物聯(lián)網(wǎng)技術在“家園共育”中的應用研究

趙義+曹映紅++張莉萍

摘要：物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術的重要組成部分，是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。廣泛應用在安防反恐、市政管理、節(jié)能環(huán)保、醫(yī)療健康、交通管理、能源電力、物流零售、智能工農(nóng)業(yè)、金融保險、智能建筑等領域。本文是湖北省教育廳科學技術研究計劃指導性項目“物聯(lián)網(wǎng)技術在幼兒教育中的應用研究”階段性成果，主要闡述如何利用物聯(lián)網(wǎng)技術搭建教育信息平臺，促進家園共育，實現(xiàn)幼兒園，幼兒園教師，幼兒，幼兒家長及時有效溝通。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；家園共育；無線傳感器網(wǎng)絡；智慧幼兒園

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）14-0031-03

1 物聯(lián)網(wǎng)技術概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)定義

物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按照約定通信協(xié)議，把物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡概念。“IOT，The Internet of Things”，就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

IOT的體系結(jié)構(gòu)由3層組成，其模型如圖1所示。分別為感知層、網(wǎng)絡層和應用層。下面簡要各層次的功能和作用。

1）感知層

物聯(lián)網(wǎng)的核心，是信息采集的關鍵部分。感知層位于物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)中的最底層，其功能為“感知”，即通過傳感網(wǎng)絡獲取環(huán)境信息。感知層是物聯(lián)網(wǎng)的核心，是信息采集的關鍵部分。

感知層技術包括傳感器技術、二維碼技術、射頻識別（RFID）技術、ZigBee、藍牙等相關技術。

2）網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層為第二層，其功能為實現(xiàn)信息的“傳送”，即通過通信網(wǎng)絡進行信息傳輸。網(wǎng)絡層是感知層和應用層聯(lián)系的媒介和橋梁，它由各種私有網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)等組成，相當于人的神經(jīng)中樞系統(tǒng)，負責將感知層獲取的信息，安全可靠地傳輸?shù)綉脤?，然后根?jù)不同的應用需求進行信息處理。

網(wǎng)絡層技術包括移動通信網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)、信息中心、網(wǎng)管中心、云計算平臺等。

3）應用層

應用層根據(jù)不同用戶的需求向用戶提供各類管理平臺和運行平臺，并根據(jù)各種應用的特點集成相關的內(nèi)容服務。應用層通過各類用戶界面顯示設備以及其他管理設備來為用戶提供服務。

應用層的應用包括物流監(jiān)控、污染監(jiān)控、智能檢索、遠程醫(yī)療、智能家居、智能交通等。

2 核心技術分析

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡

無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network， WSN）是由大量的傳感器組成，以分布式的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡，其傳感器節(jié)點以靜止或移動的方式分布與協(xié)作。以無線傳輸方式，將整個網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)被感知對象的信息通過感知、采集、處理，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡的所有者。無線傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 新型的無線傳感器網(wǎng)絡

無線傳感器網(wǎng)絡主要應用在采集位置、光強、溫度、濕度、壓力、生化等可量化數(shù)據(jù)。同時，對視頻、音頻、圖像等多媒體信息的獲取也成為我們在醫(yī)療監(jiān)護、交通監(jiān)控、智能家居等領域中的實際需求。因此，無線多媒體傳感器網(wǎng)絡成為一種解決方案。無線多媒體傳感器網(wǎng)絡（WMSN，Wireless Multimedia Sensor Networks）是以傳統(tǒng)WSN為基礎，導入視頻、音頻、圖像等多媒體信息感知功能而產(chǎn)生的新型傳感器網(wǎng)絡。無線多媒體傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 “智能環(huán)境檢測系統(tǒng)”解決方案

“智慧幼兒園”是以物聯(lián)網(wǎng)為基礎通過物聯(lián)網(wǎng)感知層的各類感知設備借助互聯(lián)網(wǎng)覆蓋全校園，利用智能網(wǎng)關給予認證，結(jié)合攝像頭，將學校資源整合到互聯(lián)網(wǎng)上的一項智能應用。智慧幼兒園以物聯(lián)網(wǎng)技術為基礎，將各種應用服務系統(tǒng)集成，使幼兒園保教工作、園務管理和家園共育充分有效融合。

環(huán)境是人們賴以生存的必要條件，特別是幼兒在園的環(huán)境更是家長關心和關注的焦點。智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對幼兒園室內(nèi)環(huán)境的實時監(jiān)測，實時為用戶提供可靠并且全面的環(huán)境信息。通過系統(tǒng)，家長可以獲得實時的居住環(huán)境信息，如溫度和濕度、各種有害氣體的濃度、光照強度、火災信息等。同時，此系統(tǒng)中傳感器所得到的環(huán)境參數(shù)可以為其他幼兒園設備做決策參考，最終由智能園所系統(tǒng)實現(xiàn)對園所環(huán)境的智能調(diào)節(jié)。因此，智能園所系統(tǒng)為用戶提供了安全、舒適、便捷生活的環(huán)境，從而使環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)成為了智能園所系統(tǒng)的一個非常重要關鍵部分與基本環(huán)節(jié)，，能否擁有一個好的智能家居系統(tǒng)的關鍵在于能否設計出好環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)，這對改善人們生活環(huán)境的舒適度有非常重要的意義。

3.1 ZigBee 技術

ZigBee 技術主要用于低數(shù)據(jù)傳輸速率并且傳輸距離要求不是很遠的各種通信設備之間[3]。ZigBee的名字主要來源于蜜蜂通過跳 ZigZag形狀的舞蹈來傳遞所發(fā)現(xiàn)的食物的位置、距離和方向等信息，一只一只的傳遞下去，此種技術與蜜蜂的這種通信方式相類似。ZigBee聯(lián)盟則于2001年成立，而在2002年下半年，以及四大半導體公司共同宣布加盟ZigBee技術聯(lián)盟，以研發(fā)名為ZigBee的新一代無線通信標準。而在2006年作為中國通信行業(yè)龍頭的華為公司亦加入了此聯(lián)盟。ZigBee網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

3.2 智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)方案

基于ZigBee技術的無線傳感器網(wǎng)絡環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，故根據(jù)ZigBee技術的標準和特點設計了由多傳感器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點和PC組成的該系統(tǒng)。其中，傳感器節(jié)點通過無線技 術與協(xié)調(diào)器進行信息的交換；協(xié)調(diào)器則通過串口 進行相連通信。本文設計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

系統(tǒng)功能定義：

1）溫度濕度：溫度傳感器可以在用戶設定的頻率下采集區(qū)域的溫度信息，并將其發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點進行處理，再由協(xié)調(diào)器將處理結(jié)果數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到PC，此時，PC可按之前用戶設置好的參數(shù)和程序?qū)照{(diào)系統(tǒng)進行控制，從而實現(xiàn)對室內(nèi)溫度的控制，當然這些是后續(xù)控制，不在本文討論范圍內(nèi)。

2）濕度：通過濕度傳感器對濕度信息的采集，再經(jīng)由PC的處理后，對加濕器進行控制，即可達到科學明了地控制室內(nèi)的濕度。

3）煙霧：當系統(tǒng)檢測到煙霧濃度大于用戶設定是初值時，PC會立即發(fā)送報警信號到報警裝置或者是家庭成員的手機或直接報警，PC在啟動報警裝置的同時，或可以自動控制開窗，以達到室內(nèi)空氣流通的效果，保證家庭成員的安全。

4）燈光：光敏傳感器可以將感知的光線強度信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器則將信息傳輸?shù)絇C，經(jīng)過處理和判斷光線強度控制窗簾的開關或燈的開關。當光線過強時，可以控制窗簾自動合起，反之則可以控制其打開或電燈打開。

4 結(jié)論

“物聯(lián)網(wǎng)技術在幼兒教育中的應用研究”項目由物聯(lián)網(wǎng)技術教學應用子模塊、物聯(lián)網(wǎng)技術教育管理應用子模塊、物聯(lián)網(wǎng)技術教育信息應用子模塊構(gòu)成。本文論述的是物聯(lián)網(wǎng)技術教育信息應用子模塊內(nèi)容。通過無線傳感器網(wǎng)絡，利用ZigBee技術設計智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，為智慧幼兒園提供了一種可行的整體解決方案。

參考文獻：

[1] ITU， ITU Internet Report 2005： The Internet of Things， ITU， 2005.

[2] Commission of the European Communities， Internet of Things-An action plan for Europe， Commission of the European Communities， 2009.

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