一种基于ZigBee的物联网远程教育系统的研究与设计

李保华+赵澄东

【摘 要】本文针对教育资源配置不均衡和社会对渴望得到高水平教育趋势加速的现状，提出了一种基于物联网的远程教育监控系统。在该系统中，简单介绍了物联网、ZigBee和GPRS等各个模块的原理及其应用，并对该系统的总体构成及基本原理进行详细论述。该系统具有结构简单、功耗低、节点灵活等特点，实现了无线条件下的远程教育监控。

【关键词】物联网；ZigBee；GPRS；远程教育

0 引言

物联网远程教育[1]，是利用传感技术，将一枚大至手机或小到指甲片大小的传感器固定在教室或者讲堂，传感器的一个终端嵌入和装备到教育教学检测设备中，教师通过自己的手机或电脑连接到另一终端后，可随时随地实现对受教育者的受教情况、作业情况和意见反馈。

1 物联网基本原理

物联网是将各种信息传感设备，如射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。典型的物联网由三大部分组成，即RFID系统、中间件Savant系统和Internet系统，其中RFID系统主要包括RFID电子标签（Tag）、阅读器（Reader）及数据交换和管理系统（Processor）软件，如图1所示。阅读器在接收到来自电子标签的载波信息，并对接收信号进行调节和解码后，会将其信息送至计算机中的中间件Savant系统软件进行处理，处理后传送到Internet，然后再在Internet上利用ONS找到这个物品信息所存储的位置，由ONS给Savant系统指明存储这个物品的有关信息的服务器，并将这个文件中的关于这个物品的信息传递过来[2]。

2 ZigBee模块

ZigBee，是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。它采用DSSS扩频技术，使用的频段是2.45GHz的超高频段，抗干扰能力强，传输速度快，主要适用于智能交通、环境保护、政府工作、智能家居、工业监测、远程教育等领域，可以嵌入到各种设备中，还支持地理定位功能。

ZigBee是一个低成本、低功耗的无线网络标准。首先，它的低成本使之能广泛适用于无线监控方向的应用；其次，低功耗使之能有更长的工作周期；最后，它所支持的无线网状网络使之能有更强的可靠性和更广的覆盖范围[3]。本文把ZigBee模块嵌入到RFID系统中，具有更可靠的安全性和更好的组网特性。

3 GPRS模块

GPRS是通用分组无线业务，通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递，能提供比现有GSM网9.6kbps更高的数据率。因此，在GSM系统的基础上构建GPRS系统时，GSM系统中的绝大部分部件都不需要作硬件改动，只需作软件升级。

GPRS具有许多GSM系统所不具备的独特优势。GPRS采用分组交换技术，允许用户在端到端分组转移下发送接收数据，区别与电路交换的GSM。特别适用于频繁的、少量的数据传输，当然亦可用于传输大量数据，正适合工业测量领域频发、少量、实时性高的数据传输；数据传输率高，最高可达170kbps左右；用户一直处于在线方式，接入时间缩短为少于1s，能提供快速即时的连接，可大幅度提高一些事务的效率。

4 物联网教育系统构建

物联网远程教育监控系统主要是利用各种传感器对受教育者所处的环境参数进行检测，并对检测到的数据进行本地处理或者通过网络传输到远程教育监控中心。主要由三个部分组成：检测到的有无人员在教育场所走动、学生讨论所发出的声音分贝的高低、学生频繁发生的肢体动作图像等参数监控仪；无线监控终端监控数据存储、显示及用户管理的远程教育监控中心。

传感器节点通常是一个嵌入式系统，由于受到体积、价格和电源等因素的限制，其数据处理能力、存储能力和通信能力均相对较弱，通信距离相对有限。

参数监控仪包括有无人员在教育场所走动、学生讨论所发出的声音分贝的高低、学生频繁发生的肢体动作图像以及用于无线传输组网的Zigbee模块。该部分具有适应性强、使用方便、体积小、功耗低等特点。使用Zigbee技术使参数监控仪和无线监控终端分离开， 进一步减小了监控仪的体积， 便于使用者随时携带和安装。

无线监控终端主要用于数据的传输，包括Zigbee通信、GPRS 通信、数据记录、液晶显示、电源管理等模块。该部分包括两个流向的数据。从监控仪发出的采集数据到达无线监控端，经过一定的处理后可以显示、保存数据或者通过GPRS通信进行上传；从远程监控中心发出的查询数据到达无线监控终端，经过一定处理后通过无线方式到达监控仪端，监控仪按照查询条件上传符合要求的数据。

远程监控中心通常具有较强的处理能力、存储能力和通信能力，本文采用B/S模式的ASP.NET技术开发的远程监控中心系统，使专业教育人员以动态网页的形式浏览、查询并对受教育人员作出判断。该系统平台将上传的数据与正常的基本教室环境信息进行绑定，结合教育专家知识库系统，对数据进行研究分析，并在监控中心终端上以动态网页形式展示。专业教育人员通过展示的信息和分析结果对数据进行判断，通过操作平台界面发出符合一定格式的教育建议信息，经由呼叫中心、短信中心系统等通知用户。该ASP.NET监控系统运行维护比较简便，能使专业教育人员方便地对后台数据库、分布式数据库进行添加、删除、修改、查询等操作，且能够实现分页技术，用户对海量数据的查询一目了然。

5 结束语

随着物联网技术的日益成熟，势必在教育系统中得到广泛的应用，将对实现全球范围的“智慧教育”起到积极有效的推动作用。本文介绍了物联网技术的基本原理，物联网应用中所涉及到的短距离和远程无线通信技术，最后，提出一种新的基于物联网的远程教育监控系统，利用插件式监控方式，实现多种环境参数的实时监控。该系统可以改善公众教育尤其是偏远地区的教育条件，节约了受教育的时间和教育成本，均衡利用了优势教育资源，提高了教育水平与效率。

【参考文献】

[1]高飞，薛艳明.物联网核心技术——RFID原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[2]马驹.ZigBee在物联网中的应用[J].科协论，2011（2）：34-36.

[3]田小辉，李明远，田昕.基于GPRS的远程无线透传终端系统的设计与实现[J].现代电子技术，2005（4）：97-99.

[责任编辑：杨玉洁]