智慧教室物聯網云平臺硬件設計與實現

盧志翠

(邯鄲學院，河北 邯鄲 056005)

智慧教室物聯網云平臺分為教室環境采集部分、數據網絡傳輸部分和軟件平臺決策管理部分，對應了物聯網的四層結構。感知層是教室信息的采集，通過網絡將數據傳遞到云端服務器，應用層的軟件系統收集數據，進行分析和處理，作出判斷，將數據展示給用戶，并通過人機交互，實現對智慧教室全方位控制[1-4]。

1 智慧教室數據傳輸設計思路

面向智慧教室的數據傳輸設計主要實現物聯網云平臺的感知層和網絡層。包括ZigBee網絡的終端節點硬件結構設計以及對處理芯片和傳感器的選型，終端節點程序設計與功能的實現，網絡通信協議的規范格式和協議通訊程序設計，實現對智能教室數據間的雙向傳輸。智慧教室數據傳輸結構框架圖如圖1所示。

圖1 網關結構框架圖

終端節點按照協議棧格式自動加入ZigBee網絡，并將采集到的教室內環境參數數據實時通過ZigBee協議傳輸給協調器模塊。ZigBee協調器模塊把接收到的各終端節點的數據依據定義好的數據幀格式進行數據重組，將設置完成的數據幀經過串口傳輸到WiFi模塊，并通過WiFi模塊把數據傳輸到軟件云平臺。軟件云平臺把接收到的數據按照數據幀格式進行數據提取后存儲到數據庫。

2 基于ZigBee技術的硬件設計

教室內終端節點的硬件采用的是TI公司的CC2530作為主芯片，選用DHT11溫濕度傳感器、人體紅外感應傳感器、光敏電阻傳感器、MQ2煙霧傳感器等來采集教室的環境參數。為了硬件電路設計簡單和通用，采用了核心板加底板的設計方案，核心板由具有ZigBee功能的芯片和無線通信部分構成，并通過排針把所有I/O口引出與底板進行連接，底板上預留出各種傳感器接口和調試通信接口。

2.1 ZigBee網絡節點結構和主芯片設計

ZigBee核心板最關鍵部位就是芯片選擇，該芯片必須能夠實現無線傳感器網絡對各種數據的處理，包括存儲、傳輸和數據包裝封，要求與ZigBee模塊的低功耗、低成本、穩定性強等特性相吻合。因此，本文設計選用CC2530芯片作為ZigBee技術的核心芯片。CC2530芯片是TI設計的專門用于無線傳感網絡中進行數據處理的集成芯片，它工作在2.4GHz頻率端上，IEEE802.15.4的協議標準，具有高性能、低功耗的8051微控制器內核；具有8路輸入的8～14位ADC，1個16位、2個8位的定時器；具有高級的加密標準的處理器，21個通用I/O引腳以及2個具有20mA的電流吸收或電流供給功能。供電電源3.3V。該芯片具有可靠性高、通信距離比較遠、增加PA功能后距離會更遠等優良性能。CC2530芯片具有256kB、128kB、64kB、32kB四種閃存，該芯片具有豐富的外接引腳，芯片采用的RF布局，具有非常高的抗干擾能力和靈敏度，完全可以滿足ZigBee組網的需求。

2.2 ZigBee通用模塊硬件設計

設計ZigBee核心板，主要用于教室內所有終端模塊的組網，將傳感器和控制器與ZigBee核心板通過I/O口相連接，實現所有模塊組網，與ZigBee協調器形成每間教室的內控網絡。由于每一個芯片I/O數量有限，為了滿足大部分節點通用性要求，預留多個不同傳感器和控制器I/O口，硬件電路采用集CC2530的系統板與擴展板相結合方式進行開發，擴展板上面有電源接口、指示燈、調試接口、傳感器和控制模塊接口、液晶顯示屏、復位和USB轉串口各種電路設計，以滿足各個不同節點的正常工作的需求。

核心板以CC2530芯片為核心，主要由為芯片提供能源的電源電路、時鐘電路、射頻電路和I/O擴展電路構成。電源電路部分由DC3.3V電源為芯片提供電源，并通過電容元件和電感元件為電源進行濾波；時鐘電路由32k和32M的雙晶振電路為核心板提供時鐘信號；射頻電路為ZibBee模塊之間的無線通信建立起通信通道能夠工作在2.4GHz頻段上，具有16個傳輸信道，可根據環境進行切換可靠的通信信道，其功耗低，使用2.4G全向天線，在空曠無阻礙的空間直線距離可達300m左右。I/O擴展電路把CC2530的所有全部I/O口通過標準的2.54排針接口引出，方便與擴展模塊進行連接，使I/O資源的利用最大化。

ZigBee擴展板（底板）主要是配合ZigBee核心板研發和使用的底板，可以將集有CC2530芯片的ZigBee核心板直接插到底板上，具體功能如下。

1)電源：擴展板采用DC5V供電，由USB接口和外部電源兩種方式供電，輸入電源由AMS1117-3.3電源芯片轉換后給核心板進行供電。在底板上留用5V和3.3V電源接口，方便連接其它外圍設備。

2)按鍵：在擴展板上接有3路按鍵，一路連接芯片的復位引腳用于芯片的復位；另外兩路連接芯片的外部中斷，用于控制信號輸入。

3)LED燈：在擴展板上有6路LED燈，一路用于電源指示燈，兩路用于串口數據收發的指示燈，另外3路通過IO口與芯片連接，可以用于程序運行狀態的指示燈。

4)調試接口：用于程序的下載和調試。

5)液晶接口：為了更方便觀察程序的運行，在擴展板上設計了SPI接口的TFT屏，可以把程序的運行過程實時顯示在液晶屏上，方便程序的調試，在程序調試沒有問題后也可以不安裝液晶屏。

6)USB轉串口：現在的電腦上都已經不帶串口接口，而芯片的通信輸出最常用的就是串口，為了方便芯片調試和與電腦進行通信，在擴展板上增加了USB轉串口模塊。

7)CC2530接口：所有的芯片都通過排針連接到了擴展板，然后根據不同的外圍設備進行I/O口的選擇。

3 ZigBee組網與地址分配

每間教室作為一個ZigBee內部網絡，協調器周期性的對數據采集結點進行數據查詢，對應的結點接收到的查詢指令后按照指定的數據幀格式進行數據返回，如果遇到突發緊急事件，終端結點也可以主動向協調器發送數據。網內的數據傳輸是根據ZigBee模塊的網絡號和設備短地址進行。當初始設置時，先設定每個結點所屬網絡的網絡號，再對網絡中每個終端結點進行地址分配，通過這種方式來確定網絡中每個節點地址的唯一性，避免相鄰教室內數據接收錯誤[5]。

本文根據IEEE 802.15.4標準的ZigBee協議，定義了一套幀格式對數據進行傳輸。

1)查詢幀：作用是把終端節點傳感器采集的數據通過規定的格式進行封裝打包發送到協調器上，協調器根據這個協議格式對數據進行識別拆封，具體的接收目標是由這種幀結構組成的，“目標地址”的具體格式如表1所示。

表1 查詢幀格式

2)控制幀：作用是根據這個標準控制指令通過協調器將數據封裝打包發送給終端節點，終端節點根據幀標準對指令進行識別，具體格式如表2所示。

表2 控制幀格式

3)返回幀：作用是將無線模塊網絡的運行情況反饋給自身的串口上的外設，具體格式如表3所示。

表3 返回幀格式

以溫濕度傳感器返回幀為例，在ZigBee模塊的數據幀基礎上，進行修改，幀長為6字節，其中ZigBee模塊數據類型1字節，目的地址為2字節，數據長度為1字節，數據為2字節分別為溫度和濕度值，校驗為1字節。協調器對接收到的數據進行驗證，返回0x00表示接收到的數據是正確的，返回0x01表示當前接收到的數據是錯誤的。當接收到的數據是錯誤的，協調器重新發送查詢指令給溫濕度采集結點，直到接收到正確的溫濕度值或都達到最大查詢次數為止。

4 ZigBee與WiFi網關

面向智慧教室的物聯網云平臺是將軟件和硬件相結合的復雜體系。硬件設備有各種各樣的種類。不同設備之間的通信協議標準不同。一些設備采用串行通信協議，一些設備使用HTTP通信協議。這些通信協議的不同標準導致傳輸數據結構的混亂，不能統一使用且不利于軟件系統的升級和維護以及硬件系統的擴展。因此，在本文中建立智慧教室網關系統的通信協議標準非常重要。

設置ZigBee與WiFi連接的通信協議，適用于本文智慧教室系統中的ZigBee網關和相關設備的控制，以及系統連接，實現數據在ZigBee網絡和網關服務器以及外部Internet的信息傳輸。協議中包含串口控制協議以及TCP/TP協議棧的數據封裝結構體。串口控制協議為用戶提供了對WiFi模塊的控制訪問通道，用戶可以通過串口實現ZigBee模塊和管理系統的數據通信，完成數據的傳遞，參數的修改等。

在智慧教室系統中，由一個ZigBee協調器管理節點和若干個ZigBee終端設備節點組成，協調器節點與上位機的軟件管理系統通過WiFi進行通信，協調器與WiFi通過串口通信，協調器每完成一個周期的數據查詢后把數據進行封裝，然后使用AT（Attention）指令把數據通過串口發送到WiFi模塊，WiFi模塊再通過TCP/IP協議把數據發送給管理系統。

首先初始化系統的各個功能設備，配置協議參數，ZigBee協調器與WiFi模塊通過串口協議相連接，對串口進行初始化，檢查設計的數據幀格式是否正確，然后根據預設的參數將WiFi模塊加入WiFi網絡，通過TCP/IP協議，將數據上傳到服務器端。

各模塊傳遞數據的數據包均以數據幀傳遞，設置的數據幀格式如表4所示。

表4 WiFi模塊通信數據幀格式

根據數據協議：以“0x5775”作為目標地址，即數據要傳輸到什么位置；以“0x51”為數據上傳指令，用一個字節存儲上傳數據的長度，用一個字節存儲溫度值，用一個字節存儲煙霧濃度值。

5 智慧教室感知模塊設計與實現

智慧教室的數據采集模塊設計主要工作是選擇合適的傳感器，連接通用的ZigBee核心板擴展接口實現教室內各種環境指數的采集，包括對溫濕度采集、光照度采集、煙霧濃度采集、人員存在情況采集等，最終確定選用DHT11溫濕度傳感器。溫濕度傳感器電路連接原理圖如圖2所示。

圖2 溫濕度傳感器電路連接原理

溫濕度傳感器接口1是接3.3V電源，接口2是IO口的輸出，與ZigBee的IO口連接，實現溫濕度的讀取，接口3是連接地線。

用于教室內光照度環境監測的傳感器電源部分采用3.3V供電，數據端口連接CC2530芯片的P0_5接口，光敏電阻電路連接原理圖如圖3所示。

圖3 光敏電阻電路連接原理圖

光敏電阻傳感器接口1是接3.3V電源，接口3是IO口的輸出，與ZigBee的IO口連接，實現光照度的讀取，接口2是連接地線。

教室內安裝煙霧傳感器主要目的是通過傳感器檢測室內的煙霧濃度，并通過模擬端口輸出電壓值?？刂破魍ㄟ^外部端口讀取到的AD值并上傳到管理系統。管理系統根據設定的域值來判斷教室內煙霧濃度是否超過警戒值。系統通過一系列控制算法，對此情況做出判斷，反饋給用戶，同時控制教室內設備，發出報警。煙霧采集模塊電路圖如圖4所示。

圖4 煙霧采集模塊電路圖

煙霧傳感器接口1是接5V電源，接口3是IO口的輸出，與ZigBee的IO口連接，實現煙霧濃度的讀取，接口2是連接地線。

人體紅外感應模塊功能特點：當人員進入感知范圍，大約7m左右，就會輸出高電平信號，離開其感知范圍就會自動延時關閉，輸出低電平。該設備的工作電壓范圍是4.5V～20V。功耗相對比較低，非常適合現在的鋰電池供電。根據其特點，人體紅外感應模塊電路圖如圖5所示。

圖5 人體紅外感應模塊電路圖

人體紅外感應傳感器接口1是接5V電源，接口2是IO口的輸出，與ZigBee的IO口連接，實現人員數的讀取，接口3是連接地線。

6 小結

本文對智慧教室物聯網云平臺的感知層和網絡層進行了設計與實現，完成了終端節點采集模塊的電路圖設計和模塊的選型，規范了ZigBee組網的數據幀格式和WiFi模塊的數據幀格式，通過程序燒錄實現了終端模塊的感知功能、ZigBee網絡進行數據的傳遞，為下一步與面向智慧教室的軟件云平臺系統連接奠定網絡基礎。