基于ZigBee技術(shù)的幼兒園環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

趙 義，曹映紅，張莉萍

(1.湖北幼兒師范高等?？茖W(xué)校 基礎(chǔ)課部，武漢 430223；2.長江職業(yè)學(xué)院 旅游信息學(xué)院，武漢 430074)

基于ZigBee技術(shù)的幼兒園環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

趙 義1，曹映紅1，張莉萍2

(1.湖北幼兒師范高等?？茖W(xué)校 基礎(chǔ)課部，武漢 430223；2.長江職業(yè)學(xué)院 旅游信息學(xué)院，武漢 430074)

本文是湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計劃指導(dǎo)性項目“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在幼兒教育中的應(yīng)用研究”階段性成果，主要闡述如何利用ZigBee技術(shù)搭建教育管理平臺，實現(xiàn)幼兒園智能環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計和模擬，從而提升幼兒園智能化水平，打造一個讓家長們和社會放心的智能幼兒園。

物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；智慧幼兒園

1 幼兒園環(huán)境建設(shè)需求

《幼兒園工作規(guī)程》、《托兒所、幼兒園衛(wèi)生保健管理辦法》、《0-3歲幼兒學(xué)習(xí)發(fā)展指南》等一系列法律法規(guī)對幼兒園的室內(nèi)外環(huán)境提出了明確的要求：室外環(huán)境需求包括幼兒園周邊、建筑區(qū)域劃分、班級類型、大小等，在平面設(shè)計方面對于建筑物高度、寬度、跨度、光照等必須符合幼兒的心理發(fā)展方向；室內(nèi)環(huán)境需求包括室內(nèi)空間設(shè)計的合理、軟件硬件裝修裝飾的安全，溫度、濕度、明亮度、電力安全度等環(huán)境因素必須符合幼兒身心發(fā)展[1-2]。

本文通過ZigBee技術(shù)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。首先，設(shè)計了能將幼兒園關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)煙霧、溫度、濕度、壓力等信息進行采集、檢測、傳送的無線傳輸模塊；然后，通過軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)幼兒園環(huán)境智能監(jiān)測；最后，對ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性進行了闡述。

2 環(huán)境控制系統(tǒng)方案

ZigBee 技術(shù)主要用于低數(shù)據(jù)傳輸速率且傳輸距離要求不遠(yuǎn)的各種通信設(shè)備之間。ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用的是無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點間通信以一跳或多跳的形式自動建立網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由三種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成，ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和ZigBee終端設(shè)備。ZigBee協(xié)議包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層協(xié)議，各層協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)實現(xiàn)相應(yīng)功能。

物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層(傳輸層)、應(yīng)用層構(gòu)成。本系統(tǒng)的感知層由各類傳感器組成，包括溫度傳感器、濕度傳感器、超聲波傳感器、氣敏傳感器和智能傳感器實現(xiàn)各類物理量的采集，并通過發(fā)送模塊進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)實時獲取任何地點需要監(jiān)控、連接、互動物體的信息，采集其聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等各種有用信息；網(wǎng)絡(luò)層(傳輸層)由ZigBee節(jié)點模塊構(gòu)成，各類傳感器采集完信號以后，將程序移植到發(fā)送端的ZigBee節(jié)點模塊上，使之與數(shù)據(jù)接收端CC2430無線射頻模塊兼容，使每一個ZigBee模塊在系統(tǒng)搭建的網(wǎng)絡(luò)平臺上，實現(xiàn)對煙霧溫度的無線采集、發(fā)送和顯示；接收端無線模塊接收到數(shù)據(jù)后，通過串口連接到PC機上，從而實現(xiàn)對更大范圍的煙霧溫度進行實時監(jiān)測，并可擴展到傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)各類應(yīng)用，實現(xiàn)應(yīng)用層功能。本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 環(huán)境控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 ZigBee技術(shù)概述

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，是ZigBee協(xié)議與傳感技術(shù)的結(jié)合，是應(yīng)用性非常強的技術(shù)。

2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計中，選擇無線射頻模塊CC2430，可盡量避免障礙物的遮擋，天線信號更好，CC2430既可以作為發(fā)送模塊也可以作為接收模塊[3-4]。一般情況下，建筑物內(nèi)區(qū)域較寬廣，需要測量多個地方的煙霧和溫度，一個空間內(nèi)需放置多個傳感器來檢測，將這些傳感器與下位機的無線傳輸模塊連接起來，利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使一定空間內(nèi)的多個測量點組成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。多個測量節(jié)點與測控中心建立無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，將測量節(jié)點采集的信號通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，傳到監(jiān)控中心，單個系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

軟件設(shè)計流程圖如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計流程圖

2.3.1 終端測量節(jié)點加入無線網(wǎng)絡(luò)

1)節(jié)點初始化，需要調(diào)用Zigbee Device Object(ZDO)層的初始化函數(shù)。

2)然后設(shè)置初始化事件，設(shè)備對象的任務(wù)事件負(fù)責(zé)處理初始化函數(shù)，對網(wǎng)絡(luò)初始化這一事件進行相應(yīng)的處理。

3)根據(jù)事件情況，調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)請求函數(shù)，執(zhí)行相關(guān)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)動作后，Network Layer(NWK)層將發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的消息傳送至ZDO層。

4)ZDO接收到消息后，自動修改設(shè)備狀態(tài)，將執(zhí)行請求加入網(wǎng)絡(luò)事件。

5)隨后NWK層將接收到請求加入網(wǎng)絡(luò)反饋，將加入網(wǎng)絡(luò)指示消息再次傳送給ZDO層，ZDO層接收到消息后，自動修改設(shè)備狀態(tài)。

6)任務(wù)事件處理函數(shù)執(zhí)行ZDO的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)事件，啟動搜索功能，尋找在應(yīng)用層注冊的端點號，即終端設(shè)備組網(wǎng)過程結(jié)束。

2.3.2 終端節(jié)點信號采集

1)傳感器組上電后，要初始化設(shè)備。

2)選擇通訊通道，CC2430無線傳輸模塊準(zhǔn)備接收信號，調(diào)用ZigBee協(xié)議應(yīng)用層函數(shù)。

3)自動判斷是否接收請求，如果系統(tǒng)不接收請求，將返回上層，繼續(xù)準(zhǔn)備接收信號；如果接收請求，系統(tǒng)再次判斷本次請求是否合法，若系統(tǒng)判斷本次請求不合法，也將繼續(xù)返回準(zhǔn)備接收信號階段；若請求合法，將驅(qū)動無線終端設(shè)備，傳感器組開始采集信號，發(fā)送采集的現(xiàn)場環(huán)境。

4)當(dāng)系統(tǒng)判斷采集、發(fā)送工作完成之后，無線終端設(shè)備將暫停采集工作。

2.3.3 數(shù)據(jù)傳送

1)通過溫度傳感器DS18B20和煙霧傳感器MQ-2測量各測點的溫度和煙霧濃度。

2)將采集到的數(shù)據(jù)由ZigBee發(fā)送模塊發(fā)送到檢測中心的接收模塊，再經(jīng)過串口上傳到PC機。

“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在幼兒教育中的應(yīng)用研究”項目由物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學(xué)應(yīng)用子模塊、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教育管理應(yīng)用子模塊、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教育信息應(yīng)用子模塊構(gòu)成。

本文論述的是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教育管理應(yīng)用子模塊內(nèi)容。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，利用ZigBee技術(shù)設(shè)計智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，它具有耗資小、安裝方便、維護和更新費用低等優(yōu)勢， 對園長來說，便于對幼兒園環(huán)境進行管控，對幼兒教師來說，可以提高保教能力和水平，通過技術(shù)的可靠性提高工作的可靠性，對家長來說， 提供了一個真正放心的幼兒成長環(huán)境，讓家長不再對孩子在園情況擔(dān)憂，為智能幼兒園提供了一種可行的整體解決方案。

[1] Hart Jane K， Martinez Kirk． Environmental Sensor Networks：A revolution in the earth system science？[J]． Earth-Science Reviews，2006，78：177-191.

[2] Commission of the European Communities, Internet of Things-An action plan for Europe[C]． Commission of the European Communities, 2009.

[3] 蔣延彪. 單片機原理及應(yīng)用：MCS-51[M]．重慶:重慶大學(xué)出版社, 2003.

[4] 王賢勇. 趙傳申.單片機原理與接口技術(shù)應(yīng)用教程[M]．北京:清華大學(xué)出版社, 2010.

責(zé)任編輯 王菊平

Design and realization of kindergarten environment control system based on ZigBee technology

ZHAO Yi1, CAO Ying-hong1, ZHANG Li-ping2

(1. Department of Basic Courses Teaching， Hubei Preschool Teachers College, Wuhan 430223, China; 2. Tourism Information Institute, Changjiang Polytechnic, Wuhan 430074, China)

This paper is the phased achievement of guidance project of science and technology research program from Hubei Provincial Department of Education “Application research of internet of things in early childhood education”, mainly elaborates how to use ZigBee technology to build the platform of education management, realize the design and simulation of the kindergarten intelligent environmental control system, so as to enhance intelligent level of kindergarten and build a rest assured place for parents and society.

internet of things; ZigBee technology; Wireless Sensor Network(WSN); intelligence kindergarten

2016-11-24 doi 10.3969/j.issn.1003-8078.2017.03.12

趙義，男， 湖北武漢人，講師，主要研究方向為現(xiàn)代教育技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)；曹映紅，女，湖北武漢人，副教授，主要研究方向為幼兒心理學(xué)和幼兒教師教育；張莉萍，女，湖北武漢人，副教授，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)和計算機網(wǎng)絡(luò)。

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計劃指導(dǎo)性項目(B2014192)。

TP393

A

1003-8078(2017)03-0058-03