基于Zigbee技術的教室智能管理監控系統

歐陽宏志，胡 清，張 韻

(南華大學 電氣工程學院，湖南 衡陽 421001)

基于Zigbee技術的教室智能管理監控系統

歐陽宏志，胡 清，張 韻

(南華大學 電氣工程學院，湖南 衡陽 421001)

高校師生規模不斷在擴大，學校各種資源之間矛盾加劇，不利于實時監控，安全隱患也隨之提高﹒為解決此問題，以教室為中心，構建了一個智能管理監控系統﹒智能燈光控制，打造節能型校園；智能考勤系統，方便師生辦公、學習和生活；教室內溫濕度、可燃氣體含量等數據實時監控，營造一個舒適安全的校園環境﹒以Zigbee技術進行傳感器組網，結合TI公司CC2530芯片和ZStack協議棧進行設計﹒實驗結果表明，該系統組網高效、能耗低、可靠性高，實現教室一體化監控，有助于建設平安校園和智慧校園﹒

Zigbee；智能；教室；無線網絡

發展無線網絡，將設備從有線連接變為無線連接，方便使用，已成為一種必然趨勢﹒無線通信技術激烈的競爭中，Zigbee技術以低成本、低功耗、低數據速率和高可靠性等優點脫穎而出﹒對工業控制而言，藍牙技術顯得太復雜，且功耗大、距離近、組網規模太小；移動網絡投入太大，通信速率低且費用高﹒基于Zigbee的無線傳感網絡避免了上述弊端，也克服了有線網絡的局限性及功耗高等缺點[1]﹒現有文獻對智慧校園的研究，有的側重考勤方面，有的則側重安全方面，把節能、安全和考勤各方面結合起來的研究并不多﹒

近些年來，各個高校都在探尋高效的校園管理辦法，以南京郵電大學和浙江大學為代表的高校對智慧校園建設進行了積極探索﹒大學是物聯網應用最早、最為廣泛的地方之一，小范圍試點必將為今后物聯網產業的發展打下堅實基礎[2]﹒構建物聯網智慧校園既是時勢所趨，又體現了以人為本﹒

1 Zigbee技術概述

Zigbee是一種雙向無線通信技術，主要用于短距離、低功耗且傳輸速率不高的電子設備之間傳輸數據﹒Zigbee模塊通信距離從幾十米到幾百米，并支持無線擴展，理論上可以是由65 536個無線模塊組成的無線網絡平臺﹒Zigbee協議棧由高層應用規范、應用匯聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成[3]﹒Zigbee網絡中的設備按各自作用分為協調器節點、路由器節點和終端節點，網絡支持3種拓撲：星型、樹型和網狀型﹒Zigbee技術基于IEEE802.15.4標準，是實現無線傳感器網絡的一種重要技術﹒Zigbee易于實現無線傳感器網絡分布式、自組織和低功耗的特點﹒

2 系統架構與硬件設計

Zigbee設備主要分為協調器和終端，但在硬件部分設計時可以不區分，由軟件設置的標志位加以識別﹒校園管理監控系統中，協調器與終端無線通信，與 PC機上的上位機通過串口連接，上位機接收協調器獲取的數據﹒系統根據教室以講臺為主的特點采用星型網絡[4]，其結構模型如圖1所示﹒

圖1 網絡結構模型

2.1 燈光控制節點

燈光控制結合人體紅外熱釋電傳感器和光敏電阻傳感器實現了教室內人走燈滅、自動開燈功能[5]，既方便了師生生活，又避免電能損耗，有效地節約了資源﹒人體感應和光敏傳感電路分別如圖2～圖3所示﹒

圖2 人體感應傳感電路原理圖

圖3 光敏傳感電路原理圖

2.2 智能考勤節點

通過點名、磁卡和接觸式IC卡等方式對學生到課情況進行考勤、記錄管理，既耗時又相互干擾；而非接觸式學生考勤系統實現了利用無線射頻識別(RFID)技術對學生考勤進行管理，既方便快捷，又省時廉價[6]﹒

系統工作過程：當持有學生基本信息的非接觸式IC卡—Mifare One卡進入MFRC522讀卡器天線作用范圍內時，卡片獲得能量以維持卡內電路工作；終端節點負責控制讀卡器進行一系列“尋卡→防沖突→選卡→讀/寫卡”操作，如果成功，將讀取卡片上的學生信息；終端將學生信息發送到協調器﹒

協調器接收到相應數據后，根據預存的數據庫，將數據轉換成相應的學生信息，得到本次課堂已到和缺課學生的人數及姓名，然后對信息進行顯示并傳遞給上位機系統以便后臺查詢管理﹒

2.3 溫濕度、可燃氣體及地震檢測節點

溫濕度傳感器采用DHT11傳感器，濕度測量范圍：20%～95%；溫度測量范圍：0 ℃～50 ℃﹒系統通過分析溫濕度實時數據來決定是否開啟制冷裝置進行控制﹒

可燃氣體傳感器采用MQ-2氣體傳感器，其所用氣敏材料是二氧化錫(SnO2)，SnO2電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大[7]﹒通過電阻分壓將電導率的變化轉換為相應電信號后，再經比較器電路輸出高低電平，用于判斷空氣中可燃氣體濃度是否超標﹒

震動傳感器采用SW-420常閉型震動傳感器，結合比較器電路，使電路檢測到震動時輸出高電平信號并進行地震報警﹒環境檢測模塊電路如圖4所示﹒

圖4 環境檢測模塊總電路

2.4 電源管理

Zigbee設備采用TI公司的CC2530，所有設備及其外圍電路可選用 3節干電池串聯供電﹒CC2530包含電源管理功能，可實現不同的供電模式﹒學校下課等空暇時間段設備自行進入休眠模式，也可人為按鍵操控，選擇是否進入休眠﹒休眠有利于延長供電電池的壽命，低功耗運行﹒

3 系統軟件設計

3.1 無線網絡組網

每個Zigbee網絡中只允許有1個協調器，它具有最高網絡權限，是整個網絡的維護者[8]﹒網絡中，協調器最先啟動，啟動后進行能量檢測，檢測工作區域內所指定信道上有無其它設備在工作﹒協調器根據檢測結果選擇合適的信道，并選擇PANID和網絡短地址后啟動協調器，并允許終端加入[9]﹒協調器收到終端入網請求后，若允許請求，則分配一個短地址給終端，并發送相應原語，請求入網的設備即加入到網絡中，設備入網后就可實現數據的相互傳送﹒

3.2 網絡中傳感器的協調

系統中傳感器個數較多、類型多樣，需遵循一定的協調方式﹒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備﹒本系統傳感器信號由各自的終端設備傳輸給協調器，協調器對各類傳感器信號進行輪詢，實時處理﹒傳感器的協調方式遵循分布式、自組織的特點﹒

3.3 程序流程及上位機

本系統中協調器負責組網并接收處理終端數據，向終端發送相應命令，并與上位機通信﹒協調器工作流程如圖5所示﹒終端節點分別實現燈光控制、考勤和環境監測功能，成功入網后開啟各自功能，并與協調器無線通信﹒終端程序流程如圖6所示﹒上位機位于PC終端，通過串口接收網絡中協調器數據，可顯示教室內環境數據﹒上位機界面如圖7所示﹒

圖5 協調器流程圖

圖6 終端流程圖

圖7 上位機界面

4 實測結果與分析

教室管理員或教師可以通過上位機軟件(或APP)查看班級考勤情況和教室環境數據，對學生狀況和教室情況進行監控，學生也可以利用該系統的大屏幕了解校園安全狀況，及時作出反應﹒各功能測試結果如表1所示﹒實測情況表明系統功能可靠、數據準確，可用于實際工程(由于氣體濃度報警閾值未知，地震震級與震動傳感器的測量值關系不明確等原因，測試結果僅供參考)﹒

表1 實測情況統計表

5 結語

社會各界越來越重視物聯網技術帶給生活的智慧與便捷，傳統教室存在諸多不便，未實現管理智能化，資源浪費嚴重﹒本文設計并實現了一套教室管理監控系統，涉及教室環境監測、危險報警、智能考勤和燈光控制等多個方面﹒對教室的實時監控既方便了師生的學習生活，同時也保證了校園安全，有一定的實用價值﹒

[1]楊萌, 趙亮. 基于Zigbee技術的無線傳感網絡研究[J]. 電子技術與軟件工程, 2015(1): 34.

[2]韓雪. 基于物聯網技術的智慧校園系統設計研究[J]. 電子設計工程, 2011, 19(24): 41-43.

[3]青島東合信息技術有限公司. Zigbee開發技術及實踐[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社, 2014.

[4]周益. 基于Zigbee技術的無線傳感網絡拓撲設計與實現[D].蘇州: 蘇州大學, 2009.

[5]蔣武鋒, 黃慶南, 陸波文, 等. 基于ZigBee網絡的教室節能智能控制系統[J]. 電子科技, 2013, 26(10): 44-46.

[6]李泉林, 郭龍巖. 綜述RFID技術及其應用領域[J]. 射頻世界,2006(1): 51-62.

[7]何孟凡, 高國偉, 王世峰, 等. 智能家居防火防盜系統[J]. 傳感器世界, 2017, 23(2): 12-16.

[8]楊業令. 基于物聯網的智慧家庭系統設計與實現[D]. 成都:電子科技大學, 2013.

[9]王江峰. 基于ZigBee無線傳感網絡的實現[D]. 濟南: 濟南大學, 2010.

(責任編校：龔倫峰)

Intelligent Classroom Management and Monitoring System Based on Zigbee Technology

OUYANG Hongzhi, HU Qing, ZHANG Yun
(School of Electrical Engineering, University of South China, Hengyang, Hunan 421001, China)

With the continuous expansion of teachers and students, the real-time monitoring is very difficult for university. Increasing of students has not only exacerbated the contradictions among the various resources in the university, but also increased the security risks. In order to solve that situation, this paper survey and design in a classroom-centered way, combining the CC2530 chip with protocol stack of ZStack:Intelligent lighting control is to create energy saving campus; The intelligent attendance system is convenient for teachers and students to study and work. The real-time monitoring of the temperature and humidity and the content of combustible gas in the classroom can create a comfortable and safe campus environment. The system is very efficient and environmental, low-costing and reliable, besides, it makes the integration of the classroom a reality. This integrated environment helps build a peaceful and smart campus, and achieve a highly intelligent campus’ Internet of Things.

Zigbee; intelligent; classroom; wireless network

TP273.5

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.05.0013

1672–7304(2017)05–0061–04

2017-01-04

衡陽市科技局項目(2014KG71)

歐陽宏志(1982- )，男，湖南衡陽人，副教授，碩士，主要從事電子技術應用研究﹒E-mail: oyhz1982@163.com