智慧教室物聯(lián)網(wǎng)云平臺硬件設(shè)計與實現(xiàn)

盧志翠

(邯鄲學院，河北 邯鄲 056005)

智慧教室物聯(lián)網(wǎng)云平臺分為教室環(huán)境采集部分、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸部分和軟件平臺決策管理部分，對應(yīng)了物聯(lián)網(wǎng)的四層結(jié)構(gòu)。感知層是教室信息的采集，通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳遞到云端服務(wù)器，應(yīng)用層的軟件系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)，進行分析和處理，作出判斷，將數(shù)據(jù)展示給用戶，并通過人機交互，實現(xiàn)對智慧教室全方位控制[1-4]。

1 智慧教室數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計思路

面向智慧教室的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計主要實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)云平臺的感知層和網(wǎng)絡(luò)層。包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計以及對處理芯片和傳感器的選型，終端節(jié)點程序設(shè)計與功能的實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的規(guī)范格式和協(xié)議通訊程序設(shè)計，實現(xiàn)對智能教室數(shù)據(jù)間的雙向傳輸。智慧教室數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)框架圖如圖1所示。

圖1 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)框架圖

終端節(jié)點按照協(xié)議棧格式自動加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并將采集到的教室內(nèi)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)實時通過ZigBee協(xié)議傳輸給協(xié)調(diào)器模塊。ZigBee協(xié)調(diào)器模塊把接收到的各終端節(jié)點的數(shù)據(jù)依據(jù)定義好的數(shù)據(jù)幀格式進行數(shù)據(jù)重組，將設(shè)置完成的數(shù)據(jù)幀經(jīng)過串口傳輸?shù)絎iFi模塊，并通過WiFi模塊把數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰浖破脚_。軟件云平臺把接收到的數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)幀格式進行數(shù)據(jù)提取后存儲到數(shù)據(jù)庫。

2 基于ZigBee技術(shù)的硬件設(shè)計

教室內(nèi)終端節(jié)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(yīng)傳感器、光敏電阻傳感器、MQ2煙霧傳感器等來采集教室的環(huán)境參數(shù)。為了硬件電路設(shè)計簡單和通用，采用了核心板加底板的設(shè)計方案，核心板由具有ZigBee功能的芯片和無線通信部分構(gòu)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(yù)留出各種傳感器接口和調(diào)試通信接口。

2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)和主芯片設(shè)計

ZigBee核心板最關(guān)鍵部位就是芯片選擇，該芯片必須能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對各種數(shù)據(jù)的處理，包括存儲、傳輸和數(shù)據(jù)包裝封，要求與ZigBee模塊的低功耗、低成本、穩(wěn)定性強等特性相吻合。因此，本文設(shè)計選用CC2530芯片作為ZigBee技術(shù)的核心芯片。CC2530芯片是TI設(shè)計的專門用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)中進行數(shù)據(jù)處理的集成芯片，它工作在2.4GHz頻率端上，IEEE802.15.4的協(xié)議標準，具有高性能、低功耗的8051微控制器內(nèi)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(yōu)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(wǎng)的需求。

2.2 ZigBee通用模塊硬件設(shè)計

設(shè)計ZigBee核心板，主要用于教室內(nèi)所有終端模塊的組網(wǎng)，將傳感器和控制器與ZigBee核心板通過I/O口相連接，實現(xiàn)所有模塊組網(wǎng)，與ZigBee協(xié)調(diào)器形成每間教室的內(nèi)控網(wǎng)絡(luò)。由于每一個芯片I/O數(shù)量有限，為了滿足大部分節(jié)點通用性要求，預(yù)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(tǒng)板與擴展板相結(jié)合方式進行開發(fā)，擴展板上面有電源接口、指示燈、調(diào)試接口、傳感器和控制模塊接口、液晶顯示屏、復(fù)位和USB轉(zhuǎn)串口各種電路設(shè)計，以滿足各個不同節(jié)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(gòu)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(jù)環(huán)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(fā)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(zhuǎn)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(shè)備。

2)按鍵：在擴展板上接有3路按鍵，一路連接芯片的復(fù)位引腳用于芯片的復(fù)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(shù)據(jù)收發(fā)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(tài)的指示燈。

4)調(diào)試接口：用于程序的下載和調(diào)試。

5)液晶接口：為了更方便觀察程序的運行，在擴展板上設(shè)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(diào)試，在程序調(diào)試沒有問題后也可以不安裝液晶屏。

6)USB轉(zhuǎn)串口：現(xiàn)在的電腦上都已經(jīng)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(diào)試和與電腦進行通信，在擴展板上增加了USB轉(zhuǎn)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(jù)不同的外圍設(shè)備進行I/O口的選擇。

3 ZigBee組網(wǎng)與地址分配

每間教室作為一個ZigBee內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器周期性的對數(shù)據(jù)采集結(jié)點進行數(shù)據(jù)查詢，對應(yīng)的結(jié)點接收到的查詢指令后按照指定的數(shù)據(jù)幀格式進行數(shù)據(jù)返回，如果遇到突發(fā)緊急事件，終端結(jié)點也可以主動向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)。網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸是根據(jù)ZigBee模塊的網(wǎng)絡(luò)號和設(shè)備短地址進行。當初始設(shè)置時，先設(shè)定每個結(jié)點所屬網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)號，再對網(wǎng)絡(luò)中每個終端結(jié)點進行地址分配，通過這種方式來確定網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點地址的唯一性，避免相鄰教室內(nèi)數(shù)據(jù)接收錯誤[5]。

本文根據(jù)IEEE 802.15.4標準的ZigBee協(xié)議，定義了一套幀格式對數(shù)據(jù)進行傳輸。

1)查詢幀：作用是把終端節(jié)點傳感器采集的數(shù)據(jù)通過規(guī)定的格式進行封裝打包發(fā)送到協(xié)調(diào)器上，協(xié)調(diào)器根據(jù)這個協(xié)議格式對數(shù)據(jù)進行識別拆封，具體的接收目標是由這種幀結(jié)構(gòu)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(jù)這個標準控制指令通過協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)封裝打包發(fā)送給終端節(jié)點，終端節(jié)點根據(jù)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(wǎng)絡(luò)的運行情況反饋給自身的串口上的外設(shè)，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(shù)據(jù)幀基礎(chǔ)上，進行修改，幀長為6字節(jié)，其中ZigBee模塊數(shù)據(jù)類型1字節(jié)，目的地址為2字節(jié)，數(shù)據(jù)長度為1字節(jié)，數(shù)據(jù)為2字節(jié)分別為溫度和濕度值，校驗為1字節(jié)。協(xié)調(diào)器對接收到的數(shù)據(jù)進行驗證，返回0x00表示接收到的數(shù)據(jù)是正確的，返回0x01表示當前接收到的數(shù)據(jù)是錯誤的。當接收到的數(shù)據(jù)是錯誤的，協(xié)調(diào)器重新發(fā)送查詢指令給溫濕度采集結(jié)點，直到接收到正確的溫濕度值或都達到最大查詢次數(shù)為止。

4 ZigBee與WiFi網(wǎng)關(guān)

面向智慧教室的物聯(lián)網(wǎng)云平臺是將軟件和硬件相結(jié)合的復(fù)雜體系。硬件設(shè)備有各種各樣的種類。不同設(shè)備之間的通信協(xié)議標準不同。一些設(shè)備采用串行通信協(xié)議，一些設(shè)備使用HTTP通信協(xié)議。這些通信協(xié)議的不同標準導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的混亂，不能統(tǒng)一使用且不利于軟件系統(tǒng)的升級和維護以及硬件系統(tǒng)的擴展。因此，在本文中建立智慧教室網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的通信協(xié)議標準非常重要。

設(shè)置ZigBee與WiFi連接的通信協(xié)議，適用于本文智慧教室系統(tǒng)中的ZigBee網(wǎng)關(guān)和相關(guān)設(shè)備的控制，以及系統(tǒng)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)服務(wù)器以及外部Internet的信息傳輸。協(xié)議中包含串口控制協(xié)議以及TCP/TP協(xié)議棧的數(shù)據(jù)封裝結(jié)構(gòu)體。串口控制協(xié)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(xiàn)ZigBee模塊和管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，完成數(shù)據(jù)的傳遞，參數(shù)的修改等。

在智慧教室系統(tǒng)中，由一個ZigBee協(xié)調(diào)器管理節(jié)點和若干個ZigBee終端設(shè)備節(jié)點組成，協(xié)調(diào)器節(jié)點與上位機的軟件管理系統(tǒng)通過WiFi進行通信，協(xié)調(diào)器與WiFi通過串口通信，協(xié)調(diào)器每完成一個周期的數(shù)據(jù)查詢后把數(shù)據(jù)進行封裝，然后使用AT（Attention）指令把數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到WiFi模塊，WiFi模塊再通過TCP/IP協(xié)議把數(shù)據(jù)發(fā)送給管理系統(tǒng)。

首先初始化系統(tǒng)的各個功能設(shè)備，配置協(xié)議參數(shù)，ZigBee協(xié)調(diào)器與WiFi模塊通過串口協(xié)議相連接，對串口進行初始化，檢查設(shè)計的數(shù)據(jù)幀格式是否正確，然后根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)將WiFi模塊加入WiFi網(wǎng)絡(luò)，通過TCP/IP協(xié)議，將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器端。

各模塊傳遞數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包均以數(shù)據(jù)幀傳遞，設(shè)置的數(shù)據(jù)幀格式如表4所示。

表4 WiFi模塊通信數(shù)據(jù)幀格式

根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議：以“0x5775”作為目標地址，即數(shù)據(jù)要傳輸?shù)绞裁次恢?；以?x51”為數(shù)據(jù)上傳指令，用一個字節(jié)存儲上傳數(shù)據(jù)的長度，用一個字節(jié)存儲溫度值，用一個字節(jié)存儲煙霧濃度值。

5 智慧教室感知模塊設(shè)計與實現(xiàn)

智慧教室的數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)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(xiàn)教室內(nèi)各種環(huán)境指數(shù)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(xiàn)溫濕度的讀取，接口3是連接地線。

用于教室內(nèi)光照度環(huán)境監(jiān)測的傳感器電源部分采用3.3V供電，數(shù)據(jù)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(xiàn)光照度的讀取，接口2是連接地線。

教室內(nèi)安裝煙霧傳感器主要目的是通過傳感器檢測室內(nèi)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(tǒng)。管理系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的域值來判斷教室內(nèi)煙霧濃度是否超過警戒值。系統(tǒng)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(nèi)設(shè)備，發(fā)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(xiàn)煙霧濃度的讀取，接口2是連接地線。

人體紅外感應(yīng)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(guān)閉，輸出低電平。該設(shè)備的工作電壓范圍是4.5V～20V。功耗相對比較低，非常適合現(xiàn)在的鋰電池供電。根據(jù)其特點，人體紅外感應(yīng)模塊電路圖如圖5所示。

圖5 人體紅外感應(yīng)模塊電路圖

人體紅外感應(yīng)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(xiàn)人員數(shù)的讀取，接口3是連接地線。

6 小結(jié)

本文對智慧教室物聯(lián)網(wǎng)云平臺的感知層和網(wǎng)絡(luò)層進行了設(shè)計與實現(xiàn)，完成了終端節(jié)點采集模塊的電路圖設(shè)計和模塊的選型，規(guī)范了ZigBee組網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀格式和WiFi模塊的數(shù)據(jù)幀格式，通過程序燒錄實現(xiàn)了終端模塊的感知功能、ZigBee網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)的傳遞，為下一步與面向智慧教室的軟件云平臺系統(tǒng)連接奠定網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。