基于Zigbee技术的教室智能控制系统

李亚兵

摘要：高校学生规模不断在扩大，学校各种资源之间矛盾在加剧，不利于实时监控，安全隐患也随之升高。针对此问题，以教室为中心，设计了基于ZigBee 技术来实现教室智能控制。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。采用ZigBee无线网络组成多个终端节点，每个节点主要由 CC2530 为核心的协调器控制，协调器通过网关与外界WIFI网络连接，从而实现对教室内各个因素远程控制，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。

关键词：Zigbee；远程控制；无线网络

近年来随着高校的办学规模不断地扩大，教学场所也不断地进行扩建，其中教室、自习室、实验室等场所相对分散，教学场所的照明系统管理成为一大难题。 通过调研发现，大多数高校都是采用人工管理为主，每栋教学楼安排值班人员对教室的照明进行手动控制，这样不仅成本较高，而且管理比较麻烦。另一方面，对学生的考勤学校一般人工查勤，学生会每次要到班级里进行查人数，影响正常上课，费工费时。采用无线网络，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。

一、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。这一名称（又称紫蜂协议）来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。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65536个无线模块组成的无线网络平台。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

二、系统架构与硬件设计

该系统分为下位机采集系统和上位机监控系统两个部分，如图上所示。下位机采集系统使用 Zigbee 无线技术，搭配温湿度传感器、人体红外热释电传感器、光敏电阻传感器、考勤机、摄像头等组成zigbee无线传感终端节点，安装在教室适宜监测的方位，下位机采集的信息通过wifi网络送到zigbee协调器节点里，zigbee协调器就相当于一个单片机，根据设定的程序，自动进行信息处理控制。上位机包括PC机、智能手机、显示屏幕等装置，进行显示监控，也可以通过上位机进行远程调节参数和控制zigbee无线传感终端设备。从而要达到3个目的：（1）实现对教室的各个监控参数进行自动检测；（2）实现对教室的各个监控参数进行自动控制调节；（3）实现对教室的各个监控参数进行远程监控。

（一）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，自动关灯功能，既方便了师生生活，又避免电能损耗，有效地节约了资源。人体红外传感器模块主要由热释电传感器（PIR）BISS0001红外信号处理芯片组成。采用热释电传感器的优势是：成本低，不需要用红外线或电磁波等发射源，隐蔽性好，可流动安装，灵敏度高、控制范围大。热释电红外传感器利用热释电效应，能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号。实际使用中，热释电传感器前面必须安装菲涅尔透镜。菲涅尔透镜的作用是将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电红外探测元要求信号不断变化的特性，这样可大大提高接收灵敏度，增加检测距离及范围。实验证明，热释电红外传感器若不加菲涅尔透镜，则其检测距离仅为2m左右（检测人体走过）；而配上菲涅尔透镜后，其检测距离可增加到10m以上，甚至可达20m以上。

由于PIR信号变化缓慢、幅值小，针对该特点，专用信号处理器一般分为4步处理：滤波放大、窗口比较、噪声抑制及数字信号处理。BISS0001就是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。它采用CMOS工艺、数模混合，具有独立的高输入阻抗运算放大器，内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰。电路中BISS0001红外信号处理芯片的A引脚外接高电平，如果教室有人持续存在时人体红外传感器就会感应产生信号，则VO引脚持续输出高电平；只有当人体红外信号消失后VO引脚经过延时一段时间后才输出低电平， 该电路不仅具有较高的感应灵敏度，而且抗干扰性能较强。光敏传感电路比较简单，电路不在提供。

（二）温湿检测节点

空气温湿度采集采用单片数字温湿度集成传感器，确保产品具有极高的可靠性和出色的长期稳定性。具有低功耗、反应快、抗干扰能力强等优点。当超过设定温度时，温度传感器检测到信号传个协调器节点，协调器对采集的信息信号处理对比，发现温度偏高，自动发号命令启动制冷设备进行降温处理，实现自动控制的目的。

（三）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，也不会干扰正常课堂教学。

该系统工作过程：当持有学生基本信息的非接触式IC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，如果这一系列操作成功，将读取卡片上的学生信息；終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。

（四）远程监控节点

Zigbee无线终端节点安装摄像头，可以通过wifi或移动数据信号传到PC机上或手机上，进行远程可以监控教室的情景。

（五）电源设计

Zigbee设备采用CC2530最小系统为核心，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。

三、系统软件设计

（一）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，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他设备在工作。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。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。

（二）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。

四、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。

参考文献：

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[2]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.

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