基于ZigBee的教學樓管理系統設計

吳曉華 梁哲 林麗君 宋韜 劉同來

摘要：為了對教學樓中眾多的教室進行方便有效的智能管理，方便老師們上課點名及實時監控學生上課情況，也方便學生課后找到合適的教室自習，創作一個基于物聯網的智能教室管理系統。該設計通過光照強度、溫度、濕度、粉塵濃度等傳感器實現對教室窗戶、空調、燈光等的智能監控，以及用電器故障檢測，通過ZigBee發送每間教室用電器是否發生故障、課室人數、是否發生火災等信息到每棟教學樓主控板，從而確定具體哪間教室需要維護，實現智能高效管理。通過WiFi模塊，學生可通過手機App實時查詢每間教室具體人數，快速找到合適的教室自習，從而達到對教學樓的高效智能化控制管理。

關鍵詞：ZigBee;教學樓管理;ESP8266;物聯網平臺;自動指令

中圖分類號：TP311.52 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）05-0005-03

1 引言

隨著我國高等素質教育的普及推廣，接受高等教育的學生數量正在持續地增加，全國各高校都開始了擴建項目，修筑了大批的新課堂，面對這些數量越來越多的現有課堂和學習設施數量，如何有效地對現有的課堂和學習設施進行有效管理就顯得格外重要[1]。傳統的管理模式存在局限性，需要結合現有科技水平的新型教學樓管理系統。目前大多高校的教學樓管理仍采用傳統的人工管理模式，對于基于物聯網技術的室管理系統投入應用較少。傳統的教學樓管理缺乏智能化，增加了人工成本，且僅有監控管理系統，缺乏對教室的智能控制，也沒有考勤管理和緊急事件的應對功能，更不能給每一個位師生提供一個相互交流的平臺，所以智能教學樓管理系統有很大的研究發展前景。

2 系統框架

本系統設計使用ZigBee模塊作為管理系統中子系統與主控系統的通信模塊，具有功耗低、成本低、網絡容量大、延時短和數據安全的特點[2]，理論上可以實現系統設計的性能指標，結合現有較為成熟的物聯網技術該系統具備較高的可行性。以下針對教學樓管理系統的主要功能進行理論分析。

學生通過指紋識別模塊與錄入在單片機中的每個學生指紋信息匹配的方式進行簽到和教室進出口處安裝的紅外檢測裝置，采用兩種檢測方式相結合的形式實時檢測在教室具體學生人數，防止已經簽到的學生早退，進行二次核對實現一種快速并且無法代替簽到的點名方式。同時為查詢自習教室提高可靠的數據支撐。

通過光照強度、溫度、濕度、粉塵等傳感器和電流檢測模塊實現對教室窗戶、空調、燈光、溫濕度等的智能控制，以及用電器故障檢測，通過ZigBee發送每間教室用電器是否發生故障、人數、是否發生火災的信息到每棟教學樓主控板，確定具體哪間教室需要維護，實現高效管理。通過WiFi模塊，學生可通過手機 App 實時查詢每間教室具體情況（教室內人數、溫度、光照等），快速找到合適的教室自習。學生還能通過手機 App 實時更新教室信息情況，方便后勤實時進行教室維護，報修由云端傳送到主控板，實現對教學樓的高效管理。

3 系統設計

3.1 總體設計

設計內容為基于ZigBee模塊的教學樓控制系統的設計。如圖1所示為控制系統的結構圖，以一間教室的控制子系統為例。包括數據收集模塊、執行機構、子系統控制中心、無線通信模塊以及控制系統的主控制中心和軟件App構成。其中數據收集模塊有粉塵傳感器、溫濕度傳感器、光照強度傳感器、指紋識別模塊等組成，構成教室控制所需信息的收集裝置，便于子系統控制板對收集到的數據進行分析，針對不同的環境變量進行合理的控制，從而達到適宜教學活動的教室環境。執行機構包括舵機、OLED顯示屏和紅外發射器。無線通信模塊由ZigBee模塊和WiFi模塊組成，負責信息傳輸和主控板和子系統之間的指令傳輸。主控板以及子系統控制中心使用STM32F103C8T6控制芯片來實現控制目的。

3.2 從機程序設計

從機的主要功能是環境信息的收集和自動指令的執行。包括多個傳感器的初始化和STM32外設初始化，如光照強度傳感器、溫濕度傳感器、指紋識別模塊、粉塵傳感器、OLED屏幕、ADC、IIC、PWM和USART。其中ADC外設用于讀取粉塵濃度數值，IIC則是與OLED和光照強度傳感器進行數據通信，USART連接ZigBee模塊實現與主機之間的數據交互。PWM用于控制舵機執行。多個外設和傳感器根據設置的閾值和邏輯執行相應的自動指令[3-4]，實現對教室的智能化管理。

3.3 主機程序設計

主機程序主要實現的功能為接收從機數據并分析數據以及連接物聯網平臺上傳數據。初始化USART1用于打印數據測試信息方便程序的調試測試，USART2用于與ZigBee模塊通信實現數據的接收，初始化通用定時器TIM實現程序的精確延時功能，按鍵用來作為配置上網的觸發條件。因為主機需要實時接收從機發送的數據，在數據更新上較為頻繁，普通的數組緩存區在達到緩存容量時會將最新的數據舍棄從而造成數據的失真，使用環形隊列緩存區則是達到緩存容量時舍棄最先緩存的數據保證最新接收的數據的完整。

3.4 指紋識別功能程序設計

指紋識別模塊主要用于學生的上課簽到考勤，系統中設置了按鍵電路來進行指紋識別模塊的操作，分別對應錄入指紋、刪除指紋以及指紋簽到功能。該模塊與MCU之間采用的是串口通信，增加管理員權限指紋用于錄入和刪除簽到指紋。

4 數據發布功能設計

系統的數據發布功能采用ESP8266 WiFi模塊[5]可以輕松享受開箱即用的服務，直接連接網絡將教室的數據上傳到云平臺，實現在手機App端進行查看教室信息。系統中使用的物聯網云平臺為智能云平臺，一個智能硬件開發以及云服務平臺。這里需要完成的工作為燒錄gizwits固件，在主機程序中移植并初始化Gizwits協議，之后就是對Gizwits協議中包含的相關函數接口進行調用。協議的初始化函數如下，其中包含了由于實現精準延時功能的定時器初始化和MCU和WiFi模塊進行的連接橋梁——串口通信初始化以及分配內存空間。

手機App連接設備可以查看主機上傳的數據點信息，如教室的溫濕度、光照強度等環境數據以及學生的簽到情況。同時也能在App上進行指令的下發進行如教室燈、空調的控制。

5 實物制作與系統測試

5.1 實物制作

使用萬用板作為各個傳感器模塊以及MCU開發板的搭建平臺，在傳感器與萬用板之間的連接方式為先在萬用板上焊接單排母座接插件，因為本系統中用到的傳感器的接口大多為排針可以直接與單排母座連接，在保證連接良好和信號傳輸穩定的前提下，可以提高傳感器的重復利用效率，不至于因為直接焊接在萬用板上造成拆卸煩瑣同時也方便在模塊出現故障時的快速更換。

5.2 系統測試

5.2.1 人員進出人數統計功能調試

該功能是通過檢查兩個紅外反射傳感器的輸出電平進行判斷，進出人數的增加和減少。這里單獨連接兩個紅外反射傳感器進行測試，使用數組記錄不同時刻的電平狀態，通過對比不同時刻的電平情況判斷進出的方向，同時可以通過調節模塊的可調電阻來調節測量的有效距離。根據輸出的測量結果來看，該模塊的響應速度較快，能滿足系統功能的演示需求。

5.2.2 教室環境數據收集測試

通過多次實地測量數據，該系統對粉塵濃度、環境溫濕度、光照強度等都能穩定地測量，且數據精度也滿足系統設計要求。

6 結束語

本系統提出了一種基于ZigBee的教學樓管理系統設計，基本上能實現對教學樓中眾多教室的智能化管理控制。實現了對教室環境數據的收集檢測、學生上課考勤簽到以及自動控制指令等功能，通過ZigBee無線通信模塊實現主機和從機間的數據通信，在由主機連接WiFi將收集到的數據信息上傳到物聯網平臺實現對教室的遠程監控管理，在手機App上查看教室信息，也方便學生尋找合適的自習教室。為高校教學樓管理或者其他樓宇自動化管理提供一種解決方案。下一步將繼續研究系統的多節點無線通信數據傳輸效率，結合實際教學樓環境完善系統的設計。

參考文獻：

[1] 尹鋒.對于大學教學樓管理的分析與研究[J].城市建設理論研究（電子版），2017（30）：91.

[2] 王瑞娜，潘曉貝.基于ZigBee的溫室大棚環境監測系統研究設計[J].常州信息職業技術學院學報，2021，20（2）：24-28.

[3] Wang Y Y，Hu K F，Zhang J M.Harmonic control system of smart meter based on ZigBee[J].Journal of Physics：Conference Series，2021，1738（1）：012028.

[4] Wang G R，Chang Y.Material handling system based on ZigBee wireless remote control equipment development[J].International Core Journal of Engineering，2020，6（11）：423-426.

[5] 張琥石，林偉龍，楊發柱，等.基于ESP8266 WiFi模塊的物聯網體溫監測系統[J].物聯網技術，2020，10（12）：32-35.

【通聯編輯：謝媛媛】

收稿日期：2021-11-08

基金項目：廣西自然科學基金項目：基于多模態深度融合的微博情感挖掘（項目編號：2018GXNSFAA138082）;廣西創新驅動發展專項項目：北部灣海洋牧場地理時空數據網格化智慧服務平臺研發與示范應用（項目編號：桂科 AA18118025）

作者簡介：吳曉華（1972—），女，廣西桂林人，工程師，學士，主要研究方向為數據挖掘和大數據;梁哲（1984—），女，廣西百色人，工程師，學士，主要研究方向為信息系統管理;林麗君（1986—），女，河北邢臺人，助理工程師，學士，主要研究方向為信息系統管理、數據挖掘和深度學習;宋韜（1985—），男，廣西桂林人，工程師，學士，主要研究方向為軟件工程;劉同來（1982—），男，江蘇連云港人，通信作者，副教授，高工，博士，主要研究方向為計算機網絡、數據挖掘和區塊鏈。