基于Zigbee技術(shù)的教室智能控制系統(tǒng)

李亞兵

摘要：高校學(xué)生規(guī)模不斷在擴(kuò)大，學(xué)校各種資源之間矛盾在加劇，不利于實(shí)時(shí)監(jiān)控，安全隱患也隨之升高。針對(duì)此問題，以教室為中心，設(shè)計(jì)了基于ZigBee 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)教室智能控制。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。采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)組成多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)主要由 CC2530 為核心的協(xié)調(diào)器控制，協(xié)調(diào)器通過網(wǎng)關(guān)與外界WIFI網(wǎng)絡(luò)連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)教室內(nèi)各個(gè)因素遠(yuǎn)程控制，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。

關(guān)鍵詞：Zigbee；遠(yuǎn)程控制；無線網(wǎng)絡(luò)

近年來隨著高校的辦學(xué)規(guī)模不斷地?cái)U(kuò)大，教學(xué)場(chǎng)所也不斷地進(jìn)行擴(kuò)建，其中教室、自習(xí)室、實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)所相對(duì)分散，教學(xué)場(chǎng)所的照明系統(tǒng)管理成為一大難題。 通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)高校都是采用人工管理為主，每棟教學(xué)樓安排值班人員對(duì)教室的照明進(jìn)行手動(dòng)控制，這樣不僅成本較高，而且管理比較麻煩。另一方面，對(duì)學(xué)生的考勤學(xué)校一般人工查勤，學(xué)生會(huì)每次要到班級(jí)里進(jìn)行查人數(shù)，影響正常上課，費(fèi)工費(fèi)時(shí)。采用無線網(wǎng)絡(luò)，將設(shè)備從有線連接變?yōu)闊o線連接，方便使用，已成為一種必然趨勢(shì)。無線通信技術(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??；移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)投入太大，通信速率低且費(fèi)用高?；赯igbee的無線傳感網(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)。

一、Zigbee技術(shù)概述

Zigbee是一種雙向無線通信技術(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)。這一名稱（又稱紫蜂協(xié)議）來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。Zigbee模塊通信距離從幾十米到幾百米，并支持無線擴(kuò)展，理論上可以是由65536個(gè)無線模塊組成的無線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。

二、系統(tǒng)架構(gòu)與硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)分為下位機(jī)采集系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)兩個(gè)部分，如圖上所示。下位機(jī)采集系統(tǒng)使用 Zigbee 無線技術(shù)，搭配溫濕度傳感器、人體紅外熱釋電傳感器、光敏電阻傳感器、考勤機(jī)、攝像頭等組成zigbee無線傳感終端節(jié)點(diǎn)，安裝在教室適宜監(jiān)測(cè)的方位，下位機(jī)采集的信息通過wifi網(wǎng)絡(luò)送到zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)里，zigbee協(xié)調(diào)器就相當(dāng)于一個(gè)單片機(jī)，根據(jù)設(shè)定的程序，自動(dòng)進(jìn)行信息處理控制。上位機(jī)包括PC機(jī)、智能手機(jī)、顯示屏幕等裝置，進(jìn)行顯示監(jiān)控，也可以通過上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)參數(shù)和控制zigbee無線傳感終端設(shè)備。從而要達(dá)到3個(gè)目的：（1）實(shí)現(xiàn)對(duì)教室的各個(gè)監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)；（2）實(shí)現(xiàn)對(duì)教室的各個(gè)監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制調(diào)節(jié)；（3）實(shí)現(xiàn)對(duì)教室的各個(gè)監(jiān)控參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

（一）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)關(guān)燈功能，既方便了師生生活，又避免電能損耗，有效地節(jié)約了資源。人體紅外傳感器模塊主要由熱釋電傳感器（PIR）BISS0001紅外信號(hào)處理芯片組成。采用熱釋電傳感器的優(yōu)勢(shì)是：成本低，不需要用紅外線或電磁波等發(fā)射源，隱蔽性好，可流動(dòng)安裝，靈敏度高、控制范圍大。熱釋電紅外傳感器利用熱釋電效應(yīng)，能以非接觸形式檢測(cè)出人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。實(shí)際使用中，熱釋電傳感器前面必須安裝菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡的作用是將人體輻射的紅外線聚焦到熱釋電紅外探測(cè)元上，同時(shí)也產(chǎn)生交替變化的紅外輻射高靈敏區(qū)和盲區(qū)，以適應(yīng)熱釋電紅外探測(cè)元要求信號(hào)不斷變化的特性，這樣可大大提高接收靈敏度，增加檢測(cè)距離及范圍。實(shí)驗(yàn)證明，熱釋電紅外傳感器若不加菲涅爾透鏡，則其檢測(cè)距離僅為2m左右（檢測(cè)人體走過）；而配上菲涅爾透鏡后，其檢測(cè)距離可增加到10m以上，甚至可達(dá)20m以上。

由于PIR信號(hào)變化緩慢、幅值小，針對(duì)該特點(diǎn)，專用信號(hào)處理器一般分為4步處理：濾波放大、窗口比較、噪聲抑制及數(shù)字信號(hào)處理。BISS0001就是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成的數(shù)模混合專用集成電路。它采用CMOS工藝、數(shù)?；旌希哂歇?dú)立的高輸入阻抗運(yùn)算放大器，內(nèi)部的雙向鑒幅器可有效抑制干擾。電路中BISS0001紅外信號(hào)處理芯片的A引腳外接高電平，如果教室有人持續(xù)存在時(shí)人體紅外傳感器就會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生信號(hào)，則VO引腳持續(xù)輸出高電平；只有當(dāng)人體紅外信號(hào)消失后VO引腳經(jīng)過延時(shí)一段時(shí)間后才輸出低電平， 該電路不僅具有較高的感應(yīng)靈敏度，而且抗干擾性能較強(qiáng)。光敏傳感電路比較簡(jiǎn)單，電路不在提供。

（二）溫濕檢測(cè)節(jié)點(diǎn)

空氣溫濕度采集采用單片數(shù)字溫濕度集成傳感器，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和出色的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。具有低功耗、反應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)超過設(shè)定溫度時(shí)，溫度傳感器檢測(cè)到信號(hào)傳個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器對(duì)采集的信息信號(hào)處理對(duì)比，發(fā)現(xiàn)溫度偏高，自動(dòng)發(fā)號(hào)命令啟動(dòng)制冷設(shè)備進(jìn)行降溫處理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的目的。

（三）智能考勤節(jié)點(diǎn)

通過點(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)，也不會(huì)干擾正常課堂教學(xué)。

該系統(tǒng)工作過程：當(dāng)持有學(xué)生基本信息的非接觸式IC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/寫卡”操作，如果這一系列操作成功，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，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)查詢管理。

（四）遠(yuǎn)程監(jiān)控節(jié)點(diǎn)

Zigbee無線終端節(jié)點(diǎn)安裝攝像頭，可以通過wifi或移動(dòng)數(shù)據(jù)信號(hào)傳到PC機(jī)上或手機(jī)上，進(jìn)行遠(yuǎn)程可以監(jiān)控教室的情景。

（五）電源設(shè)計(jì)

Zigbee設(shè)備采用CC2530最小系統(tǒng)為核心，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。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）無線網(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，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)所指定信道上有無其他設(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。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，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。

（二）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)各類傳感器信號(hào)進(jìn)行輪詢，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)。

四、結(jié)語

社會(huì)各界越來越重視物聯(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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