基于ZigBee的智能教室监控系统设计

邹艳华

摘 要：为了提升智能教室的设备利用率和维护效率，设计了基于ZigBee的智能教室监控系统。该系统由部署在教室里的传感器采集教室信息，通过ZigBee网络将信息汇聚到协调器，并经过STM32控制中心处理，上传到远程数据库进行管理。用户通过登录系统，能够实时监测教室里的环境，远程控制设备开关，并能在管理界面预先设定环境阈值，实现设备的自动化管理。同时，在教室外连接液晶显示屏，数据经过网关处理之后显示在显示屏上，用户可通过显示屏查看室内人数、温度、湿度等数据信息，从而帮助督导查课、学生快速找到合适的自习室。经测试，该系统操作简便，能够稳定地采集教室信息、准确控制设备，具有较好的实用前景。

关键字：ZigBee;智能教室;STM32;继电器

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）29-0007-04

Design of Intelligent Classroom Monitoring System Based on ZigBee

ZOU Yanhua

（Wuchang Polytechnic College，Wuhan Hubei 430070）

Abstract： In order to improve the equipment utilization and maintenance efficiency of the smart classroom， a ZigBee-based smart classroom monitoring system was designed. The system collects classroom information by sensors deployed in the classroom， converges it to the coordinator through the ZigBee network， and processes it through the STM32 control center， and finally uploads it to the remote database for management. By logging in to the system， users can monitor the environment in the classroom in real time， remotely control the switch of equipment， and can pre-set environmental thresholds on the management interface  to realize the automatic management of the equipment. At the same time， an LCD screen is connected outside the door of the classroom， and the data is displayed on the screen after being processed by the gateway. Users can view the umber of people in the room， temperature and humidity and other data information through the screen，so as to help supervisors check classes and students quickly find a suitable self-study room.The test results show that the system is easy to operate， can stably collect classroom information， and accurately control equipment， which has a good practical prospect.

Keywords： ZigBee;smart classroom;STM32;relay

科技的发展为教学提供了新的方式，教育服务措施依照新的教学目标得到了相应的调整。智能教室将网络技术和多媒体设备相连，为教师教学提供了多种多样的辅助功能，也为学生学习提供了舒适的环境[1-2]。调研发现，许多目前高校教室仍然采用传统的人工管理方式，即教师和学生下课离开教室后，由管理员逐一检查教室里的灯、风扇、空调是否关闭，或指定学生值班管理教室。当设备出现故障时，需要人工进行统计，统计周期长，不能及时了解设备故障情况，导致设备利用率不高，出现资源浪费的情况[3-4]。因此，传统的教室管理方式难以满足智能教室对设备的管理需要，限制了智能教室在学校教学中的普遍推广，也不利于响应国家关于节能减排、低碳生活的理念[5]。

基于此，筆者设计了一套基于ZigBee的智能教室监控系统。该系统利用部署在教室的传感器节点采集教室内的温度、湿度、光照强度、烟雾等信息，数据通过ZigBee网络传输到网关，网关以STM32单片机为核心，外接液晶显示屏，数据经过网关处理之后显示在教室门口的液晶显示屏上，同时远程上传到数据库进行管理。一方面，用户可在教室门口的显示屏上查看室内人数、温度、湿度等数据信息，帮助学生快速找到合适的自习室;另一方面，用户可以登录监控系统界面远程实时地监测教室信息，控制教室里的灯、风扇、空调等设备开关，并且可以根据教室人数和温度数据预先设定阈值，实现设备的自动化管理。

1 系统总体设计

本系统主要由教室现场环境监测子系统和上位机监控系统两部分组成。系统体系结构如图1所示。

教室现场环境监测子系统由传感信息采集和继电器控制两部分组成。通过在教室中合理部署ZigBee传感采集节点和ZigBee继电器控制节点两类终端节点，组建ZigBee网络。终端节点将接收的信号广播到协调器节点[6]，协调器通过串口连接单片机，数据最终汇聚到以单片机为核心的网关节点，最后由网关节点利用通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service，GPRS）模块将数据上传到远程数据库，实现远程监控教室设备的开关、温度、湿度控制和烟雾报警功能[7]。

上位机监控系统为用户提供了远程监控的人机交互界面。智能网关通过GPRS网络将数据发送到网络中，远程在线用户可通过个人计算机、智能手机或者平板等设备实时监测教室信息，并且可以实时对拥有访问权限的ZigBee终端节点进行参数设置、数据实时监控，满足智能教室远程控制的需求。

2 系统硬件设计

2.1 网关设计

网关是系统的核心设备，以STM32单片机为核心进行数据处理，在网络中起到承上启下的作用。网关节点的硬件结构如图2所示。CC2530协调器接收到终端节点发来的信息，通过串口将数据传输至STM32单片机。数据经过网关处理后，利用GPRS模块和Ethernet模块及时传输至远程数据库，方便教师远程监测教室情况。同时，传感器采集的环境数据和红外传感器采集的人数统计数据汇聚到网关，数据经网关转换之后显示在教室门口的液晶显示屏上，方便教师督导查课和学生选择自习室。

2.2 终端节点设计

终端节点包括传感采集节点和继电器控制节点，终端节点的硬件结构如图3所示。教室内部ZigBee网络采用星形网络结构，传感器和继电器控制节点分别将教室内的环境信息和设备的开关状态广播到协调器，数据由协调器传输至网关，并由网关及时上传至数据库。教师可登录上位机系统界面进行远程操作，利用驱动网关单片机将控制信息通过串口发送给协调器，再由协调器将控制信息发送至控制节点，从而实现设备的远程开关、烟雾报警等功能。

2.3 继电器设计

教室设备电源的开合由继电器控制实现[8]，当控制节点收到管理系统的回调命令后，通过控制继电器的开合实现电源管理，继电器的开关电路如图4所示。CC2530连接继电器，选用MOS管控制继电器的关合。配置P0_7口为输出，当输出为高电平时，MOS管导通，线圈中有电流，从而导致继电器吸合;当输出为低电平时，MOS管截止，线圈中电流不足或无电流，从而导致继电器断开。其中，在电路的线圈回路中加一个二极管D1，防止MOS管的集电极承受瞬间高压而造成设备损坏。

2.4 人数统计模块设计

人数统计模块主要由红外对管和LM324电压比较器组成[9]，人数统计模块的硬件电路如图5所示。当无红外光照射时，红外接收头有很小的饱和反向漏电流，光敏管不导通，红外接收管反向电压增大，导致电压比较器输出为低电平;当有红外光照射时，红外接收头饱和反向漏电流快速增加，光敏管导通，形成光电流，红外接收头反向电压较小，导致电压比较器输出为高电平。数据经过单片机的处理后输出精准的计数值。首先根据接收管是否准确接收到红外线来判断是否有人通过，接着根据两组红外对管来判断通过的人是进入还是外出，最后通过统计进出的人数来判断教室中现有学生的数量，进而实时更新教室门口液晶显示屏上的人数。

3 系统软件设计

本系统ZigBee网络软件设计由协调器发起网络，网络创建成功后，终端节点加入网络。协调器上电后，首先初始化网络，通过能量扫描，在编号11～26选择一个能量最少的信道创建网络，接着分配一个16位的PAN ID，然后设置网络短地址，在配置好以上参数之后，开始格式化网络。协调器的组网流程如图6所示。

网络创建成功后，将网络状态设置为允许节点加入，等待终端节点请求加入该网络。终端节点入网流程主要语句代码如下：

if（ZG_BUILD_JOINING_TYPE&&（

logicalType == NODETYPE_ ROUTER||

logicalType == NODETYPE_DEVICE））

{

if（（startMode == MODE_JOIN）||

（startMode == MODE_REJOIN））

{

devState = DEV_NWK_DISC;

ret = NLME_NetworkDiscoveryRequest（

zgDefaultChannelList，//默认的信道列表

zgDefaultStartingScanDuration//扫描信道的时间

）; }

}

终端节点加入网络流程图如圖7 所示。

终端节点加入网络并绑定成功之后，就可以周期性地向网络中发送信息，从而与协调器进行正常的数据收发。

4 系统测试与分析

该系统硬件连接测试如图8所示。从教室中采集的温度值、湿度值、光照强度值、人数统计数据值传输至协调器网关，再通过GPRS上传到上位机监控平台。平台实时查询数据流，并将最新的数据显示在界面上，绘制成动态图表，如图9所示。

5 结语

经测试，用户通过登录系统，能够实时监测教室里的环境，统计进出教室的人数，远程控制设备开关，并可在管理界面预先设定环境阈值，实现设备的自动化管理。测试效果良好，达到了预期设计的目的。该系统操作简便，能够稳定地采集教室信息，并准确地控制设备，具有较好的实用前景。

参考文献：

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[9]乐丽琴，贺素霞，吴亮，等.自习室、图书馆人数监测统计显示系统设计[J].电子设计工程，2013（23）：160-162.