基于Zigbee技術的教室智能控制系統

李亞兵

摘要：高校學生規模不斷在擴大，學校各種資源之間矛盾在加劇，不利于實時監控，安全隱患也隨之升高。針對此問題，以教室為中心，設計了基于ZigBee 技術來實現教室智能控制。智能燈光控制，打造節能型校園；智能考勤系統，方便師生辦公、學習和生活；教室內溫濕度、可燃氣體含量等數據實時監控，營造一個舒適安全的校園環境。采用ZigBee無線網絡組成多個終端節點，每個節點主要由 CC2530 為核心的協調器控制，協調器通過網關與外界WIFI網絡連接，從而實現對教室內各個因素遠程控制，該系統組網高效、能耗低、可靠性高，實現教室一體化監控，有助于建設平安校園和智慧校園。

關鍵詞：Zigbee；遠程控制；無線網絡

近年來隨著高校的辦學規模不斷地擴大，教學場所也不斷地進行擴建，其中教室、自習室、實驗室等場所相對分散，教學場所的照明系統管理成為一大難題。 通過調研發現，大多數高校都是采用人工管理為主，每棟教學樓安排值班人員對教室的照明進行手動控制，這樣不僅成本較高，而且管理比較麻煩。另一方面，對學生的考勤學校一般人工查勤，學生會每次要到班級里進行查人數，影響正常上課，費工費時。采用無線網絡，將設備從有線連接變為無線連接，方便使用，已成為一種必然趨勢。無線通信技術激烈的競爭中，Zigbee 技術以低成本、低功耗、低數據速率和高可靠性等優點脫穎而出。對工業控制而言，藍牙技術顯得太復雜，且功耗大、距離近、組網規模太小；移動網絡投入太大，通信速率低且費用高。基于Zigbee的無線傳感網絡避免了上述弊端，也克服了有線網絡的局限性及功耗高等缺點。

一、Zigbee技術概述

Zigbee是一種雙向無線通信技術，主要用于短距離、低功耗且傳輸速率不高的電子設備之間傳輸數據。這一名稱（又稱紫蜂協議）來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網絡。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網絡。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率。Zigbee模塊通信距離從幾十米到幾百米，并支持無線擴展，理論上可以是由65536個無線模塊組成的無線網絡平臺。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。

二、系統架構與硬件設計

該系統分為下位機采集系統和上位機監控系統兩個部分，如圖上所示。下位機采集系統使用 Zigbee 無線技術，搭配溫濕度傳感器、人體紅外熱釋電傳感器、光敏電阻傳感器、考勤機、攝像頭等組成zigbee無線傳感終端節點，安裝在教室適宜監測的方位，下位機采集的信息通過wifi網絡送到zigbee協調器節點里，zigbee協調器就相當于一個單片機，根據設定的程序，自動進行信息處理控制。上位機包括PC機、智能手機、顯示屏幕等裝置，進行顯示監控，也可以通過上位機進行遠程調節參數和控制zigbee無線傳感終端設備。從而要達到3個目的：（1）實現對教室的各個監控參數進行自動檢測；（2）實現對教室的各個監控參數進行自動控制調節；（3）實現對教室的各個監控參數進行遠程監控。

（一）燈光控制節點

燈光控制結合人體紅外熱釋電傳感器和光敏電阻傳感器實現了教室內人走燈滅，自動關燈功能，既方便了師生生活，又避免電能損耗，有效地節約了資源。人體紅外傳感器模塊主要由熱釋電傳感器（PIR）BISS0001紅外信號處理芯片組成。采用熱釋電傳感器的優勢是：成本低，不需要用紅外線或電磁波等發射源，隱蔽性好，可流動安裝，靈敏度高、控制范圍大。熱釋電紅外傳感器利用熱釋電效應，能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線，并將其轉變為電壓信號。實際使用中，熱釋電傳感器前面必須安裝菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡的作用是將人體輻射的紅外線聚焦到熱釋電紅外探測元上，同時也產生交替變化的紅外輻射高靈敏區和盲區，以適應熱釋電紅外探測元要求信號不斷變化的特性，這樣可大大提高接收靈敏度，增加檢測距離及范圍。實驗證明，熱釋電紅外傳感器若不加菲涅爾透鏡，則其檢測距離僅為2m左右（檢測人體走過）；而配上菲涅爾透鏡后，其檢測距離可增加到10m以上，甚至可達20m以上。

由于PIR信號變化緩慢、幅值小，針對該特點，專用信號處理器一般分為4步處理：濾波放大、窗口比較、噪聲抑制及數字信號處理。BISS0001就是由運算放大器、電壓比較器、狀態控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構成的數模混合專用集成電路。它采用CMOS工藝、數模混合，具有獨立的高輸入阻抗運算放大器，內部的雙向鑒幅器可有效抑制干擾。電路中BISS0001紅外信號處理芯片的A引腳外接高電平，如果教室有人持續存在時人體紅外傳感器就會感應產生信號，則VO引腳持續輸出高電平；只有當人體紅外信號消失后VO引腳經過延時一段時間后才輸出低電平， 該電路不僅具有較高的感應靈敏度，而且抗干擾性能較強。光敏傳感電路比較簡單，電路不在提供。

（二）溫濕檢測節點

空氣溫濕度采集采用單片數字溫濕度集成傳感器，確保產品具有極高的可靠性和出色的長期穩定性。具有低功耗、反應快、抗干擾能力強等優點。當超過設定溫度時，溫度傳感器檢測到信號傳個協調器節點，協調器對采集的信息信號處理對比，發現溫度偏高，自動發號命令啟動制冷設備進行降溫處理，實現自動控制的目的。

（三）智能考勤節點

通過點名、磁卡和接觸式 IC 卡等方式對學生到課情況進行考勤、記錄管理，既耗時又相互干擾；而非接觸式學生考勤系統實現了利用無線射頻識別（RFID）技術對學生考勤進行管理，既方便快捷，又省時廉價，也不會干擾正常課堂教學。

該系統工作過程：當持有學生基本信息的非接觸式IC卡進入MFRC522讀卡器天線作用范圍內時，卡片獲得能量以維持卡內電路工作；終端節點負責控制讀卡器進行一系列“尋卡→防沖突→選卡→讀/寫卡”操作，如果這一系列操作成功，將讀取卡片上的學生信息；終端將學生信息發送到協調器。協調器接收到相應數據后，根據預存的數據庫，將數據轉換成相應的學生信息，得到本次課堂已到和缺課學生的人數及姓名，然后對信息進行顯示并傳遞給上位機系統以便后臺查詢管理。

（四）遠程監控節點

Zigbee無線終端節點安裝攝像頭，可以通過wifi或移動數據信號傳到PC機上或手機上，進行遠程可以監控教室的情景。

（五）電源設計

Zigbee設備采用CC2530最小系統為核心，所有設備及其外圍電路可選用3節干電池串聯供電。CC2530包含電源管理功能，可實現不同的供電模式。學校下課等空暇時間段設備自行進入休眠模式，也可人為按鍵操控，選擇是否進入休眠。休眠有利于延長供電電池的壽命，低功耗運行。

三、系統軟件設計

（一）無線網絡組網

每個Zigbee網絡中只允許有1個協調器，它具有最高網絡權限，是整個網絡的維護者，協調器最先啟動，啟動后進行能量檢測，檢測工作區域內所指定信道上有無其他設備在工作。協調器根據檢測結果選擇合適的信道，并選擇PANID和網絡短地址后啟動協調器，并允許終端加入。協調器收到終端入網請求后，若允許請求，則分配一個短地址給終端，并發送相應原語，請求入網的設備即加入到網絡中，設備入網后就可實現數據的相互傳送。

（二）網絡中傳感器的協調

系統中傳感器個數較多、類型多樣，需遵循一定的協調方式。不同功能的傳感器所安裝位置也不同，所以需要配備各自的終端設備。本系統傳感器信號由各自的終端設備傳輸給協調器，協調器對各類傳感器信號進行輪詢，實時處理。傳感器的協調方式遵循分布式、自組織的特點。

四、結語

社會各界越來越重視物聯網技術帶給生活的智慧與便捷，傳統教室存在諸多不便，未實現管理智能化，資源浪費嚴重。本文設計并實現了一套教室管理監控系統，涉及教室環境監測、危險報警、智能考勤和燈光控制等多個方面。對教室的實時監控既方便了師生的學習生活，同時也保證了校園安全，有一定的實用價值。

參考文獻：

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