一種基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

李保華+趙澄東

【摘 要】本文針對(duì)教育資源配置不均衡和社會(huì)對(duì)渴望得到高水平教育趨勢(shì)加速的現(xiàn)狀，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程教育監(jiān)控系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，簡(jiǎn)單介紹了物聯(lián)網(wǎng)、ZigBee和GPRS等各個(gè)模塊的原理及其應(yīng)用，并對(duì)該系統(tǒng)的總體構(gòu)成及基本原理進(jìn)行詳細(xì)論述。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、節(jié)點(diǎn)靈活等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)條件下的遠(yuǎn)程教育監(jiān)控。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee；GPRS；遠(yuǎn)程教育

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程教育[1]，是利用傳感技術(shù)，將一枚大至手機(jī)或小到指甲片大小的傳感器固定在教室或者講堂，傳感器的一個(gè)終端嵌入和裝備到教育教學(xué)檢測(cè)設(shè)備中，教師通過(guò)自己的手機(jī)或電腦連接到另一終端后，可隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)對(duì)受教育者的受教情況、作業(yè)情況和意見(jiàn)反饋。

1 物聯(lián)網(wǎng)基本原理

物聯(lián)網(wǎng)是將各種信息傳感設(shè)備，如射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來(lái)而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。典型的物聯(lián)網(wǎng)由三大部分組成，即RFID系統(tǒng)、中間件Savant系統(tǒng)和Internet系統(tǒng)，其中RFID系統(tǒng)主要包括RFID電子標(biāo)簽（Tag）、閱讀器（Reader）及數(shù)據(jù)交換和管理系統(tǒng)（Processor）軟件，如圖1所示。閱讀器在接收到來(lái)自電子標(biāo)簽的載波信息，并對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)和解碼后，會(huì)將其信息送至計(jì)算機(jī)中的中間件Savant系統(tǒng)軟件進(jìn)行處理，處理后傳送到Internet，然后再在Internet上利用ONS找到這個(gè)物品信息所存儲(chǔ)的位置，由ONS給Savant系統(tǒng)指明存儲(chǔ)這個(gè)物品的有關(guān)信息的服務(wù)器，并將這個(gè)文件中的關(guān)于這個(gè)物品的信息傳遞過(guò)來(lái)[2]。

2 ZigBee模塊

ZigBee，是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一組基于IEEE802.15.4無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)。它采用DSSS擴(kuò)頻技術(shù)，使用的頻段是2.45GHz的超高頻段，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸速度快，主要適用于智能交通、環(huán)境保護(hù)、政府工作、智能家居、工業(yè)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程教育等領(lǐng)域，可以嵌入到各種設(shè)備中，還支持地理定位功能。

ZigBee是一個(gè)低成本、低功耗的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。首先，它的低成本使之能廣泛適用于無(wú)線(xiàn)監(jiān)控方向的應(yīng)用；其次，低功耗使之能有更長(zhǎng)的工作周期；最后，它所支持的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)使之能有更強(qiáng)的可靠性和更廣的覆蓋范圍[3]。本文把ZigBee模塊嵌入到RFID系統(tǒng)中，具有更可靠的安全性和更好的組網(wǎng)特性。

3 GPRS模塊

GPRS是通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)，通過(guò)利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞，能提供比現(xiàn)有GSM網(wǎng)9.6kbps更高的數(shù)據(jù)率。因此，在GSM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建GPRS系統(tǒng)時(shí)，GSM系統(tǒng)中的絕大部分部件都不需要作硬件改動(dòng)，只需作軟件升級(jí)。

GPRS具有許多GSM系統(tǒng)所不具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。GPRS采用分組交換技術(shù)，允許用戶(hù)在端到端分組轉(zhuǎn)移下發(fā)送接收數(shù)據(jù)，區(qū)別與電路交換的GSM。特別適用于頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)然亦可用于傳輸大量數(shù)據(jù)，正適合工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域頻發(fā)、少量、實(shí)時(shí)性高的數(shù)據(jù)傳輸；數(shù)據(jù)傳輸率高，最高可達(dá)170kbps左右；用戶(hù)一直處于在線(xiàn)方式，接入時(shí)間縮短為少于1s，能提供快速即時(shí)的連接，可大幅度提高一些事務(wù)的效率。

4 物聯(lián)網(wǎng)教育系統(tǒng)構(gòu)建

物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程教育監(jiān)控系統(tǒng)主要是利用各種傳感器對(duì)受教育者所處的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地處理或者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程教育監(jiān)控中心。主要由三個(gè)部分組成：檢測(cè)到的有無(wú)人員在教育場(chǎng)所走動(dòng)、學(xué)生討論所發(fā)出的聲音分貝的高低、學(xué)生頻繁發(fā)生的肢體動(dòng)作圖像等參數(shù)監(jiān)控儀；無(wú)線(xiàn)監(jiān)控終端監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示及用戶(hù)管理的遠(yuǎn)程教育監(jiān)控中心。

傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，由于受到體積、價(jià)格和電源等因素的限制，其數(shù)據(jù)處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力均相對(duì)較弱，通信距離相對(duì)有限。

參數(shù)監(jiān)控儀包括有無(wú)人員在教育場(chǎng)所走動(dòng)、學(xué)生討論所發(fā)出的聲音分貝的高低、學(xué)生頻繁發(fā)生的肢體動(dòng)作圖像以及用于無(wú)線(xiàn)傳輸組網(wǎng)的Zigbee模塊。該部分具有適應(yīng)性強(qiáng)、使用方便、體積小、功耗低等特點(diǎn)。使用Zigbee技術(shù)使參數(shù)監(jiān)控儀和無(wú)線(xiàn)監(jiān)控終端分離開(kāi)， 進(jìn)一步減小了監(jiān)控儀的體積， 便于使用者隨時(shí)攜帶和安裝。

無(wú)線(xiàn)監(jiān)控終端主要用于數(shù)據(jù)的傳輸，包括Zigbee通信、GPRS 通信、數(shù)據(jù)記錄、液晶顯示、電源管理等模塊。該部分包括兩個(gè)流向的數(shù)據(jù)。從監(jiān)控儀發(fā)出的采集數(shù)據(jù)到達(dá)無(wú)線(xiàn)監(jiān)控端，經(jīng)過(guò)一定的處理后可以顯示、保存數(shù)據(jù)或者通過(guò)GPRS通信進(jìn)行上傳；從遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)出的查詢(xún)數(shù)據(jù)到達(dá)無(wú)線(xiàn)監(jiān)控終端，經(jīng)過(guò)一定處理后通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式到達(dá)監(jiān)控儀端，監(jiān)控儀按照查詢(xún)條件上傳符合要求的數(shù)據(jù)。

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通常具有較強(qiáng)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力，本文采用B/S模式的ASP.NET技術(shù)開(kāi)發(fā)的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心系統(tǒng)，使專(zhuān)業(yè)教育人員以動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的形式瀏覽、查詢(xún)并對(duì)受教育人員作出判斷。該系統(tǒng)平臺(tái)將上傳的數(shù)據(jù)與正常的基本教室環(huán)境信息進(jìn)行綁定，結(jié)合教育專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，并在監(jiān)控中心終端上以動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)形式展示。專(zhuān)業(yè)教育人員通過(guò)展示的信息和分析結(jié)果對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，通過(guò)操作平臺(tái)界面發(fā)出符合一定格式的教育建議信息，經(jīng)由呼叫中心、短信中心系統(tǒng)等通知用戶(hù)。該ASP.NET監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)比較簡(jiǎn)便，能使專(zhuān)業(yè)教育人員方便地對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行添加、刪除、修改、查詢(xún)等操作，且能夠?qū)崿F(xiàn)分頁(yè)技術(shù)，用戶(hù)對(duì)海量數(shù)據(jù)的查詢(xún)一目了然。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益成熟，勢(shì)必在教育系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，將對(duì)實(shí)現(xiàn)全球范圍的“智慧教育”起到積極有效的推動(dòng)作用。本文介紹了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基本原理，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中所涉及到的短距離和遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，最后，提出一種新的基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程教育監(jiān)控系統(tǒng)，利用插件式監(jiān)控方式，實(shí)現(xiàn)多種環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)可以改善公眾教育尤其是偏遠(yuǎn)地區(qū)的教育條件，節(jié)約了受教育的時(shí)間和教育成本，均衡利用了優(yōu)勢(shì)教育資源，提高了教育水平與效率。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]田小輝，李明遠(yuǎn)，田昕.基于GPRS的遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)透?jìng)鹘K端系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2005（4）：97-99.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]