基于Zigbee的智能教室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李京慧 遲宗濤 崔詩(shī)晨

摘要： 針對(duì)傳統(tǒng)教室用電器利用率低的問(wèn)題，本文基于Zigbee設(shè)計(jì)了智能教室控制系統(tǒng)，通過(guò)Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，對(duì)教室險(xiǎn)情監(jiān)控、人數(shù)統(tǒng)計(jì)、無(wú)線控制燈開(kāi)關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心，通過(guò)Zigbee終端無(wú)線接收和發(fā)送信號(hào)到Zigbee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過(guò)無(wú)線網(wǎng)以點(diǎn)播的方式接收和控制每個(gè)Zigbee終端的信號(hào)，從而進(jìn)行無(wú)線控制，同時(shí)通過(guò)SIM900實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息傳遞。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用戶可以通過(guò)該系統(tǒng)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)教室環(huán)境，控制燈的開(kāi)關(guān)，并通過(guò)紅外對(duì)管統(tǒng)計(jì)進(jìn)出教室的人數(shù)。該控制系統(tǒng)便捷靈活、操作簡(jiǎn)便，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目的，具有良好的經(jīng)濟(jì)實(shí)用前景。

關(guān)鍵詞： 智能教室; Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò); 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè); STM32; ARM; GPRS

中圖分類號(hào)： TN915.5? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

21世紀(jì)以來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，人們不再滿足于現(xiàn)有的生活條件，而是向往體驗(yàn)更智能化的工作和生活環(huán)境[12]。以學(xué)校教室系統(tǒng)為例，通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前教室的管理以人工為主，學(xué)生自習(xí)結(jié)束人走樓空，教室卻燈火通明，風(fēng)扇空調(diào)等設(shè)備全開(kāi)，等待管理人員統(tǒng)一手動(dòng)關(guān)閉;自習(xí)室學(xué)生分配不均，有些人員密集，有些空無(wú)幾人卻開(kāi)啟了所有電器設(shè)備[3]。這些現(xiàn)象導(dǎo)致人力、物力及電能的浪費(fèi)，給學(xué)生尋找自習(xí)室造成不便，教室資源不能合理有效的利用[4]。因此，傳統(tǒng)的教室控制系統(tǒng)難以滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需要，更不能響應(yīng)節(jié)能減排、低碳生活的理念[56]。教育部門對(duì)智能教室系統(tǒng)的需求不斷增加，使智能教室的實(shí)現(xiàn)成為可能。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能教室系統(tǒng)初現(xiàn)雛形，它是根據(jù)教室內(nèi)人數(shù)進(jìn)行燈光智能控制，但仍存在準(zhǔn)確度低、系統(tǒng)性不強(qiáng)[7]等問(wèn)題?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一套基于Zigbee的智能教室管理系統(tǒng)，通過(guò)Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，采集教室內(nèi)的溫濕度及火災(zāi)報(bào)警信息，同時(shí)控制教室內(nèi)發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）燈的開(kāi)關(guān)，利用紅外傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)人數(shù)，及時(shí)將這些信息顯示在教室外面的液晶顯示器（liquid crystal display，LCD）顯示屏上。該系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的人工管理模式，解決了教室資源浪費(fèi)的問(wèn)題，幫助學(xué)生快速找到合適的自習(xí)室，從而為學(xué)生提供一個(gè)更舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境[8]。

1 ZIGBEE無(wú)線技術(shù)介紹

Zigbee無(wú)線通信技術(shù)作為一種正在發(fā)展的新型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以IEEE 802154為標(biāo)準(zhǔn)，但該標(biāo)準(zhǔn)只定義了較低的兩層：物理（port physical layer，PHY）層和媒體訪問(wèn)控制（media access control，MAC）子層，是Zigbee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用程序編程接口（application programming interface，API）的標(biāo)準(zhǔn)化。Zigbee堆棧架構(gòu)由物理層，媒體訪問(wèn)控制子層，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層框架組成，其中包括應(yīng)用程序支持（application support，APS）子層，Zigbee設(shè)備對(duì)象（zigbee device object，ZDO）和制造商定義的應(yīng)用程序?qū)ο骩9]。Zigbee可嵌入各種設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控、安防系統(tǒng)、智能家居等領(lǐng)域，具有短距離通信，低速，低功耗，低成本等特點(diǎn)。它的傳輸距離為幾十米，可自由使用24 GHz和900 MHz頻段，實(shí)現(xiàn)雙工通信[10]。Zigbee支持多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要包括星型、樹(shù)型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，它們由協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備組成。Zigbee由于其低傳輸速率和對(duì)睡眠模式的支持而具有地毯節(jié)能的效果。經(jīng)測(cè)試，在低功耗睡眠模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持一個(gè)功能節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)達(dá)24個(gè)月。相同情況下，藍(lán)牙可工作約1個(gè)月，而WIFI只工作幾個(gè)小時(shí)，體現(xiàn)Zigbee的優(yōu)勢(shì)[11]。通過(guò)以上特性可以看出，Zigbee更適合在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境工作。

2 教室管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

智能教室系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括STM32單片機(jī)信息處理模塊、信息采集安全模塊和燈控模塊。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為信號(hào)處理核心，通過(guò)Zigbee節(jié)點(diǎn)將傳感器模塊與繼電器模塊的信號(hào)傳遞給單片機(jī)。系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。Zigbee終端節(jié)點(diǎn)以廣播的方式將接收到的信號(hào)廣播到Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口、路由器WIFI網(wǎng)絡(luò)，連接單片機(jī)和手持終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)LED燈的遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)、溫濕度控制和煙霧報(bào)警功能[12]。同時(shí)，每個(gè)教室門上都安裝2個(gè)交錯(cuò)的紅外傳感器，經(jīng)過(guò)人數(shù)統(tǒng)計(jì)模塊的計(jì)算，將教室的人數(shù)變化及時(shí)通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)上傳到教室系統(tǒng)，方便老師快速了解教室的學(xué)生人數(shù)。該系統(tǒng)采集環(huán)境參數(shù)，最終通過(guò)智能手機(jī)及遠(yuǎn)程教室系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制教室常用設(shè)備的功能。

2.1.1 ARM控制模塊

在該系統(tǒng)中，教室內(nèi)部采用星型網(wǎng)絡(luò)，傳感器數(shù)據(jù)和LED燈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)在網(wǎng)絡(luò)中自由傳輸，利用通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)（general packet radio service，GPRS）模塊和Ethernet模塊，將收集到的信息傳輸至教務(wù)處網(wǎng)絡(luò)，用戶通過(guò)PC端或液晶顯示屏觀察室內(nèi)情況。本系統(tǒng)主要采用STM32單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，Zigbee協(xié)調(diào)器接收Z(yǔ)igbee終端發(fā)來(lái)的信息，驅(qū)動(dòng)單片機(jī)將控制信息通過(guò)串口發(fā)送給Zigbee協(xié)調(diào)器[13]，單片機(jī)將Zigbee終端傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)信息通過(guò)LCD控制器顯示在LCD顯示器上。系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

2.1.2 人數(shù)統(tǒng)計(jì)模塊

日常生活中經(jīng)常用到各種人數(shù)統(tǒng)計(jì)技術(shù)，其中包括紅外對(duì)管、激光傳感器、熱釋電傳感器等，但是利用機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)裝置及紅外對(duì)管進(jìn)行人數(shù)統(tǒng)計(jì)的技術(shù)，只能用于單人按照一定次序進(jìn)出的情況[14]，此外，基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的人數(shù)更多受到光照變化、遮擋、運(yùn)動(dòng)模糊和復(fù)雜背光的影響[15]。為準(zhǔn)確檢測(cè)多人進(jìn)出情況，本系統(tǒng)在教室門內(nèi)側(cè)安裝2個(gè)紅外傳感器1和紅外傳感器2，當(dāng)紅外傳感器1先接收到遮蔽信號(hào)，紅外傳感器2后接收到遮蔽信號(hào)時(shí)，每個(gè)教室的LCD顯示屏顯示人數(shù)加1;當(dāng)紅外傳感器2先接收到遮蔽信號(hào)，紅外傳感器1后接收到遮蔽信號(hào)時(shí)，每個(gè)教室的LCD

每次人數(shù)變動(dòng)都會(huì)同步顯示在教室外面的LCD顯示屏上，方便自習(xí)學(xué)生在不進(jìn)入教室的前提下，快速找到人少的自習(xí)室，人數(shù)統(tǒng)計(jì)流程圖如圖4所示。

2.1.3 信息采集安防模塊

系統(tǒng)的信息采集模塊主要包括溫濕度傳感器、MQ2煙霧報(bào)警傳感器、SIM900 GPRS模塊、Zigbee終端模塊和LCD顯示屏[16]。模塊中傳感器采集的信息，通過(guò)AD模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并顯示在LCD顯示器上。當(dāng)教室發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙霧報(bào)警器會(huì)監(jiān)控信息，并觸摸警報(bào)鈴聲[17]。采集到的信息通過(guò)Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及WIFI模塊，上傳到教室管理系統(tǒng)的網(wǎng)頁(yè)終端，從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)教室信息的目的。

2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)界面設(shè)計(jì)、控制中心單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)、CC2430協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)、CC2430監(jiān)控節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)4部分組成。

本系統(tǒng)通過(guò)Web遠(yuǎn)程操控應(yīng)用終端接收來(lái)自終端的信號(hào)，并顯示終端信號(hào)，Web與應(yīng)用程序之間的橋梁是通過(guò)shell腳本完成[18]。首先Web將命令發(fā)送給相應(yīng)的腳本，經(jīng)過(guò)switch語(yǔ)句處理后，將參數(shù)傳遞給對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序，從而實(shí)現(xiàn)Web與應(yīng)用程序之間的通信，達(dá)到Web控制硬件的目的，與此同時(shí)，shell腳本也實(shí)時(shí)接收來(lái)自應(yīng)用程序采集的信號(hào)信息，上傳到Web最終顯示[19]。

3 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于Zigbee的智能教室管理系統(tǒng)，網(wǎng)頁(yè)測(cè)試界面圖如圖5所示。系統(tǒng)測(cè)試表明，用戶可通過(guò)該系統(tǒng)利用Web網(wǎng)頁(yè)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)教室環(huán)境，同時(shí)控制教室燈的開(kāi)關(guān)，并且通過(guò)紅外對(duì)管統(tǒng)計(jì)進(jìn)出教室的人數(shù)。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)效果良好，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的目的[20]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于ZigBee設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程智能教室管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的智能教室系統(tǒng)不同，由于Web網(wǎng)絡(luò)模塊數(shù)據(jù)的雙向傳遞，使管理者能進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)降低了自習(xí)室運(yùn)行成本、減少大量人力勞力，解決了以往教室系統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、成本高、效率低等問(wèn)題，方便學(xué)生快速高效的尋找自習(xí)室。但對(duì)于人流量較大的上下課時(shí)段，人數(shù)統(tǒng)計(jì)有一定的誤差。因此，下一步研究的重點(diǎn)是繼續(xù)優(yōu)化紅外對(duì)管的人數(shù)統(tǒng)計(jì)方法，從而提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。

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