ZigBee技术在智慧教室中的应用

李志刚

（南京城市职业学院，江苏 南京 210002）

随着现代化、智能化新技术的不断发展，传统的教学方式已经不适应新形势下的教学需求，基于物联网技术集智慧教学、人员考勤、资产管理、环境智慧调节、视频监控及远程控制于一体的新型现代化智慧教室系统在逐步推广运用。智慧教室利用ZigBee自组网的智能硬件设备，智能化控制基础设施系统（包括多媒体设备、电子班牌、供配电、通风空调、窗帘、灯光照明等），提供智能化的安全可靠、健康节能的教学环境，融入开放共享的理念，结合物联网平台，实现教学资源的高效利用，结合云服务及移动端支持，打破空间限制，实现移动设备随时随地远程操控。智慧教室作为一种新型的教育形式和现代化教学手段，给教育行业带来了新的机遇。

1 ZigBee技术的起源和特点

ZigBee协议在2003年正式问世，根据这个协议规定的技术，是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词。主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。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和远近信息的，也就是说蜜蜂依靠着这样的方式构成了群体中的通信“网络”，因此，ZigBee的发明者们形象地利用蜜蜂的这种行为来描述这种无线信息传输技术。ZigBee的特点主要有以下几个方面[1]。

（1）低功耗：在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比之下，蓝牙可以工作数周，WiFi可以工作数小时。

（2）低成本：通过大幅简化协议使成本降低（不足蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32 kB代码，子功能节点少至4 kB代码，而且ZigBee的协议专利免费。

（3）低速率：ZigBee工作在250 kbps的通信速率，满足低速率传输数据的应用需求。

（4）近距离：传输范围一般介于10～100 m，在增加RF发射功率后，亦可增加到1～3 km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。

（5）短时延：ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15 ms，节点连接进入网络只需30 ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3～10 s，WiFi需要3 s。

（6）高容量：ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65 000个节点的大网。

（7）高安全：ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单（Access Control List，ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES128）的对称密码，以灵活确定其安全属性。

2 智慧教室设备ZigBee控制应用

智慧教室ZigBee控制设备组成如图1所示。

图1 智慧教室ZigBee控制设备组成

2.1 空调控制

智慧教室物联网教室终端机通过ZigBee模块红外发射管发送红外信号，由空调内置的红外一体化接收头接收信号，同时对信号进行放大、检波、整形，经过解码后作出相关应答，从而实现对空调的控制和管理。以健康、时尚、节能为理念，根据环境温度的感知和智能系统集成技术相结合，自动执行开、关、调温、调风等操作，通过智能优化单元，改变并优化空调压缩机的运行曲线，以达到最大限度降低能耗，同时将教室中未在使用的空调自动关闭，提高利用效率，延长空调使用寿命。

2.2 窗帘控制

智慧教室物联网教室终端机采用ZigBee无线通信技术和统一电源管理，通过本地触控终端或系统后台，对窗帘进行“定时”和“关闭”设置，同时具有与光照传感器、灯光控制等联动功能，如在情景模式应用中，用户只需轻轻一点，窗帘便可以和灯光控制等联动实现智能化操作[2]。

2.3 电源（风扇）管理

智慧教室物联网教室终端机的ZigBee模块PDU（电源管理器）和ZigBee智能插座可与具有开关功能的电器设备，如门锁、风扇等绑定，通过终端机或系统后台来控制PDU和智能插座外接负载的开和关，也可通过PDU或智能插座本身自带的开关来控制外接负载。用户可以通过系统和后台查看当前负载的电流、电压、功率和电能值。通过触控面板或后台系统，用户可以根据自己的实际情况分别或集中地对设备进行开和关的操作，有效降低能源消耗，为用户构建一个安全与方便共存，经济与环保的电源管理平台。

2.4 灯光控制

智慧教室物联网教室终端机融合ZigBee智能调光开关，可与具有开关功能的设备绑定，通过已绑定设备来控制智能开关，也可通过智能开关设备本身自带的开关来控制，从而对灯光进行人工或者自动管理。系统可根据当前教学场景和环境的判断，自动调暗甚至关闭投影画面附近灯光，使投影画面更加清晰，达到智能化的目的。另外，根据教室光线的阴暗，或者根据夏冬作息时间，系统将提醒并自动执行电灯的开启和关闭等操作，保护学生视力，节约能源。

2.5 新风系统

智慧教室物联网教室终端机融合ZigBee新风系统控制模块，将室外的新鲜空气源源不断地送入室内，使教室内空气的洁净度始终维持在较高的水平。另外，当教室内气温高于室外气温时，系统将自动启动，增强教室内散热，防止老师和学生因空气闷热、潮湿等引起的不舒适，保护师生身心健康。

3 智慧教室传感器ZigBee控制应用

3.1 红外探测传感器

智慧物联教室网中的红外探测传感器集合了ZigBee无线技术的红外动作感应器，在红外实时探测状态下，如果有人或动物等生命体在监测区内活动，红外探测传感器可探测到红外信号，并将该状态信息报告给指定设备，用户可根据回报状态设置执行不同的指令或场景。

3.2 光照传感器

智慧教室物联网中的ZigBee光照传感器通过光敏二极管感知外界光线的强度，定时发送报告，自动侦测、收集和探测环境照度，帮助用户了解环境照度情况，从而对亮度进行人工或者自动调节，达到智能化的目的。

3.3 温湿度传感器

智慧教室物联网中的ZigBee温湿度传感器用于采集周围环境的温湿度，将采集到的数据发送至系统显示，帮助老师和学生了解环境温湿度情况，从而对温湿度进行人工或者自动调节，为师生营造一个舒适的学习环境。

3.4 烟雾探测传感器

当空气中烟雾的浓度超过所设定的界限时，智慧教室物联网中的ZigBee烟雾探测传感器将向系统发送报警信息，及时发出报警以提醒用户，确保师生生命财产的安全。同时，设备具备温度检测的功能。当检测到的温度超过60 ℃时，设备也会向系统发送报警信息，系统自动发出报警。另外，通过烟雾探测传感器可有效监控学生吸烟等不良嗜好，及时对其行为予以制止并纠正，引导学生健康成长。

4 结语

ZigBee技术在智慧教室的应用中有其自身的特点，但也有局限线，其数据速率比较低，在2.4 GHz的频段只有250 kB/s，而且这只是链路上的速率，除掉信道竞争应答和重传等消耗，真正能被应用所利用的速率可能不足100 kB/s，并且余下的速率可能要被邻近多个节点和同一个节点的多个应用所瓜分，因此不适合做视频传输等数带宽占用量大的数据传输，适合其技术特点发挥的应用领域在传感和控制系统，在智慧教室中的物联网无线控制系统正好发挥ZigBee技术的自身优势。