基于MT7620與ZigBee的智慧教室實(shí)現(xiàn)

(深圳技師學(xué)院電子信息技術(shù)系 廣東 深圳 518116)

引言

隨著國(guó)內(nèi)教育的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的電子設(shè)備引入到教室，如電腦、投影儀、電動(dòng)幕布、攝像頭、燈光、功放、實(shí)物展示臺(tái)、筆記本電腦、臺(tái)式電腦、電動(dòng)窗簾等，但是這些設(shè)備除了電腦其他都不能聯(lián)網(wǎng)，無(wú)法對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，當(dāng)出現(xiàn)故障的時(shí)候無(wú)法及時(shí)解決，以致影響了上課的進(jìn)度和教學(xué)質(zhì)量。如何解決好這些設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)、實(shí)時(shí)管理以及更加便利教師的上課和學(xué)生的學(xué)習(xí)成為擺在我們面前的一個(gè)亟待解決的問題。

近年來(lái)隨著科技的發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，技術(shù)也越來(lái)越成熟。物聯(lián)網(wǎng)其英文名稱是：“Internet of things(IoT)”。顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。這有兩層意思：其一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；其二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信，也就是物物相息[1]。正是由于物聯(lián)網(wǎng)良好的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)特性，給智慧教室?guī)?lái)全新的技術(shù)手段和管理方法。為管理員提供了一個(gè)更高效的管理方式，給師生提供一個(gè)智慧化的教學(xué)環(huán)境，使學(xué)校的教學(xué)信息化程度有進(jìn)一步的提高。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本智慧教室系統(tǒng)包含了5個(gè)子系統(tǒng)：MT7620路由器子系統(tǒng)、ZigBee無(wú)線管理電器子系統(tǒng)、攝像頭監(jiān)控子系統(tǒng)、教室門口顯示子系統(tǒng)、手機(jī)APP管理子系統(tǒng)。以MT7620為控制核心，連接了ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器通過ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)管理著教室內(nèi)所有的電器，使普通的電器都可以通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行控制。教室門口顯示模塊的功能可以顯示該教室的課表，以及可以查看當(dāng)前教室上課的課程介紹、教師介紹、考勤情況等。固定資產(chǎn)管理為通過超高頻rfid對(duì)教室內(nèi)固定資產(chǎn)的數(shù)量和狀態(tài)進(jìn)行讀取，管理員可以進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。

二、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(一)MT7620路由器子系統(tǒng)

路由器子系統(tǒng)采用的主控芯片為聯(lián)發(fā)科的MT7620，MT7620A是一款非常成熟的高集成度SOC芯片，也就是常說的的“片上系統(tǒng)”，顧名思義，這款芯片集成了CPU、Baseband、Radio等功能和豐富的外圍總線接口，如UART、SPI、IIC、USB、IIS、PCM等。通俗點(diǎn)講，這要給這款芯片加上一些外圍電路，就很方便的設(shè)計(jì)一款無(wú)線路由出來(lái)。

(二)ZigBee無(wú)線管理電器子系統(tǒng)

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。其特點(diǎn)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(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[2]。

ZigBee有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)三種zigbee網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以分為三種：協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)管理整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)是路由器通過串口方式連接協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，路由器接收手機(jī)通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過來(lái)的控制命令，再通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

(三)攝像頭監(jiān)控子系統(tǒng)

攝像頭監(jiān)控子系統(tǒng)采用uvc類型的攝像頭，UVC，全稱為：USB video class 或USB video device class。是Microsoft與另外幾家設(shè)備廠商聯(lián)合推出的為USB視頻捕獲設(shè)備定義的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，目前已成為USB org標(biāo)準(zhǔn)之一[3]。將該攝像頭連接到智慧教室管理系統(tǒng)(GEC210開發(fā)板)。并且將mjpg-streamer移植到GEC210開發(fā)板，mjpg-streamer是一個(gè)開源軟件，用于從webcam攝像頭采集圖像，把它們以流的形式通過基于ip的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綖g覽器如Firefox，Cambozola，VLC播放器，Windows的移動(dòng)設(shè)備或者其他擁有瀏覽器的移動(dòng)設(shè)備。

(四)教室門口顯示子系統(tǒng)

教室門口顯示子系統(tǒng)主要完成課程信息的顯示，如當(dāng)前是第幾周、課程名稱、課程號(hào)、任課教師、上課時(shí)間、到課率、當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間等參數(shù)。由于教室門口顯示子系統(tǒng)也是智慧教室的管理系統(tǒng)需要顯示和處理的數(shù)據(jù)很多，所以對(duì)于該部分的硬件要求比較高。該子系統(tǒng)采用的是三星生產(chǎn)的S5PV210芯片，S5PV210采用了ARM CortexTM-A8內(nèi)核，ARM V7指令集，主頻可達(dá)1GHZ，64/32位內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)，32/32KB的數(shù)據(jù)/指令一級(jí)緩存，512KB的二級(jí)緩存，可以實(shí)現(xiàn)2000DMIPS(每秒運(yùn)算2億條指令集)的高性能運(yùn)算能力。

(五)手機(jī)APP管理子系統(tǒng)

手機(jī)APP管理子系統(tǒng)主要的功能為通過手機(jī)可以管理教室內(nèi)所有的電器設(shè)備，為教師和學(xué)生提供一個(gè)良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。

三、智慧教室軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智慧教室系統(tǒng)功能較多，對(duì)于軟件來(lái)說采用了服務(wù)器-客戶端的設(shè)計(jì)方式。由于不同類型的設(shè)備眾多，為了可以是不同設(shè)備之間能夠正常通訊，定義了以下的通訊協(xié)議，表1為ZigBee設(shè)備節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)。

圖1 ZigBee設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)格式

其中DeviceID所代表的設(shè)備類型如表2所示，在表1中有兩個(gè)字節(jié)表示的是設(shè)備類型(DeviceID)，其中高位字節(jié)表示的是設(shè)備的類型，其中類型有：協(xié)調(diào)器、傳感器、控制器、多合一節(jié)點(diǎn)。低位字節(jié)表示的是該類型設(shè)備又分為有具體的幾種設(shè)備，例如傳感器類型的設(shè)備中還有：溫濕度傳感器、光照度傳感器、煙霧傳感器、人體紅外傳感器?？刂破黝愋偷脑O(shè)備中還細(xì)分有：8路繼電器、紅外遙控、1路繼電器、2路繼電器、3路繼電器、窗簾。

四、結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)智慧教室系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于教室和教學(xué)，通過該系統(tǒng)可以方便地控制教室內(nèi)部的所有電器設(shè)備，使學(xué)生和教師有一個(gè)舒適智能的教學(xué)環(huán)境。應(yīng)用嵌入式技術(shù)將學(xué)生的考勤和課表的顯示和管理很清晰地呈現(xiàn)在教室門口，以方便教學(xué)督導(dǎo)和學(xué)生的查看。該項(xiàng)目綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子電路技術(shù)等諸多先進(jìn)前沿的技術(shù)，這本身就是一個(gè)很好的教學(xué)項(xiàng)目。所以該項(xiàng)目具有很高的應(yīng)用價(jià)值和參考價(jià)值。