基于ZigBee的智能教室監控系統設計

鄒艷華

摘 要：為了提升智能教室的設備利用率和維護效率，設計了基于ZigBee的智能教室監控系統。該系統由部署在教室里的傳感器采集教室信息，通過ZigBee網絡將信息匯聚到協調器，并經過STM32控制中心處理，上傳到遠程數據庫進行管理。用戶通過登錄系統，能夠實時監測教室里的環境，遠程控制設備開關，并能在管理界面預先設定環境閾值，實現設備的自動化管理。同時，在教室外連接液晶顯示屏，數據經過網關處理之后顯示在顯示屏上，用戶可通過顯示屏查看室內人數、溫度、濕度等數據信息，從而幫助督導查課、學生快速找到合適的自習室。經測試，該系統操作簡便，能夠穩定地采集教室信息、準確控制設備，具有較好的實用前景。

關鍵字：ZigBee;智能教室;STM32;繼電器

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）29-0007-04

Design of Intelligent Classroom Monitoring System Based on ZigBee

ZOU Yanhua

（Wuchang Polytechnic College，Wuhan Hubei 430070）

Abstract： In order to improve the equipment utilization and maintenance efficiency of the smart classroom， a ZigBee-based smart classroom monitoring system was designed. The system collects classroom information by sensors deployed in the classroom， converges it to the coordinator through the ZigBee network， and processes it through the STM32 control center， and finally uploads it to the remote database for management. By logging in to the system， users can monitor the environment in the classroom in real time， remotely control the switch of equipment， and can pre-set environmental thresholds on the management interface? to realize the automatic management of the equipment. At the same time， an LCD screen is connected outside the door of the classroom， and the data is displayed on the screen after being processed by the gateway. Users can view the umber of people in the room， temperature and humidity and other data information through the screen，so as to help supervisors check classes and students quickly find a suitable self-study room.The test results show that the system is easy to operate， can stably collect classroom information， and accurately control equipment， which has a good practical prospect.

Keywords： ZigBee;smart classroom;STM32;relay

科技的發展為教學提供了新的方式，教育服務措施依照新的教學目標得到了相應的調整。智能教室將網絡技術和多媒體設備相連，為教師教學提供了多種多樣的輔助功能，也為學生學習提供了舒適的環境[1-2]。調研發現，許多目前高校教室仍然采用傳統的人工管理方式，即教師和學生下課離開教室后，由管理員逐一檢查教室里的燈、風扇、空調是否關閉，或指定學生值班管理教室。當設備出現故障時，需要人工進行統計，統計周期長，不能及時了解設備故障情況，導致設備利用率不高，出現資源浪費的情況[3-4]。因此，傳統的教室管理方式難以滿足智能教室對設備的管理需要，限制了智能教室在學校教學中的普遍推廣，也不利于響應國家關于節能減排、低碳生活的理念[5]。

基于此，筆者設計了一套基于ZigBee的智能教室監控系統。該系統利用部署在教室的傳感器節點采集教室內的溫度、濕度、光照強度、煙霧等信息，數據通過ZigBee網絡傳輸到網關，網關以STM32單片機為核心，外接液晶顯示屏，數據經過網關處理之后顯示在教室門口的液晶顯示屏上，同時遠程上傳到數據庫進行管理。一方面，用戶可在教室門口的顯示屏上查看室內人數、溫度、濕度等數據信息，幫助學生快速找到合適的自習室;另一方面，用戶可以登錄監控系統界面遠程實時地監測教室信息，控制教室里的燈、風扇、空調等設備開關，并且可以根據教室人數和溫度數據預先設定閾值，實現設備的自動化管理。

1 系統總體設計

本系統主要由教室現場環境監測子系統和上位機監控系統兩部分組成。系統體系結構如圖1所示。

教室現場環境監測子系統由傳感信息采集和繼電器控制兩部分組成。通過在教室中合理部署ZigBee傳感采集節點和ZigBee繼電器控制節點兩類終端節點，組建ZigBee網絡。終端節點將接收的信號廣播到協調器節點[6]，協調器通過串口連接單片機，數據最終匯聚到以單片機為核心的網關節點，最后由網關節點利用通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service，GPRS）模塊將數據上傳到遠程數據庫，實現遠程監控教室設備的開關、溫度、濕度控制和煙霧報警功能[7]。

上位機監控系統為用戶提供了遠程監控的人機交互界面。智能網關通過GPRS網絡將數據發送到網絡中，遠程在線用戶可通過個人計算機、智能手機或者平板等設備實時監測教室信息，并且可以實時對擁有訪問權限的ZigBee終端節點進行參數設置、數據實時監控，滿足智能教室遠程控制的需求。

2 系統硬件設計

2.1 網關設計

網關是系統的核心設備，以STM32單片機為核心進行數據處理，在網絡中起到承上啟下的作用。網關節點的硬件結構如圖2所示。CC2530協調器接收到終端節點發來的信息，通過串口將數據傳輸至STM32單片機。數據經過網關處理后，利用GPRS模塊和Ethernet模塊及時傳輸至遠程數據庫，方便教師遠程監測教室情況。同時，傳感器采集的環境數據和紅外傳感器采集的人數統計數據匯聚到網關，數據經網關轉換之后顯示在教室門口的液晶顯示屏上，方便教師督導查課和學生選擇自習室。

2.2 終端節點設計

終端節點包括傳感采集節點和繼電器控制節點，終端節點的硬件結構如圖3所示。教室內部ZigBee網絡采用星形網絡結構，傳感器和繼電器控制節點分別將教室內的環境信息和設備的開關狀態廣播到協調器，數據由協調器傳輸至網關，并由網關及時上傳至數據庫。教師可登錄上位機系統界面進行遠程操作，利用驅動網關單片機將控制信息通過串口發送給協調器，再由協調器將控制信息發送至控制節點，從而實現設備的遠程開關、煙霧報警等功能。

2.3 繼電器設計

教室設備電源的開合由繼電器控制實現[8]，當控制節點收到管理系統的回調命令后，通過控制繼電器的開合實現電源管理，繼電器的開關電路如圖4所示。CC2530連接繼電器，選用MOS管控制繼電器的關合。配置P0_7口為輸出，當輸出為高電平時，MOS管導通，線圈中有電流，從而導致繼電器吸合;當輸出為低電平時，MOS管截止，線圈中電流不足或無電流，從而導致繼電器斷開。其中，在電路的線圈回路中加一個二極管D1，防止MOS管的集電極承受瞬間高壓而造成設備損壞。

2.4 人數統計模塊設計

人數統計模塊主要由紅外對管和LM324電壓比較器組成[9]，人數統計模塊的硬件電路如圖5所示。當無紅外光照射時，紅外接收頭有很小的飽和反向漏電流，光敏管不導通，紅外接收管反向電壓增大，導致電壓比較器輸出為低電平;當有紅外光照射時，紅外接收頭飽和反向漏電流快速增加，光敏管導通，形成光電流，紅外接收頭反向電壓較小，導致電壓比較器輸出為高電平。數據經過單片機的處理后輸出精準的計數值。首先根據接收管是否準確接收到紅外線來判斷是否有人通過，接著根據兩組紅外對管來判斷通過的人是進入還是外出，最后通過統計進出的人數來判斷教室中現有學生的數量，進而實時更新教室門口液晶顯示屏上的人數。

3 系統軟件設計

本系統ZigBee網絡軟件設計由協調器發起網絡，網絡創建成功后，終端節點加入網絡。協調器上電后，首先初始化網絡，通過能量掃描，在編號11～26選擇一個能量最少的信道創建網絡，接著分配一個16位的PAN ID，然后設置網絡短地址，在配置好以上參數之后，開始格式化網絡。協調器的組網流程如圖6所示。

網絡創建成功后，將網絡狀態設置為允許節點加入，等待終端節點請求加入該網絡。終端節點入網流程主要語句代碼如下：

if（ZG_BUILD_JOINING_TYPE&&（

logicalType == NODETYPE_ ROUTER||

logicalType == NODETYPE_DEVICE））

{

if（（startMode == MODE_JOIN）||

（startMode == MODE_REJOIN））

{

devState = DEV_NWK_DISC;

ret = NLME_NetworkDiscoveryRequest（

zgDefaultChannelList，//默認的信道列表

zgDefaultStartingScanDuration//掃描信道的時間

）; }

}

終端節點加入網絡流程圖如圖7 所示。

終端節點加入網絡并綁定成功之后，就可以周期性地向網絡中發送信息，從而與協調器進行正常的數據收發。

4 系統測試與分析

該系統硬件連接測試如圖8所示。從教室中采集的溫度值、濕度值、光照強度值、人數統計數據值傳輸至協調器網關，再通過GPRS上傳到上位機監控平臺。平臺實時查詢數據流，并將最新的數據顯示在界面上，繪制成動態圖表，如圖9所示。

5 結語

經測試，用戶通過登錄系統，能夠實時監測教室里的環境，統計進出教室的人數，遠程控制設備開關，并可在管理界面預先設定環境閾值，實現設備的自動化管理。測試效果良好，達到了預期設計的目的。該系統操作簡便，能夠穩定地采集教室信息，并準確地控制設備，具有較好的實用前景。

參考文獻：

[1]胡衛星，田建林.智能教室系統的構建與應用模式研究[J].中國電化教育，2011（9）：127-132.

[2]陳潔.淺談智能教室建設[J]，新課程，2015（7）：330-331.

[3]馬朝鵬，張毅.智能教室功能需求調查研究[J].中國教育信息化，2019（15）：76-79.

[4]趙勝利，鐘妤玥，吳松林，等.大學自習教室優化設置研究[J].后勤工程學院學報，2013（3）：83-89.

[5]王涵.中國節能減排的環境法律問題及對策研究[J].環境科學與管理，2018（11）：14-18.

[6]馬祖長，孫怡寧，梅濤.無線傳感器網絡綜述[J].通信學報，2004（24）：114-124.

[7]徐小玲，劉美，李緒政.基于STM32的無線智能家居終端設計[J].電子設計工程，2016（3）：176-180.

[8]張敏，董學勵.ZigBee無線網絡在開放實驗室電源控制中的應用[J].科學技術與工程，2012（8）：1920-1922.

[9]樂麗琴，賀素霞，吳亮，等.自習室、圖書館人數監測統計顯示系統設計[J].電子設計工程，2013（23）：160-162.