基于ZigBee的智能教室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄒艷華

摘 要：為了提升智能教室的設(shè)備利用率和維護(hù)效率，設(shè)計(jì)了基于ZigBee的智能教室監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由部署在教室里的傳感器采集教室信息，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將信息匯聚到協(xié)調(diào)器，并經(jīng)過(guò)STM32控制中心處理，上傳到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理。用戶通過(guò)登錄系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)教室里的環(huán)境，遠(yuǎn)程控制設(shè)備開(kāi)關(guān)，并能在管理界面預(yù)先設(shè)定環(huán)境閾值，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化管理。同時(shí)，在教室外連接液晶顯示屏，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)處理之后顯示在顯示屏上，用戶可通過(guò)顯示屏查看室內(nèi)人數(shù)、溫度、濕度等數(shù)據(jù)信息，從而幫助督導(dǎo)查課、學(xué)生快速找到合適的自習(xí)室。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，能夠穩(wěn)定地采集教室信息、準(zhǔn)確控制設(shè)備，具有較好的實(shí)用前景。

關(guān)鍵字：ZigBee;智能教室;STM32;繼電器

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(fā)展為教學(xué)提供了新的方式，教育服務(wù)措施依照新的教學(xué)目標(biāo)得到了相應(yīng)的調(diào)整。智能教室將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體設(shè)備相連，為教師教學(xué)提供了多種多樣的輔助功能，也為學(xué)生學(xué)習(xí)提供了舒適的環(huán)境[1-2]。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，許多目前高校教室仍然采用傳統(tǒng)的人工管理方式，即教師和學(xué)生下課離開(kāi)教室后，由管理員逐一檢查教室里的燈、風(fēng)扇、空調(diào)是否關(guān)閉，或指定學(xué)生值班管理教室。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，需要人工進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)周期長(zhǎng)，不能及時(shí)了解設(shè)備故障情況，導(dǎo)致設(shè)備利用率不高，出現(xiàn)資源浪費(fèi)的情況[3-4]。因此，傳統(tǒng)的教室管理方式難以滿足智能教室對(duì)設(shè)備的管理需要，限制了智能教室在學(xué)校教學(xué)中的普遍推廣，也不利于響應(yīng)國(guó)家關(guān)于節(jié)能減排、低碳生活的理念[5]。

基于此，筆者設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee的智能教室監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用部署在教室的傳感器節(jié)點(diǎn)采集教室內(nèi)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、煙霧等信息，數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)以STM32單片機(jī)為核心，外接液晶顯示屏，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)處理之后顯示在教室門(mén)口的液晶顯示屏上，同時(shí)遠(yuǎn)程上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理。一方面，用戶可在教室門(mén)口的顯示屏上查看室內(nèi)人數(shù)、溫度、濕度等數(shù)據(jù)信息，幫助學(xué)生快速找到合適的自習(xí)室;另一方面，用戶可以登錄監(jiān)控系統(tǒng)界面遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)教室信息，控制教室里的燈、風(fēng)扇、空調(diào)等設(shè)備開(kāi)關(guān)，并且可以根據(jù)教室人數(shù)和溫度數(shù)據(jù)預(yù)先設(shè)定閾值，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化管理。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由教室現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)兩部分組成。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

教室現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)由傳感信息采集和繼電器控制兩部分組成。通過(guò)在教室中合理部署ZigBee傳感采集節(jié)點(diǎn)和ZigBee繼電器控制節(jié)點(diǎn)兩類終端節(jié)點(diǎn)，組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)。終端節(jié)點(diǎn)將接收的信號(hào)廣播到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)[6]，協(xié)調(diào)器通過(guò)串口連接單片機(jī)，數(shù)據(jù)最終匯聚到以單片機(jī)為核心的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，最后由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)利用通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service，GPRS）模塊將數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控教室設(shè)備的開(kāi)關(guān)、溫度、濕度控制和煙霧報(bào)警功能[7]。

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為用戶提供了遠(yuǎn)程監(jiān)控的人機(jī)交互界面。智能網(wǎng)關(guān)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，遠(yuǎn)程在線用戶可通過(guò)個(gè)人計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)或者平板等設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)教室信息，并且可以實(shí)時(shí)對(duì)擁有訪問(wèn)權(quán)限的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，滿足智能教室遠(yuǎn)程控制的需求。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)是系統(tǒng)的核心設(shè)備，以STM32單片機(jī)為核心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在網(wǎng)絡(luò)中起到承上啟下的作用。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。CC2530協(xié)調(diào)器接收到終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的信息，通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳輸至STM32單片機(jī)。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)處理后，利用GPRS模塊和Ethernet模塊及時(shí)傳輸至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)，方便教師遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)教室情況。同時(shí)，傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)和紅外傳感器采集的人數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)匯聚到網(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換之后顯示在教室門(mén)口的液晶顯示屏上，方便教師督導(dǎo)查課和學(xué)生選擇自習(xí)室。

2.2 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)包括傳感采集節(jié)點(diǎn)和繼電器控制節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。教室內(nèi)部ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，傳感器和繼電器控制節(jié)點(diǎn)分別將教室內(nèi)的環(huán)境信息和設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)廣播到協(xié)調(diào)器，數(shù)據(jù)由協(xié)調(diào)器傳輸至網(wǎng)關(guān)，并由網(wǎng)關(guān)及時(shí)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)。教師可登錄上位機(jī)系統(tǒng)界面進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，利用驅(qū)動(dòng)網(wǎng)關(guān)單片機(jī)將控制信息通過(guò)串口發(fā)送給協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器將控制信息發(fā)送至控制節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)、煙霧報(bào)警等功能。

2.3 繼電器設(shè)計(jì)

教室設(shè)備電源的開(kāi)合由繼電器控制實(shí)現(xiàn)[8]，當(dāng)控制節(jié)點(diǎn)收到管理系統(tǒng)的回調(diào)命令后，通過(guò)控制繼電器的開(kāi)合實(shí)現(xiàn)電源管理，繼電器的開(kāi)關(guān)電路如圖4所示。CC2530連接繼電器，選用MOS管控制繼電器的關(guān)合。配置P0_7口為輸出，當(dāng)輸出為高電平時(shí)，MOS管導(dǎo)通，線圈中有電流，從而導(dǎo)致繼電器吸合;當(dāng)輸出為低電平時(shí)，MOS管截止，線圈中電流不足或無(wú)電流，從而導(dǎo)致繼電器斷開(kāi)。其中，在電路的線圈回路中加一個(gè)二極管D1，防止MOS管的集電極承受瞬間高壓而造成設(shè)備損壞。

2.4 人數(shù)統(tǒng)計(jì)模塊設(shè)計(jì)

人數(shù)統(tǒng)計(jì)模塊主要由紅外對(duì)管和LM324電壓比較器組成[9]，人數(shù)統(tǒng)計(jì)模塊的硬件電路如圖5所示。當(dāng)無(wú)紅外光照射時(shí)，紅外接收頭有很小的飽和反向漏電流，光敏管不導(dǎo)通，紅外接收管反向電壓增大，導(dǎo)致電壓比較器輸出為低電平;當(dāng)有紅外光照射時(shí)，紅外接收頭飽和反向漏電流快速增加，光敏管導(dǎo)通，形成光電流，紅外接收頭反向電壓較小，導(dǎo)致電壓比較器輸出為高電平。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)的處理后輸出精準(zhǔn)的計(jì)數(shù)值。首先根據(jù)接收管是否準(zhǔn)確接收到紅外線來(lái)判斷是否有人通過(guò)，接著根據(jù)兩組紅外對(duì)管來(lái)判斷通過(guò)的人是進(jìn)入還是外出，最后通過(guò)統(tǒng)計(jì)進(jìn)出的人數(shù)來(lái)判斷教室中現(xiàn)有學(xué)生的數(shù)量，進(jìn)而實(shí)時(shí)更新教室門(mén)口液晶顯示屏上的人數(shù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)由協(xié)調(diào)器發(fā)起網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建成功后，終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器上電后，首先初始化網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)能量掃描，在編號(hào)11～26選擇一個(gè)能量最少的信道創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，接著分配一個(gè)16位的PAN ID，然后設(shè)置網(wǎng)絡(luò)短地址，在配置好以上參數(shù)之后，開(kāi)始格式化網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器的組網(wǎng)流程如圖6所示。

網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建成功后，將網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)設(shè)置為允許節(jié)點(diǎn)加入，等待終端節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求加入該網(wǎng)絡(luò)。終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)流程主要語(yǔ)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(rèn)的信道列表

zgDefaultStartingScanDuration//掃描信道的時(shí)間

）; }

}

終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)流程圖如圖7 所示。

終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)并綁定成功之后，就可以周期性地向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送信息，從而與協(xié)調(diào)器進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)收發(fā)。

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

該系統(tǒng)硬件連接測(cè)試如圖8所示。從教室中采集的溫度值、濕度值、光照強(qiáng)度值、人數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)值傳輸至協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)，再通過(guò)GPRS上傳到上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)。平臺(tái)實(shí)時(shí)查詢數(shù)據(jù)流，并將最新的數(shù)據(jù)顯示在界面上，繪制成動(dòng)態(tài)圖表，如圖9所示。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)測(cè)試，用戶通過(guò)登錄系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)教室里的環(huán)境，統(tǒng)計(jì)進(jìn)出教室的人數(shù)，遠(yuǎn)程控制設(shè)備開(kāi)關(guān)，并可在管理界面預(yù)先設(shè)定環(huán)境閾值，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化管理。測(cè)試效果良好，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的目的。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，能夠穩(wěn)定地采集教室信息，并準(zhǔn)確地控制設(shè)備，具有較好的實(shí)用前景。

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