基于ZigBee技術的幼兒園環境控制系統的設計與實現

趙 義，曹映紅，張莉萍

(1.湖北幼兒師范高等專科學校 基礎課部，武漢 430223；2.長江職業學院 旅游信息學院，武漢 430074)

基于ZigBee技術的幼兒園環境控制系統的設計與實現

趙 義1，曹映紅1，張莉萍2

(1.湖北幼兒師范高等專科學校 基礎課部，武漢 430223；2.長江職業學院 旅游信息學院，武漢 430074)

本文是湖北省教育廳科學技術研究計劃指導性項目“物聯網技術在幼兒教育中的應用研究”階段性成果，主要闡述如何利用ZigBee技術搭建教育管理平臺，實現幼兒園智能環境控制系統的設計和模擬，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。

物聯網；ZigBee；無線傳感器網絡；智慧幼兒園

1 幼兒園環境建設需求

《幼兒園工作規程》、《托兒所、幼兒園衛生保健管理辦法》、《0-3歲幼兒學習發展指南》等一系列法律法規對幼兒園的室內外環境提出了明確的要求：室外環境需求包括幼兒園周邊、建筑區域劃分、班級類型、大小等，在平面設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展方向；室內環境需求包括室內空間設計的合理、軟件硬件裝修裝飾的安全，溫度、濕度、明亮度、電力安全度等環境因素必須符合幼兒身心發展[1-2]。

本文通過ZigBee技術構建無線傳感器網絡。首先，設計了能將幼兒園關鍵區域內煙霧、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，通過軟件系統結構設計實現幼兒園環境智能監測；最后，對ZigBee無線傳感器網絡的特性進行了闡述。

2 環境控制系統方案

ZigBee 技術主要用于低數據傳輸速率且傳輸距離要求不遠的各種通信設備之間。ZigBee網絡采用的是無線自組織網絡技術，網絡中的各個節點間通信以一跳或多跳的形式自動建立網絡。ZigBee網絡設備由三種網絡設備構成，ZigBee協調器、ZigBee路由器和ZigBee終端設備。ZigBee協議包括ZigBee網絡層和應用層協議，各層協議根據網絡層次結構實現相應功能。

物聯網體系結構由感知層、網絡層(傳輸層)、應用層構成。本系統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各類物理量的采集，并通過發送模塊進行數模轉換，實現實時獲取任何地點需要監控、連接、互動物體的信息，采集其聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等各種有用信息；網絡層(傳輸層)由ZigBee節點模塊構成，各類傳感器采集完信號以后，將程序移植到發送端的ZigBee節點模塊上，使之與數據接收端CC2430無線射頻模塊兼容，使每一個ZigBee模塊在系統搭建的網絡平臺上，實現對煙霧溫度的無線采集、發送和顯示；接收端無線模塊接收到數據后，通過串口連接到PC機上，從而實現對更大范圍的煙霧溫度進行實時監測，并可擴展到傳統網絡上實現各類應用，實現應用層功能。本系統的整體結構圖如圖1所示。

圖1 環境控制系統結構圖

2.1 ZigBee技術概述

ZigBee無線傳感器網絡是基于ZigBee協議的無線傳感器網絡，是ZigBee協議與傳感技術的結合，是應用性非常強的技術。

2.2 系統硬件結構設計

本設計中，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既可以作為發送模塊也可以作為接收模塊[3-4]。一般情況下，建筑物內區域較寬廣，需要測量多個地方的煙霧和溫度，一個空間內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，利用網絡拓撲結構，使一定空間內的多個測量點組成網絡節點。多個測量節點與測控中心建立無線數據傳輸網絡，將測量節點采集的信號通過無線傳輸網絡，傳到監控中心，單個系統硬件結構如圖2所示。

圖2 系統硬件結構圖

2.3 軟件系統結構設計

軟件設計流程圖如圖3所示。

圖3 軟件設計流程圖

2.3.1 終端測量節點加入無線網絡

1)節點初始化，需要調用Zigbee Device Object(ZDO)層的初始化函數。

2)然后設置初始化事件，設備對象的任務事件負責處理初始化函數，對網絡初始化這一事件進行相應的處理。

3)根據事件情況，調用網絡層發現網絡請求函數，執行相關發現網絡動作后，Network Layer(NWK)層將發現網絡的消息傳送至ZDO層。

4)ZDO接收到消息后，自動修改設備狀態，將執行請求加入網絡事件。

5)隨后NWK層將接收到請求加入網絡反饋，將加入網絡指示消息再次傳送給ZDO層，ZDO層接收到消息后，自動修改設備狀態。

6)任務事件處理函數執行ZDO的網絡狀態事件，啟動搜索功能，尋找在應用層注冊的端點號，即終端設備組網過程結束。

2.3.2 終端節點信號采集

1)傳感器組上電后，要初始化設備。

2)選擇通訊通道，CC2430無線傳輸模塊準備接收信號，調用ZigBee協議應用層函數。

3)自動判斷是否接收請求，如果系統不接收請求，將返回上層，繼續準備接收信號；如果接收請求，系統再次判斷本次請求是否合法，若系統判斷本次請求不合法，也將繼續返回準備接收信號階段；若請求合法，將驅動無線終端設備，傳感器組開始采集信號，發送采集的現場環境。

4)當系統判斷采集、發送工作完成之后，無線終端設備將暫停采集工作。

2.3.3 數據傳送

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)將采集到的數據由ZigBee發送模塊發送到檢測中心的接收模塊，再經過串口上傳到PC機。

“物聯網技術在幼兒教育中的應用研究”項目由物聯網技術教學應用子模塊、物聯網技術教育管理應用子模塊、物聯網技術教育信息應用子模塊構成。

本文論述的是物聯網技術教育管理應用子模塊內容。通過無線傳感器網絡，利用ZigBee技術設計智能環境監測系統，它具有耗資小、安裝方便、維護和更新費用低等優勢， 對園長來說，便于對幼兒園環境進行管控，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境，讓家長不再對孩子在園情況擔憂，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. 單片機原理及應用：MCS-51[M]．重慶:重慶大學出版社, 2003.

[4] 王賢勇. 趙傳申.單片機原理與接口技術應用教程[M]．北京:清華大學出版社, 2010.

責任編輯 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，主要研究方向為現代教育技術和計算機網絡；曹映紅，女，湖北武漢人，副教授，主要研究方向為幼兒心理學和幼兒教師教育；張莉萍，女，湖北武漢人，副教授，主要研究方向為物聯網和計算機網絡。

湖北省教育廳科學技術研究計劃指導性項目(B2014192)。

TP393

A

1003-8078(2017)03-0058-03