管理都變得十分簡單和智能，可以讓高校根據(jù)自身的情況，按照實際的經(jīng)濟(jì)條件來構(gòu)建自己的無線網(wǎng)絡(luò)。用于無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資，對于高校而言不再成為一個負(fù)擔(dān)。ZigBee技術(shù)是一種全新的短距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，其專注于商業(yè)建筑自動化、工廠車間管理和家庭居住控制這三大無線傳感器網(wǎng)絡(luò)市場領(lǐng)域。一個基于ZigBee的教學(xué)樓管理系統(tǒng)，可以將傳統(tǒng)的教學(xué)樓變成全新的現(xiàn)代化教學(xué)樓，為高校師生的學(xué)習(xí)和生活提供便利。

一、系統(tǒng)整體設(shè)計以及所實現(xiàn)的功能

基于ZigBee的教學(xué)樓管理系統(tǒng)便于安裝與調(diào)試，功耗較低，并且改變了過去的監(jiān)測過程受限、有線系統(tǒng)布線復(fù)雜的缺點，因此性價比較高。

本系統(tǒng)由匯聚數(shù)據(jù)的模塊（協(xié)調(diào)器）、顯示模塊（液晶顯示屏）、熱釋電紅外傳感器模塊（人數(shù)統(tǒng)計模塊）、溫度傳感器模塊、光熱傳感器模塊和路由模塊（路由器）六部分組成。

其中，熱釋電紅外傳感器模塊（人數(shù)統(tǒng)計模塊）、溫度傳感器模塊和光熱傳感器模塊為數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點。匯聚數(shù)據(jù)的模塊需要組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并且要實現(xiàn)溫度傳感器模塊、光熱傳感器模塊和熱釋電紅外傳感器模塊與上位機(jī)（PC）之間透明的數(shù)據(jù)傳輸；溫度傳感器模塊需要采集、保存以及傳遞溫度數(shù)據(jù)；光熱傳感器模塊需要采集、保存以及傳遞光照數(shù)據(jù)；熱釋電紅外傳感器模塊需要采集、保存以及傳遞人數(shù)數(shù)據(jù)；路由模塊則需要將所有的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去。

由于上位機(jī)擁有的監(jiān)控界面能夠設(shè)置傳感器模塊的工作方式，因此數(shù)據(jù)匯聚模塊是通過串口與上位機(jī)連接在一起。上位機(jī)通過數(shù)據(jù)匯聚模塊將收集到的不同教室的數(shù)據(jù)整理后分別顯示在相應(yīng)教室的顯示模塊上。多個溫度和光熱傳感器節(jié)點置于不同的教室區(qū)域，熱釋電紅外傳感器放置在每一個教室門口，所有的數(shù)據(jù)通過每個傳感器節(jié)點傳送給了匯聚節(jié)點，然后匯聚節(jié)點再對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合之后把它通過串口上傳給上位機(jī)，讓上位機(jī)對其進(jìn)行深一步處理，從而給用戶以顯示。傳感器模塊節(jié)點與匯聚模塊的距離太遠(yuǎn)，或者是待檢測的區(qū)域障礙物比較多時，可以適當(dāng)增加路由器的數(shù)量來穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)。

監(jiān)控傳感器模塊的工作狀態(tài)和能量的情況，對于上位機(jī)的監(jiān)控界面來說是很需要的。在監(jiān)控界面上可以設(shè)置傳感器的工作模式，而且可以顯示所有數(shù)據(jù)的地址。

整個教學(xué)樓管理系統(tǒng)如下所示（篇幅所限，圖略）：

遠(yuǎn)程監(jiān)控→系統(tǒng)服務(wù)器→（公共網(wǎng)絡(luò)）→樓宇管理計算機(jī)→（RS232）→數(shù)據(jù)匯聚模塊→（無線傳輸）→一定數(shù)量的無線節(jié)點（無線節(jié)點1、無線節(jié)點2、無線節(jié)點3、無線節(jié)點4、無線節(jié)點5……）→一定數(shù)量的傳感模塊（傳感模塊1、傳感模塊2、傳感模塊3、傳感模塊4、傳感模塊5……）→各個教室（教室1、教室2、教室3、教室4、教室5……）

二、在高校中的應(yīng)用

在各個院校中，通常沒有很復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。因此，我們可以將節(jié)點設(shè)備安裝在每間教室，接通電源后系統(tǒng)將自動組網(wǎng)，Zigbee發(fā)送模塊將每間教室采集到的人數(shù)流量、光照、濕度、溫度等信息實時地發(fā)送到主控室的Zigbee接收模塊上，數(shù)據(jù)再通過串口送入計算機(jī)，每間教室的各種信息通過網(wǎng)頁進(jìn)行顯示。本設(shè)計構(gòu)建了高性能的雙向無線通信網(wǎng)絡(luò)，具有低成本、低功耗、低復(fù)雜度、自動組建、方便維護(hù)、操作安全的特點，可以實現(xiàn)多個傳感器同時檢測，實時傳輸及自動控制的功能，具有很強(qiáng)的實用性。另外，本設(shè)計將實時傳輸?shù)臏y控數(shù)據(jù)通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行顯示，使用可連接入網(wǎng)的設(shè)備，訪問者就能夠隨時隨地登錄并獲取教學(xué)信息，高效而靈活；同時設(shè)立了后臺管理系統(tǒng)，方便學(xué)校管理員監(jiān)控和更新相關(guān)教室信息。

教學(xué)樓無線數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)，若通過與照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)情況自動控制照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)的開閉，可以達(dá)到節(jié)能減排、杜絕浪費的目的。

作為一種全新的短距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee應(yīng)用廣泛。通過ZigBee，我們可以將傳統(tǒng)的教學(xué)樓變成全新的現(xiàn)代化教學(xué)樓，組建四通八達(dá)的教學(xué)網(wǎng)絡(luò)，改善辦學(xué)條件，更好地進(jìn)行教學(xué)工作。

而要組建一個可靠性好、實用性強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃與設(shè)計的成敗決定著該網(wǎng)絡(luò)能否滿足校園預(yù)期的要求和功能。同樣，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與設(shè)計的好壞決定著該網(wǎng)絡(luò)是否可用、是否有實用價值。本設(shè)計通過軟硬聯(lián)調(diào)，可以實現(xiàn)多條數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，并實現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與顯示，通過串口可以將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)及路由效果良好。在短距離內(nèi)，星形網(wǎng)絡(luò)的連接可以保持通暢，各節(jié)點設(shè)備之間能夠?qū)崿F(xiàn)通信。

本設(shè)計完成了無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計和底層硬件的具體實現(xiàn)，達(dá)到了預(yù)期要求，系統(tǒng)穩(wěn)定性、響應(yīng)速度等性能滿足教學(xué)實際需求。該系統(tǒng)可同時對多個區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，同時安裝維護(hù)簡單，可以根據(jù)具體要求在數(shù)據(jù)采集模塊上進(jìn)行相應(yīng)傳感器的擴(kuò)充，以完成特定數(shù)據(jù)采集。還可以將人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)升級，比如采用人臉成像識別技術(shù)。這樣，不僅能統(tǒng)計人數(shù)，還能識別上課的都是哪些學(xué)生。如此，就可以大大節(jié)約老師的點名時間，也便于學(xué)校的教學(xué)管理。

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（河南省洛陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院）