ZigBee技術在智慧教室中的應用

李志剛

（南京城市職業學院，江蘇 南京 210002）

隨著現代化、智能化新技術的不斷發展，傳統的教學方式已經不適應新形勢下的教學需求，基于物聯網技術集智慧教學、人員考勤、資產管理、環境智慧調節、視頻監控及遠程控制于一體的新型現代化智慧教室系統在逐步推廣運用。智慧教室利用ZigBee自組網的智能硬件設備，智能化控制基礎設施系統（包括多媒體設備、電子班牌、供配電、通風空調、窗簾、燈光照明等），提供智能化的安全可靠、健康節能的教學環境，融入開放共享的理念，結合物聯網平臺，實現教學資源的高效利用，結合云服務及移動端支持，打破空間限制，實現移動設備隨時隨地遠程操控。智慧教室作為一種新型的教育形式和現代化教學手段，給教育行業帶來了新的機遇。

1 ZigBee技術的起源和特點

ZigBee協議在2003年正式問世，根據這個協議規定的技術，是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術。主要適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。ZigBee是IEEE802.15.4協議的代名詞。主要適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。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和遠近信息的，也就是說蜜蜂依靠著這樣的方式構成了群體中的通信“網絡”，因此，ZigBee的發明者們形象地利用蜜蜂的這種行為來描述這種無線信息傳輸技術。ZigBee的特點主要有以下幾個方面[1]。

（1）低功耗：在低耗電待機模式下，2節5號干電池可支持1個節點工作6～24個月，甚至更長。這是ZigBee的突出優勢。相比之下，藍牙可以工作數周，WiFi可以工作數小時。

（2）低成本：通過大幅簡化協議使成本降低（不足藍牙的1/10），降低了對通信控制器的要求，按預測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節點需要32 kB代碼，子功能節點少至4 kB代碼，而且ZigBee的協議專利免費。

（3）低速率：ZigBee工作在250 kbps的通信速率，滿足低速率傳輸數據的應用需求。

（4）近距離：傳輸范圍一般介于10～100 m，在增加RF發射功率后，亦可增加到1～3 km。這指的是相鄰節點間的距離。如果通過路由和節點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。

（5）短時延：ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15 ms，節點連接進入網絡只需30 ms，進一步節省了電能。相比較，藍牙需要3～10 s，WiFi需要3 s。

（6）高容量：ZigBee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254個子節點；同時主節點還可由上一層網絡節點管理，最多可組成65 000個節點的大網。

（7）高安全：ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用接入控制清單（Access Control List，ACL）防止非法獲取數據以及采用高級加密標準（AES128）的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

2 智慧教室設備ZigBee控制應用

智慧教室ZigBee控制設備組成如圖1所示。

圖1 智慧教室ZigBee控制設備組成

2.1 空調控制

智慧教室物聯網教室終端機通過ZigBee模塊紅外發射管發送紅外信號，由空調內置的紅外一體化接收頭接收信號，同時對信號進行放大、檢波、整形，經過解碼后作出相關應答，從而實現對空調的控制和管理。以健康、時尚、節能為理念，根據環境溫度的感知和智能系統集成技術相結合，自動執行開、關、調溫、調風等操作，通過智能優化單元，改變并優化空調壓縮機的運行曲線，以達到最大限度降低能耗，同時將教室中未在使用的空調自動關閉，提高利用效率，延長空調使用壽命。

2.2 窗簾控制

智慧教室物聯網教室終端機采用ZigBee無線通信技術和統一電源管理，通過本地觸控終端或系統后臺，對窗簾進行“定時”和“關閉”設置，同時具有與光照傳感器、燈光控制等聯動功能，如在情景模式應用中，用戶只需輕輕一點，窗簾便可以和燈光控制等聯動實現智能化操作[2]。

2.3 電源（風扇）管理

智慧教室物聯網教室終端機的ZigBee模塊PDU（電源管理器）和ZigBee智能插座可與具有開關功能的電器設備，如門鎖、風扇等綁定，通過終端機或系統后臺來控制PDU和智能插座外接負載的開和關，也可通過PDU或智能插座本身自帶的開關來控制外接負載。用戶可以通過系統和后臺查看當前負載的電流、電壓、功率和電能值。通過觸控面板或后臺系統，用戶可以根據自己的實際情況分別或集中地對設備進行開和關的操作，有效降低能源消耗，為用戶構建一個安全與方便共存，經濟與環保的電源管理平臺。

2.4 燈光控制

智慧教室物聯網教室終端機融合ZigBee智能調光開關，可與具有開關功能的設備綁定，通過已綁定設備來控制智能開關，也可通過智能開關設備本身自帶的開關來控制，從而對燈光進行人工或者自動管理。系統可根據當前教學場景和環境的判斷，自動調暗甚至關閉投影畫面附近燈光，使投影畫面更加清晰，達到智能化的目的。另外，根據教室光線的陰暗，或者根據夏冬作息時間，系統將提醒并自動執行電燈的開啟和關閉等操作，保護學生視力，節約能源。

2.5 新風系統

智慧教室物聯網教室終端機融合ZigBee新風系統控制模塊，將室外的新鮮空氣源源不斷地送入室內，使教室內空氣的潔凈度始終維持在較高的水平。另外，當教室內氣溫高于室外氣溫時，系統將自動啟動，增強教室內散熱，防止老師和學生因空氣悶熱、潮濕等引起的不舒適，保護師生身心健康。

3 智慧教室傳感器ZigBee控制應用

3.1 紅外探測傳感器

智慧物聯教室網中的紅外探測傳感器集合了ZigBee無線技術的紅外動作感應器，在紅外實時探測狀態下，如果有人或動物等生命體在監測區內活動，紅外探測傳感器可探測到紅外信號，并將該狀態信息報告給指定設備，用戶可根據回報狀態設置執行不同的指令或場景。

3.2 光照傳感器

智慧教室物聯網中的ZigBee光照傳感器通過光敏二極管感知外界光線的強度，定時發送報告，自動偵測、收集和探測環境照度，幫助用戶了解環境照度情況，從而對亮度進行人工或者自動調節，達到智能化的目的。

3.3 溫濕度傳感器

智慧教室物聯網中的ZigBee溫濕度傳感器用于采集周圍環境的溫濕度，將采集到的數據發送至系統顯示，幫助老師和學生了解環境溫濕度情況，從而對溫濕度進行人工或者自動調節，為師生營造一個舒適的學習環境。

3.4 煙霧探測傳感器

當空氣中煙霧的濃度超過所設定的界限時，智慧教室物聯網中的ZigBee煙霧探測傳感器將向系統發送報警信息，及時發出報警以提醒用戶，確保師生生命財產的安全。同時，設備具備溫度檢測的功能。當檢測到的溫度超過60 ℃時，設備也會向系統發送報警信息，系統自動發出報警。另外，通過煙霧探測傳感器可有效監控學生吸煙等不良嗜好，及時對其行為予以制止并糾正，引導學生健康成長。

4 結語

ZigBee技術在智慧教室的應用中有其自身的特點，但也有局限線，其數據速率比較低，在2.4 GHz的頻段只有250 kB/s，而且這只是鏈路上的速率，除掉信道競爭應答和重傳等消耗，真正能被應用所利用的速率可能不足100 kB/s，并且余下的速率可能要被鄰近多個節點和同一個節點的多個應用所瓜分，因此不適合做視頻傳輸等數帶寬占用量大的數據傳輸，適合其技術特點發揮的應用領域在傳感和控制系統，在智慧教室中的物聯網無線控制系統正好發揮ZigBee技術的自身優勢。