基于Zigbee技术的教室智能管理监控系统
2017-12-08欧阳宏志
欧阳宏志,胡 清,张 韵
(南华大学 电气工程学院,湖南 衡阳 421001)
基于Zigbee技术的教室智能管理监控系统
欧阳宏志,胡 清,张 韵
(南华大学 电气工程学院,湖南 衡阳 421001)
高校师生规模不断在扩大,学校各种资源之间矛盾加剧,不利于实时监控,安全隐患也随之提高﹒为解决此问题,以教室为中心,构建了一个智能管理监控系统﹒智能灯光控制,打造节能型校园;智能考勤系统,方便师生办公、学习和生活;教室内温湿度、可燃气体含量等数据实时监控,营造一个舒适安全的校园环境﹒以Zigbee技术进行传感器组网,结合TI公司CC2530芯片和ZStack协议栈进行设计﹒实验结果表明,该系统组网高效、能耗低、可靠性高,实现教室一体化监控,有助于建设平安校园和智慧校园﹒
Zigbee;智能;教室;无线网络
发展无线网络,将设备从有线连接变为无线连接,方便使用,已成为一种必然趋势﹒无线通信技术激烈的竞争中,Zigbee技术以低成本、低功耗、低数据速率和高可靠性等优点脱颖而出﹒对工业控制而言,蓝牙技术显得太复杂,且功耗大、距离近、组网规模太小;移动网络投入太大,通信速率低且费用高﹒基于Zigbee的无线传感网络避免了上述弊端,也克服了有线网络的局限性及功耗高等缺点[1]﹒现有文献对智慧校园的研究,有的侧重考勤方面,有的则侧重安全方面,把节能、安全和考勤各方面结合起来的研究并不多﹒
近些年来,各个高校都在探寻高效的校园管理办法,以南京邮电大学和浙江大学为代表的高校对智慧校园建设进行了积极探索﹒大学是物联网应用最早、最为广泛的地方之一,小范围试点必将为今后物联网产业的发展打下坚实基础[2]﹒构建物联网智慧校园既是时势所趋,又体现了以人为本﹒
1 Zigbee技术概述
Zigbee是一种双向无线通信技术,主要用于短距离、低功耗且传输速率不高的电子设备之间传输数据﹒Zigbee模块通信距离从几十米到几百米,并支持无线扩展,理论上可以是由65 536个无线模块组成的无线网络平台﹒Zigbee协议栈由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成[3]﹒Zigbee网络中的设备按各自作用分为协调器节点、路由器节点和终端节点,网络支持3种拓扑:星型、树型和网状型﹒Zigbee技术基于IEEE802.15.4标准,是实现无线传感器网络的一种重要技术﹒Zigbee易于实现无线传感器网络分布式、自组织和低功耗的特点﹒
2 系统架构与硬件设计
Zigbee设备主要分为协调器和终端,但在硬件部分设计时可以不区分,由软件设置的标志位加以识别﹒校园管理监控系统中,协调器与终端无线通信,与 PC机上的上位机通过串口连接,上位机接收协调器获取的数据﹒系统根据教室以讲台为主的特点采用星型网络[4],其结构模型如图1所示﹒
图1 网络结构模型
2.1 灯光控制节点
灯光控制结合人体红外热释电传感器和光敏电阻传感器实现了教室内人走灯灭、自动开灯功能[5],既方便了师生生活,又避免电能损耗,有效地节约了资源﹒人体感应和光敏传感电路分别如图2~图3所示﹒
图2 人体感应传感电路原理图
图3 光敏传感电路原理图
2.2 智能考勤节点
通过点名、磁卡和接触式IC卡等方式对学生到课情况进行考勤、记录管理,既耗时又相互干扰;而非接触式学生考勤系统实现了利用无线射频识别(RFID)技术对学生考勤进行管理,既方便快捷,又省时廉价[6]﹒
系统工作过程:当持有学生基本信息的非接触式IC卡—Mifare One卡进入MFRC522读卡器天线作用范围内时,卡片获得能量以维持卡内电路工作;终端节点负责控制读卡器进行一系列“寻卡→防冲突→选卡→读/写卡”操作,如果成功,将读取卡片上的学生信息;终端将学生信息发送到协调器﹒
协调器接收到相应数据后,根据预存的数据库,将数据转换成相应的学生信息,得到本次课堂已到和缺课学生的人数及姓名,然后对信息进行显示并传递给上位机系统以便后台查询管理﹒
2.3 温湿度、可燃气体及地震检测节点
温湿度传感器采用DHT11传感器,湿度测量范围:20%~95%;温度测量范围:0 ℃~50 ℃﹒系统通过分析温湿度实时数据来决定是否开启制冷装置进行控制﹒
可燃气体传感器采用MQ-2气体传感器,其所用气敏材料是二氧化锡(SnO2),SnO2电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大[7]﹒通过电阻分压将电导率的变化转换为相应电信号后,再经比较器电路输出高低电平,用于判断空气中可燃气体浓度是否超标﹒
震动传感器采用SW-420常闭型震动传感器,结合比较器电路,使电路检测到震动时输出高电平信号并进行地震报警﹒环境检测模块电路如图4所示﹒
图4 环境检测模块总电路
2.4 电源管理
Zigbee设备采用TI公司的CC2530,所有设备及其外围电路可选用 3节干电池串联供电﹒CC2530包含电源管理功能,可实现不同的供电模式﹒学校下课等空暇时间段设备自行进入休眠模式,也可人为按键操控,选择是否进入休眠﹒休眠有利于延长供电电池的寿命,低功耗运行﹒
3 系统软件设计
3.1 无线网络组网
每个Zigbee网络中只允许有1个协调器,它具有最高网络权限,是整个网络的维护者[8]﹒网络中,协调器最先启动,启动后进行能量检测,检测工作区域内所指定信道上有无其它设备在工作﹒协调器根据检测结果选择合适的信道,并选择PANID和网络短地址后启动协调器,并允许终端加入[9]﹒协调器收到终端入网请求后,若允许请求,则分配一个短地址给终端,并发送相应原语,请求入网的设备即加入到网络中,设备入网后就可实现数据的相互传送﹒
3.2 网络中传感器的协调
系统中传感器个数较多、类型多样,需遵循一定的协调方式﹒不同功能的传感器所安装位置也不同,所以需要配备各自的终端设备﹒本系统传感器信号由各自的终端设备传输给协调器,协调器对各类传感器信号进行轮询,实时处理﹒传感器的协调方式遵循分布式、自组织的特点﹒
3.3 程序流程及上位机
本系统中协调器负责组网并接收处理终端数据,向终端发送相应命令,并与上位机通信﹒协调器工作流程如图5所示﹒终端节点分别实现灯光控制、考勤和环境监测功能,成功入网后开启各自功能,并与协调器无线通信﹒终端程序流程如图6所示﹒上位机位于PC终端,通过串口接收网络中协调器数据,可显示教室内环境数据﹒上位机界面如图7所示﹒
图5 协调器流程图
图6 终端流程图
图7 上位机界面
4 实测结果与分析
教室管理员或教师可以通过上位机软件(或APP)查看班级考勤情况和教室环境数据,对学生状况和教室情况进行监控,学生也可以利用该系统的大屏幕了解校园安全状况,及时作出反应﹒各功能测试结果如表1所示﹒实测情况表明系统功能可靠、数据准确,可用于实际工程(由于气体浓度报警阈值未知,地震震级与震动传感器的测量值关系不明确等原因,测试结果仅供参考)﹒
表1 实测情况统计表
5 结语
社会各界越来越重视物联网技术带给生活的智慧与便捷,传统教室存在诸多不便,未实现管理智能化,资源浪费严重﹒本文设计并实现了一套教室管理监控系统,涉及教室环境监测、危险报警、智能考勤和灯光控制等多个方面﹒对教室的实时监控既方便了师生的学习生活,同时也保证了校园安全,有一定的实用价值﹒
[1]杨萌, 赵亮. 基于Zigbee技术的无线传感网络研究[J]. 电子技术与软件工程, 2015(1): 34.
[2]韩雪. 基于物联网技术的智慧校园系统设计研究[J]. 电子设计工程, 2011, 19(24): 41-43.
[3]青岛东合信息技术有限公司. Zigbee开发技术及实践[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2014.
[4]周益. 基于Zigbee技术的无线传感网络拓扑设计与实现[D].苏州: 苏州大学, 2009.
[5]蒋武锋, 黄庆南, 陆波文, 等. 基于ZigBee网络的教室节能智能控制系统[J]. 电子科技, 2013, 26(10): 44-46.
[6]李泉林, 郭龙岩. 综述RFID技术及其应用领域[J]. 射频世界,2006(1): 51-62.
[7]何孟凡, 高国伟, 王世峰, 等. 智能家居防火防盗系统[J]. 传感器世界, 2017, 23(2): 12-16.
[8]杨业令. 基于物联网的智慧家庭系统设计与实现[D]. 成都:电子科技大学, 2013.
[9]王江峰. 基于ZigBee无线传感网络的实现[D]. 济南: 济南大学, 2010.
(责任编校:龚伦峰)
Intelligent Classroom Management and Monitoring System Based on Zigbee Technology
OUYANG Hongzhi, HU Qing, ZHANG Yun
(School of Electrical Engineering, University of South China, Hengyang, Hunan 421001, China)
With the continuous expansion of teachers and students, the real-time monitoring is very difficult for university. Increasing of students has not only exacerbated the contradictions among the various resources in the university, but also increased the security risks. In order to solve that situation, this paper survey and design in a classroom-centered way, combining the CC2530 chip with protocol stack of ZStack:Intelligent lighting control is to create energy saving campus; The intelligent attendance system is convenient for teachers and students to study and work. The real-time monitoring of the temperature and humidity and the content of combustible gas in the classroom can create a comfortable and safe campus environment. The system is very efficient and environmental, low-costing and reliable, besides, it makes the integration of the classroom a reality. This integrated environment helps build a peaceful and smart campus, and achieve a highly intelligent campus’ Internet of Things.
Zigbee; intelligent; classroom; wireless network
TP273.5
A
10.3969/j.issn.1672-7304.2017.05.0013
1672–7304(2017)05–0061–04
2017-01-04
衡阳市科技局项目(2014KG71)
欧阳宏志(1982- ),男,湖南衡阳人,副教授,硕士,主要从事电子技术应用研究﹒E-mail: oyhz1982@163.com