基于無線混合組網(wǎng)技術(shù)的高校教室智能系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

易丹　劉國成　霍睿

摘? ?要：目前高校教室正朝著智能化、節(jié)能化的方向發(fā)展。文章以廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院的傳統(tǒng)教室智能化升級改造為例，提出一種基于多協(xié)議無線混合組網(wǎng)技術(shù)的無線后裝系統(tǒng)解決方案，通過ZigBee，WiFi，HomeRF等無線后裝模塊的混合組網(wǎng)，實現(xiàn)對燈光、窗簾、空調(diào)等設(shè)備的智能控制以及AI語音控制、智能安防等功能。實踐證明，無線智能后裝系統(tǒng)節(jié)能效果好、穩(wěn)定可靠、操作方便，以較低的成本實現(xiàn)了對傳統(tǒng)教室智能化改造的目的。

關(guān)鍵詞：智能教室;無線混合組網(wǎng);后裝系統(tǒng)

高校傳統(tǒng)教室升級成智能教室，可采用前裝方案或后裝方案;根據(jù)通信技術(shù)標準可采用有線方案或無線方案[1]。目前，后裝系統(tǒng)的教室智能升級改造普遍基于某一種無線技術(shù)，比如ZigBee或者WiFi，單一的組網(wǎng)技術(shù)存在一些弊端，如功能和場景較為單一、傳輸數(shù)據(jù)格式受限、能耗偏高等[2]。本文以廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院（以下簡稱廣鐵職院）智能化教室升級改造為例，提出一種多協(xié)議無線混合組網(wǎng)技術(shù)的智能后裝方案。

1? ? 無線組網(wǎng)技術(shù)解決方案

1.1? 無線組網(wǎng)技術(shù)對比分析

智能家居的常用無線技術(shù)有WiFi，Bluetooth，HomeRF，Z-Wave，ZigBee等。不同的無線協(xié)議有各自的優(yōu)缺點，可根據(jù)不同的場景選擇合適的無線方案，吸納各自的優(yōu)點。WiFi的傳輸速度快，信號范圍可達100 m，平均傳輸速率可達到11 Mbps，但功耗相對較高，適合數(shù)據(jù)格式較大的多媒體數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳送;ZigBee功耗低、可接入節(jié)點數(shù)多、響應(yīng)時間短、傳輸慢、可自組網(wǎng)，適合傳輸字節(jié)數(shù)不多的場景，如傳感器檢測數(shù)據(jù);Bluetooth接入節(jié)點數(shù)受限制;HomeRF速率快、安全可靠、支持流媒體等。

1.2? 基于多功能網(wǎng)關(guān)的ZigBee，WiFi和HomeRF兼容性解決方案

目前高校智能教室的無線組網(wǎng)一般基于某一種無線技術(shù)，使混合組網(wǎng)方案的通信干擾問題一直存在。從ZigBee與WiFi工作時的頻譜看，工作頻率是互相沖突的。研究發(fā)現(xiàn)WiFi干擾的存在導(dǎo)致ZigBee網(wǎng)絡(luò)丟包率高達58%，從發(fā)射功率、CSMA機制的回退時間、數(shù)據(jù)幀間隔等參數(shù)，都可以看出WiFi節(jié)點在獲取信道方面具有壓倒性優(yōu)勢，對ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信性能產(chǎn)生嚴重影響[3]。

本智能教室采用了一種基于ZigBee+WiFi+HomeRF的多協(xié)議混合組網(wǎng)技術(shù)，主控模塊采用貝樂智能科技有限公司的多功能智能網(wǎng)關(guān)，可兼容ZigBee，WiFi，HomeRF協(xié)議，干擾影響大幅減少。智能主機將ZigBee芯片JN5168和WiFi模塊集成在電路板上，芯片采用MuZi-Mulit Channel ZigBee（多通道ZigBee）通信機制算法，首先，通過ZigBee的信道空閑評估（CCA）機制，啟動干擾檢測，對范圍內(nèi)的干擾級別進行評估，若WiFi和HomeRF干擾達到一定程度，則啟動信道切換過程。其次，為避免信號頻繁切換，最小化全網(wǎng)目標的信號數(shù)量，每個節(jié)點會維護一張鄰居信道表，當(dāng)信道進行切換時，將其選擇的目標信道通知其臨近節(jié)點[4]。

2? ? 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)主要完成對教室中各項環(huán)境信息、空間信息等的獲取，通過ZigBee，WiFi，HomeRF模塊將數(shù)據(jù)傳至上位機，手機APP可通過4G模塊遠程控制教室中各類電器的工作狀態(tài)。本系統(tǒng)硬件模塊由主控模塊、傳感檢測模塊、電器控制模塊、安防報警模塊、AI語音控制模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)整體設(shè)計如圖1所示。

主控模塊由智能網(wǎng)關(guān)主機、上位機PC組成。智能網(wǎng)關(guān)主機兼容多協(xié)議無線混合組網(wǎng)，自組網(wǎng)、自恢復(fù)、高度穩(wěn)定，通過串口連接上位機PC，實現(xiàn)上位機和各個模塊之間的信息傳遞。傳感檢測模塊由傳感器節(jié)點和ZigBee無線模塊組成，傳感器節(jié)點包括室內(nèi)溫濕度檢測、光照度檢測、人體存在感應(yīng)檢測、煙霧檢測;ZigBee無線模塊采用基于CC2530的射頻模塊。電器控制模塊由單片機、智能電器和ZigBee無線模塊組成，包括空調(diào)、智能窗簾、電燈、背景音樂的開關(guān)控制等，通過數(shù)據(jù)監(jiān)測，實現(xiàn)自動化控制和遠程控制。安防報警模塊包括攝像頭和紅外傳感器，攝像頭采用WiFi模塊與主控模塊通信;紅外傳感器通過傳輸接口單元，與主控模塊進行通信。AI語音控制模塊由基于X1800核心板的AI語音控制平臺和WiFi無線模塊組成。

3? ? 系統(tǒng)功能設(shè)計

3.1? 模塊選型和組網(wǎng)

系統(tǒng)所有模塊及系統(tǒng)元件采用貝樂智能科技有限公司的模塊化產(chǎn)品。系統(tǒng)各個無線模塊功能如表1所示。

系統(tǒng)組網(wǎng)基于ZigBee+WiFi+ HomeRF的混合協(xié)議組網(wǎng)：WiFi模塊負責(zé)遠程視頻監(jiān)控、LCD 終端顯示、AI智能語音控制和背景音樂數(shù)據(jù)傳輸功能;ZigBee模塊負責(zé)光照度、煙霧、紅外等傳感器終端的數(shù)據(jù)采集以及燈光、空調(diào)和窗簾等終端的智能控制功能;HomeRF模塊負責(zé)智能插座、智能門鎖等終端控制功能。

智能教室無線后裝系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2? 傳感檢測模塊設(shè)計

傳感檢測模塊包括煙霧檢測、光照度檢測、溫濕度檢測和人體紅外感應(yīng)，采用ZigBee通信協(xié)議的星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，智能網(wǎng)關(guān)作為PAN協(xié)調(diào)器與多個終端設(shè)備組合而成，終端設(shè)備包括傳感器、智能開關(guān)、照明等，用來控制窗簾、空調(diào)、燈光等。ZigBee模塊選擇的是TI公司的CC2530芯片，包括一個高性能的RF收發(fā)器，并集成8051微處理器以及其他強大的支持功能和外設(shè)。把環(huán)境采集節(jié)點、控制節(jié)點等設(shè)備和協(xié)調(diào)器設(shè)備組網(wǎng)，形成ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)。

3.3? 電器控制模塊設(shè)計

智能電器控制模塊包括智能窗簾控制、智能燈光控制、空調(diào)控制、智能插座、背景音樂等功能，其中窗簾控制、燈光控制、空調(diào)控制基于ZigBee協(xié)議通信組網(wǎng)，智能插座和背景音樂控制基于WiFi通信組網(wǎng)。

3.4? 安防報警模塊設(shè)計

3.4.1? 基于WiFi的視頻監(jiān)控模塊

視頻監(jiān)控模塊負責(zé)對教室視頻圖像的采集、傳輸和處理，包括無線視頻節(jié)點（攝像機）和視頻信息集成中心兩個部分，二者采用WiFi模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。WiFi可以連接服務(wù)器和手持設(shè)備等終端，可與4G，5G移動網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等相關(guān)技術(shù)集成，適合多媒體數(shù)據(jù)格式的無線傳輸，為提高傳輸速率，在視頻圖像傳輸時需要對圖像壓縮編碼[5]。

3.4.2? 基于ZigBee的人體紅外感應(yīng)報警

教室門鎖關(guān)閉情境下，智能網(wǎng)關(guān)主機設(shè)置成布防模式，開啟人體紅外監(jiān)測傳感器監(jiān)測和與之聯(lián)動的自動報警燈裝置。在人體紅外傳感器節(jié)點檢測到異常信息時，向ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點報告信息內(nèi)容，由協(xié)調(diào)器節(jié)點通過WiFi或者4G網(wǎng)絡(luò)向用戶發(fā)送報警信息。

3.4.3? 基于4G模塊的手機遠程監(jiān)控

遠程用戶通過4G模塊與智能網(wǎng)關(guān)主機連接，實現(xiàn)遠程監(jiān)控與控制管理;智能網(wǎng)關(guān)主機集成ESP8266芯片，芯片具有超高集成度、超低功耗、體積小等特點，可將用戶的物理設(shè)備連接到WiFi網(wǎng)絡(luò)以進行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，為用戶提供外部網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控、報警功能。

4? ? 結(jié)語

廣鐵職院智能教室采用基于無線混合組網(wǎng)技術(shù)的智能后裝系統(tǒng)解決方案，差異化的協(xié)議標準結(jié)合不同場景的運用，充分利用各種短距離無線組網(wǎng)協(xié)議的優(yōu)勢，2017年投入使用，比傳統(tǒng)教室節(jié)約20%～30%的電能，還節(jié)約了人力，降低了相關(guān)費用的支出。在提高無線混合組網(wǎng)的性能方面，今后還需在如下幾個方面做出改進：

（1）對于無線混合組網(wǎng)的終端用戶，很多參數(shù)的設(shè)置都是預(yù)先設(shè)定好的，如何在面對復(fù)雜變化的網(wǎng)絡(luò)時做出動態(tài)的應(yīng)對，還需要進一步思考解決。

（2）ZigBee網(wǎng)絡(luò)的干擾不僅來自于教室內(nèi)部，也可能來自于教室外部，如何在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中采用合適的機制、降低WLAN網(wǎng)絡(luò)的占空比，也是今后需要解決的問題[6]。

[參考文獻]

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[5]張鑫，華澤鐸，楊玥.基于CC2530的智能教室控制系統(tǒng)的構(gòu)建[J].工業(yè)設(shè)計，2017（7），183-184.

[6]尤琦涵，陳兆仕，張沁.OneNET云平臺WiFi遠程控制的智能教室系統(tǒng)[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2017（10）：69-73.

Abstract：At present， the college classroom is developing towards the direction of intelligence and energy saving. This paper takes the intelligent upgrading of the traditional classroom of Guangzhou Railway Polytechnic as an example， and proposes a solution of wireless post installation system based on multi protocol wireless hybrid networking technology. Through the hybrid networking of ZigBee， WiFi， HomeRF and other wireless post modules， the system can realize the intelligent control of lighting， curtain， air conditioning， door lock and other equipment， AI voice control， intelligent security. Practice has proved that the wireless intelligent post installation system has good energy-saving effect， stability and reliability， easy operation， and realizes the purpose of intelligent transformation of traditional classroom at a lower cost.

Key words：intelligent classroom; wireless hybrid networking; post installation system