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)模不斷在擴大，學(xué)校各種資源之間矛盾在加劇，不利于實時監(jiān)控，安全隱患也隨之升高。針對此問題，以教室為中心，設(shè)計了基于ZigBee 技術(shù)來實現(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、可燃氣體含量等數(shù)據(jù)實時監(jiān)控，營造一個舒適安全的校園環(huán)境。采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)組成多個終端節(jié)點，每個節(jié)點主要由 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，從而實現(xiàn)對教室內(nèi)各個因素遠程控制，該系統(tǒng)組網(wǎng)高效、能耗低、可靠性高，實現(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)模不斷地擴大，教學(xué)場所也不斷地進行擴建，其中教室、自習(xí)室、實驗室等場所相對分散，教學(xué)場所的照明系統(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)樓安排值班人員對教室的照明進行手動控制，這樣不僅成本較高，而且管理比較麻煩。另一方面，對學(xué)生的考勤學(xué)校一般人工查勤，學(xué)生會每次要到班級里進行查人數(shù)，影響正常上課，費工費時。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。無線通信技術(shù)激烈的競爭中，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)點脫穎而出。對工業(yè)控制而言，藍牙技術(shù)顯得太復(fù)雜，且功耗大、距離近、組網(wǎng)規(guī)模太小；移動網(wǎng)絡(luò)投入太大，通信速率低且費用高。基于Zigbee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。

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。主要適合用于自動控制和遠程控制領(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，并支持無線擴展，理論上可以是由65536個無線模塊組成的無線網(wǎng)絡(luò)平臺。主要適合用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。

二、系統(tǒng)架構(gòu)與硬件設(shè)計

該系統(tǒng)分為下位機采集系統(tǒng)和上位機監(jiān)控系統(tǒng)兩個部分，如圖上所示。下位機采集系統(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、攝像頭等組成zigbee無線傳感終端節(jié)點，安裝在教室適宜監(jiān)測的方位，下位機采集的信息通過wifi網(wǎng)絡(luò)送到zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點里，zigbee協(xié)調(diào)器就相當(dāng)于一個單片機，根據(jù)設(shè)定的程序，自動進行信息處理控制。上位機包括PC機、智能手機、顯示屏幕等裝置，進行顯示監(jiān)控，也可以通過上位機進行遠程調(diào)節(jié)參數(shù)和控制zigbee無線傳感終端設(shè)備。從而要達到3個目的：（1）實現(xiàn)對教室的各個監(jiān)控參數(shù)進行自動檢測；（2）實現(xiàn)對教室的各個監(jiān)控參數(shù)進行自動控制調(diào)節(jié)；（3）實現(xiàn)對教室的各個監(jiān)控參數(shù)進行遠程監(jiān)控。

（一）燈光控制節(jié)點

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現(xiàn)了教室內(nèi)人走燈滅，自動關(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紅外信號處理芯片組成。采用熱釋電傳感器的優(yōu)勢是：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出人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枴嶋H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元上，同時也產(chǎn)生交替變化的紅外輻射高靈敏區(qū)和盲區(qū)，以適應(yīng)熱釋電紅外探測元要求信號不斷變化的特性，這樣可大大提高接收靈敏度，增加檢測距離及范圍。實驗證明，熱釋電紅外傳感器若不加菲涅爾透鏡，則其檢測距離僅為2m左右（檢測人體走過）；而配上菲涅爾透鏡后，其檢測距離可增加到10m以上，甚至可達20m以上。

由于PIR信號變化緩慢、幅值小，針對該特點，專用信號處理器一般分為4步處理：濾波放大、窗口比較、噪聲抑制及數(shù)字信號處理。BISS0001就是由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構(gòu)成的數(shù)模混合專用集成電路。它采用CMOS工藝、數(shù)模混合，具有獨立的高輸入阻抗運算放大器，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)存在時人體紅外傳感器就會感應(yīng)產(chǎn)生信號，則VO引腳持續(xù)輸出高電平；只有當(dāng)人體紅外信號消失后VO引腳經(jīng)過延時一段時間后才輸出低電平， 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。光敏傳感電路比較簡單，電路不在提供。

（二）溫濕檢測節(jié)點

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期穩(wěn)定性。具有低功耗、反應(yīng)快、抗干擾能力強等優(yōu)點。當(dāng)超過設(shè)定溫度時，溫度傳感器檢測到信號傳個協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器對采集的信息信號處理對比，發(fā)現(xiàn)溫度偏高，自動發(fā)號命令啟動制冷設(shè)備進行降溫處理，實現(xiàn)自動控制的目的。

（三）智能考勤節(jié)點

通過點名、磁卡和接觸式 IC 卡等方式對學(xué)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(xué)生考勤系統(tǒng)實現(xiàn)了利用無線射頻識別（RFID）技術(shù)對學(xué)生考勤進行管理，既方便快捷，又省時廉價，也不會干擾正常課堂教學(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卡進入MFRC522讀卡器天線作用范圍內(nèi)時，卡片獲得能量以維持卡內(nèi)電路工作；終端節(jié)點負責(zé)控制讀卡器進行一系列“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，然后對信息進行顯示并傳遞給上位機系統(tǒng)以便后臺查詢管理。

（四）遠程監(jiān)控節(jié)點

Zigbee無線終端節(jié)點安裝攝像頭，可以通過wifi或移動數(shù)據(jù)信號傳到PC機上或手機上，進行遠程可以監(jiān)控教室的情景。

（五）電源設(shè)計

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，可實現(xiàn)不同的供電模式。學(xué)校下課等空暇時間段設(shè)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。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

（一）無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)

每個Zigbee網(wǎng)絡(luò)中只允許有1個協(xié)調(diào)器，它具有最高網(wǎng)絡(luò)權(quán)限，是整個網(wǎng)絡(luò)的維護者，協(xié)調(diào)器最先啟動，啟動后進行能量檢測，檢測工作區(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)請求后，若允許請求，則分配一個短地址給終端，并發(fā)送相應(yīng)原語，請求入網(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)傳感器信號由各自的終端設(shè)備傳輸給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器對各類傳感器信號進行輪詢，實時處理。傳感器的協(xié)調(diào)方式遵循分布式、自組織的特點。

四、結(jié)語

社會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，未實現(xiàn)管理智能化，資源浪費嚴重。本文設(shè)計并實現(xiàn)了一套教室管理監(jiān)控系統(tǒng)，涉及教室環(huán)境監(jiān)測、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(jiān)控既方便了師生的學(xué)習(xí)生活，同時也保證了校園安全，有一定的實用價值。

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