基于MT7620与ZigBee的智慧教室实现

(深圳技师学院电子信息技术系 广东 深圳 518116)

引言

随着国内教育的不断发展，越来越多的电子设备引入到教室，如电脑、投影仪、电动幕布、摄像头、灯光、功放、实物展示台、笔记本电脑、台式电脑、电动窗帘等，但是这些设备除了电脑其他都不能联网，无法对设备进行实时管理，当出现故障的时候无法及时解决，以致影响了上课的进度和教学质量。如何解决好这些设备的联网、实时管理以及更加便利教师的上课和学生的学习成为摆在我们面前的一个亟待解决的问题。

近年来随着科技的发展物联网技术、嵌入式技术的应用越来越广泛，技术也越来越成熟。物联网其英文名称是：“Internet of things(IoT)”。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是物物相息[1]。正是由于物联网良好的网络互联特性，给智慧教室带来全新的技术手段和管理方法。为管理员提供了一个更高效的管理方式，给师生提供一个智慧化的教学环境，使学校的教学信息化程度有进一步的提高。

一、系统设计

本智慧教室系统包含了5个子系统：MT7620路由器子系统、ZigBee无线管理电器子系统、摄像头监控子系统、教室门口显示子系统、手机APP管理子系统。以MT7620为控制核心，连接了ZigBee协调器，ZigBee协调器通过ZigBee无线网络管理着教室内所有的电器，使普通的电器都可以通过无线网络来进行控制。教室门口显示模块的功能可以显示该教室的课表，以及可以查看当前教室上课的课程介绍、教师介绍、考勤情况等。固定资产管理为通过超高频rfid对教室内固定资产的数量和状态进行读取，管理员可以进行远程管理。

二、硬件系统设计

(一)MT7620路由器子系统

路由器子系统采用的主控芯片为联发科的MT7620，MT7620A是一款非常成熟的高集成度SOC芯片，也就是常说的的“片上系统”，顾名思义，这款芯片集成了CPU、Baseband、Radio等功能和丰富的外围总线接口，如UART、SPI、IIC、USB、IIS、PCM等。通俗点讲，这要给这款芯片加上一些外围电路，就很方便的设计一款无线路由出来。

(二)ZigBee无线管理电器子系统

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。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。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定[2]。

ZigBee有强大的组网能力，可以形成星型、树型和网状网三种zigbee网络。网络中的节点可以分为三种：协调器节点、终端节点、路由节点。协调器节点负责管理整个ZigBee网络，终端节点是路由器通过串口方式连接协调器节点，路由器接收手机通过无线网络发送过来的控制命令，再通过串口转发给协调器节点。

(三)摄像头监控子系统

摄像头监控子系统采用uvc类型的摄像头，UVC，全称为：USB video class 或USB video device class。是Microsoft与另外几家设备厂商联合推出的为USB视频捕获设备定义的协议标准，目前已成为USB org标准之一[3]。将该摄像头连接到智慧教室管理系统(GEC210开发板)。并且将mjpg-streamer移植到GEC210开发板，mjpg-streamer是一个开源软件，用于从webcam摄像头采集图像，把它们以流的形式通过基于ip的网络传输到浏览器如Firefox，Cambozola，VLC播放器，Windows的移动设备或者其他拥有浏览器的移动设备。

(四)教室门口显示子系统

教室门口显示子系统主要完成课程信息的显示，如当前是第几周、课程名称、课程号、任课教师、上课时间、到课率、当前系统时间等参数。由于教室门口显示子系统也是智慧教室的管理系统需要显示和处理的数据很多，所以对于该部分的硬件要求比较高。该子系统采用的是三星生产的S5PV210芯片，S5PV210采用了ARM CortexTM-A8内核，ARM V7指令集，主频可达1GHZ，64/32位内部总线结构，32/32KB的数据/指令一级缓存，512KB的二级缓存，可以实现2000DMIPS(每秒运算2亿条指令集)的高性能运算能力。

(五)手机APP管理子系统

手机APP管理子系统主要的功能为通过手机可以管理教室内所有的电器设备，为教师和学生提供一个良好的学习环境。

三、智慧教室软件系统设计

智慧教室系统功能较多，对于软件来说采用了服务器-客户端的设计方式。由于不同类型的设备众多，为了可以是不同设备之间能够正常通讯，定义了以下的通讯协议，表1为ZigBee设备节点向协调器发送的数据。

图1 ZigBee设备节点数据格式

其中DeviceID所代表的设备类型如表2所示，在表1中有两个字节表示的是设备类型(DeviceID)，其中高位字节表示的是设备的类型，其中类型有：协调器、传感器、控制器、多合一节点。低位字节表示的是该类型设备又分为有具体的几种设备，例如传感器类型的设备中还有：温湿度传感器、光照度传感器、烟雾传感器、人体红外传感器。控制器类型的设备中还细分有：8路继电器、红外遥控、1路继电器、2路继电器、3路继电器、窗帘。

四、结语

本文设计了一种基于ZigBee网络的物联网智慧教室系统，将传统的物联网技术应用于教室和教学，通过该系统可以方便地控制教室内部的所有电器设备，使学生和教师有一个舒适智能的教学环境。应用嵌入式技术将学生的考勤和课表的显示和管理很清晰地呈现在教室门口，以方便教学督导和学生的查看。该项目综合应用物联网技术、嵌入式技术、网络技术、电子电路技术等诸多先进前沿的技术，这本身就是一个很好的教学项目。所以该项目具有很高的应用价值和参考价值。