一種基于ZigBee的物聯網遠程教育系統的研究與設計

李保華+趙澄東

【摘 要】本文針對教育資源配置不均衡和社會對渴望得到高水平教育趨勢加速的現狀，提出了一種基于物聯網的遠程教育監控系統。在該系統中，簡單介紹了物聯網、ZigBee和GPRS等各個模塊的原理及其應用，并對該系統的總體構成及基本原理進行詳細論述。該系統具有結構簡單、功耗低、節點靈活等特點，實現了無線條件下的遠程教育監控。

【關鍵詞】物聯網；ZigBee；GPRS；遠程教育

0 引言

物聯網遠程教育[1]，是利用傳感技術，將一枚大至手機或小到指甲片大小的傳感器固定在教室或者講堂，傳感器的一個終端嵌入和裝備到教育教學檢測設備中，教師通過自己的手機或電腦連接到另一終端后，可隨時隨地實現對受教育者的受教情況、作業情況和意見反饋。

1 物聯網基本原理

物聯網是將各種信息傳感設備，如射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等裝置與互聯網結合起來而形成的一個巨大網絡。典型的物聯網由三大部分組成，即RFID系統、中間件Savant系統和Internet系統，其中RFID系統主要包括RFID電子標簽（Tag）、閱讀器（Reader）及數據交換和管理系統（Processor）軟件，如圖1所示。閱讀器在接收到來自電子標簽的載波信息，并對接收信號進行調節和解碼后，會將其信息送至計算機中的中間件Savant系統軟件進行處理，處理后傳送到Internet，然后再在Internet上利用ONS找到這個物品信息所存儲的位置，由ONS給Savant系統指明存儲這個物品的有關信息的服務器，并將這個文件中的關于這個物品的信息傳遞過來[2]。

2 ZigBee模塊

ZigBee，是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術或無線網絡技術，是一組基于IEEE802.15.4無線標準研制開發的有關組網、安全和應用軟件方面的通信技術。它采用DSSS擴頻技術，使用的頻段是2.45GHz的超高頻段，抗干擾能力強，傳輸速度快，主要適用于智能交通、環境保護、政府工作、智能家居、工業監測、遠程教育等領域，可以嵌入到各種設備中，還支持地理定位功能。

ZigBee是一個低成本、低功耗的無線網絡標準。首先，它的低成本使之能廣泛適用于無線監控方向的應用；其次，低功耗使之能有更長的工作周期；最后，它所支持的無線網狀網絡使之能有更強的可靠性和更廣的覆蓋范圍[3]。本文把ZigBee模塊嵌入到RFID系統中，具有更可靠的安全性和更好的組網特性。

3 GPRS模塊

GPRS是通用分組無線業務，通過利用GSM網絡中未使用的TDMA信道，提供中速的數據傳遞，能提供比現有GSM網9.6kbps更高的數據率。因此，在GSM系統的基礎上構建GPRS系統時，GSM系統中的絕大部分部件都不需要作硬件改動，只需作軟件升級。

GPRS具有許多GSM系統所不具備的獨特優勢。GPRS采用分組交換技術，允許用戶在端到端分組轉移下發送接收數據，區別與電路交換的GSM。特別適用于頻繁的、少量的數據傳輸，當然亦可用于傳輸大量數據，正適合工業測量領域頻發、少量、實時性高的數據傳輸；數據傳輸率高，最高可達170kbps左右；用戶一直處于在線方式，接入時間縮短為少于1s，能提供快速即時的連接，可大幅度提高一些事務的效率。

4 物聯網教育系統構建

物聯網遠程教育監控系統主要是利用各種傳感器對受教育者所處的環境參數進行檢測，并對檢測到的數據進行本地處理或者通過網絡傳輸到遠程教育監控中心。主要由三個部分組成：檢測到的有無人員在教育場所走動、學生討論所發出的聲音分貝的高低、學生頻繁發生的肢體動作圖像等參數監控儀；無線監控終端監控數據存儲、顯示及用戶管理的遠程教育監控中心。

傳感器節點通常是一個嵌入式系統，由于受到體積、價格和電源等因素的限制，其數據處理能力、存儲能力和通信能力均相對較弱，通信距離相對有限。

參數監控儀包括有無人員在教育場所走動、學生討論所發出的聲音分貝的高低、學生頻繁發生的肢體動作圖像以及用于無線傳輸組網的Zigbee模塊。該部分具有適應性強、使用方便、體積小、功耗低等特點。使用Zigbee技術使參數監控儀和無線監控終端分離開， 進一步減小了監控儀的體積， 便于使用者隨時攜帶和安裝。

無線監控終端主要用于數據的傳輸，包括Zigbee通信、GPRS 通信、數據記錄、液晶顯示、電源管理等模塊。該部分包括兩個流向的數據。從監控儀發出的采集數據到達無線監控端，經過一定的處理后可以顯示、保存數據或者通過GPRS通信進行上傳；從遠程監控中心發出的查詢數據到達無線監控終端，經過一定處理后通過無線方式到達監控儀端，監控儀按照查詢條件上傳符合要求的數據。

遠程監控中心通常具有較強的處理能力、存儲能力和通信能力，本文采用B/S模式的ASP.NET技術開發的遠程監控中心系統，使專業教育人員以動態網頁的形式瀏覽、查詢并對受教育人員作出判斷。該系統平臺將上傳的數據與正常的基本教室環境信息進行綁定，結合教育專家知識庫系統，對數據進行研究分析，并在監控中心終端上以動態網頁形式展示。專業教育人員通過展示的信息和分析結果對數據進行判斷，通過操作平臺界面發出符合一定格式的教育建議信息，經由呼叫中心、短信中心系統等通知用戶。該ASP.NET監控系統運行維護比較簡便，能使專業教育人員方便地對后臺數據庫、分布式數據庫進行添加、刪除、修改、查詢等操作，且能夠實現分頁技術，用戶對海量數據的查詢一目了然。

5 結束語

隨著物聯網技術的日益成熟，勢必在教育系統中得到廣泛的應用，將對實現全球范圍的“智慧教育”起到積極有效的推動作用。本文介紹了物聯網技術的基本原理，物聯網應用中所涉及到的短距離和遠程無線通信技術，最后，提出一種新的基于物聯網的遠程教育監控系統，利用插件式監控方式，實現多種環境參數的實時監控。該系統可以改善公眾教育尤其是偏遠地區的教育條件，節約了受教育的時間和教育成本，均衡利用了優勢教育資源，提高了教育水平與效率。

【參考文獻】

[1]高飛，薛艷明.物聯網核心技術——RFID原理與應用[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[2]馬駒.ZigBee在物聯網中的應用[J].科協論，2011（2）：34-36.

[3]田小輝，李明遠，田昕.基于GPRS的遠程無線透傳終端系統的設計與實現[J].現代電子技術，2005（4）：97-99.

[責任編輯：楊玉潔]