基于ZigBee技术的幼儿园环境控制系统的设计与实现

赵 义，曹映红，张莉萍

(1.湖北幼儿师范高等专科学校 基础课部，武汉 430223；2.长江职业学院 旅游信息学院，武汉 430074)

基于ZigBee技术的幼儿园环境控制系统的设计与实现

赵 义1，曹映红1，张莉萍2

(1.湖北幼儿师范高等专科学校 基础课部，武汉 430223；2.长江职业学院 旅游信息学院，武汉 430074)

本文是湖北省教育厅科学技术研究计划指导性项目“物联网技术在幼儿教育中的应用研究”阶段性成果，主要阐述如何利用ZigBee技术搭建教育管理平台，实现幼儿园智能环境控制系统的设计和模拟，从而提升幼儿园智能化水平，打造一个让家长们和社会放心的智能幼儿园。

物联网；ZigBee；无线传感器网络；智慧幼儿园

1 幼儿园环境建设需求

《幼儿园工作规程》、《托儿所、幼儿园卫生保健管理办法》、《0-3岁幼儿学习发展指南》等一系列法律法规对幼儿园的室内外环境提出了明确的要求：室外环境需求包括幼儿园周边、建筑区域划分、班级类型、大小等，在平面设计方面对于建筑物高度、宽度、跨度、光照等必须符合幼儿的心理发展方向；室内环境需求包括室内空间设计的合理、软件硬件装修装饰的安全，温度、湿度、明亮度、电力安全度等环境因素必须符合幼儿身心发展[1-2]。

本文通过ZigBee技术构建无线传感器网络。首先，设计了能将幼儿园关键区域内烟雾、温度、湿度、压力等信息进行采集、检测、传送的无线传输模块；然后，通过软件系统结构设计实现幼儿园环境智能监测；最后，对ZigBee无线传感器网络的特性进行了阐述。

2 环境控制系统方案

ZigBee 技术主要用于低数据传输速率且传输距离要求不远的各种通信设备之间。ZigBee网络采用的是无线自组织网络技术，网络中的各个节点间通信以一跳或多跳的形式自动建立网络。ZigBee网络设备由三种网络设备构成，ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备。ZigBee协议包括ZigBee网络层和应用层协议，各层协议根据网络层次结构实现相应功能。

物联网体系结构由感知层、网络层(传输层)、应用层构成。本系统的感知层由各类传感器组成，包括温度传感器、湿度传感器、超声波传感器、气敏传感器和智能传感器实现各类物理量的采集，并通过发送模块进行数模转换，实现实时获取任何地点需要监控、连接、互动物体的信息，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种有用信息；网络层(传输层)由ZigBee节点模块构成，各类传感器采集完信号以后，将程序移植到发送端的ZigBee节点模块上，使之与数据接收端CC2430无线射频模块兼容，使每一个ZigBee模块在系统搭建的网络平台上，实现对烟雾温度的无线采集、发送和显示；接收端无线模块接收到数据后，通过串口连接到PC机上，从而实现对更大范围的烟雾温度进行实时监测，并可扩展到传统网络上实现各类应用，实现应用层功能。本系统的整体结构图如图1所示。

图1 环境控制系统结构图

2.1 ZigBee技术概述

ZigBee无线传感器网络是基于ZigBee协议的无线传感器网络，是ZigBee协议与传感技术的结合，是应用性非常强的技术。

2.2 系统硬件结构设计

本设计中，选择无线射频模块CC2430，可尽量避免障碍物的遮挡，天线信号更好，CC2430既可以作为发送模块也可以作为接收模块[3-4]。一般情况下，建筑物内区域较宽广，需要测量多个地方的烟雾和温度，一个空间内需放置多个传感器来检测，将这些传感器与下位机的无线传输模块连接起来，利用网络拓扑结构，使一定空间内的多个测量点组成网络节点。多个测量节点与测控中心建立无线数据传输网络，将测量节点采集的信号通过无线传输网络，传到监控中心，单个系统硬件结构如图2所示。

图2 系统硬件结构图

2.3 软件系统结构设计

软件设计流程图如图3所示。

图3 软件设计流程图

2.3.1 终端测量节点加入无线网络

1)节点初始化，需要调用Zigbee Device Object(ZDO)层的初始化函数。

2)然后设置初始化事件，设备对象的任务事件负责处理初始化函数，对网络初始化这一事件进行相应的处理。

3)根据事件情况，调用网络层发现网络请求函数，执行相关发现网络动作后，Network Layer(NWK)层将发现网络的消息传送至ZDO层。

4)ZDO接收到消息后，自动修改设备状态，将执行请求加入网络事件。

5)随后NWK层将接收到请求加入网络反馈，将加入网络指示消息再次传送给ZDO层，ZDO层接收到消息后，自动修改设备状态。

6)任务事件处理函数执行ZDO的网络状态事件，启动搜索功能，寻找在应用层注册的端点号，即终端设备组网过程结束。

2.3.2 终端节点信号采集

1)传感器组上电后，要初始化设备。

2)选择通讯通道，CC2430无线传输模块准备接收信号，调用ZigBee协议应用层函数。

3)自动判断是否接收请求，如果系统不接收请求，将返回上层，继续准备接收信号；如果接收请求，系统再次判断本次请求是否合法，若系统判断本次请求不合法，也将继续返回准备接收信号阶段；若请求合法，将驱动无线终端设备，传感器组开始采集信号，发送采集的现场环境。

4)当系统判断采集、发送工作完成之后，无线终端设备将暂停采集工作。

2.3.3 数据传送

1)通过温度传感器DS18B20和烟雾传感器MQ-2测量各测点的温度和烟雾浓度。

2)将采集到的数据由ZigBee发送模块发送到检测中心的接收模块，再经过串口上传到PC机。

“物联网技术在幼儿教育中的应用研究”项目由物联网技术教学应用子模块、物联网技术教育管理应用子模块、物联网技术教育信息应用子模块构成。

本文论述的是物联网技术教育管理应用子模块内容。通过无线传感器网络，利用ZigBee技术设计智能环境监测系统，它具有耗资小、安装方便、维护和更新费用低等优势， 对园长来说，便于对幼儿园环境进行管控，对幼儿教师来说，可以提高保教能力和水平，通过技术的可靠性提高工作的可靠性，对家长来说， 提供了一个真正放心的幼儿成长环境，让家长不再对孩子在园情况担忧，为智能幼儿园提供了一种可行的整体解决方案。

[1] Hart Jane K， Martinez Kirk． Environmental Sensor Networks：A revolution in the earth system science？[J]． Earth-Science Reviews，2006，78：177-191.

[2] Commission of the European Communities, Internet of Things-An action plan for Europe[C]． Commission of the European Communities, 2009.

[3] 蒋延彪. 单片机原理及应用：MCS-51[M]．重庆:重庆大学出版社, 2003.

[4] 王贤勇. 赵传申.单片机原理与接口技术应用教程[M]．北京:清华大学出版社, 2010.

责任编辑 王菊平

Design and realization of kindergarten environment control system based on ZigBee technology

ZHAO Yi1, CAO Ying-hong1, ZHANG Li-ping2

(1. Department of Basic Courses Teaching， Hubei Preschool Teachers College, Wuhan 430223, China; 2. Tourism Information Institute, Changjiang Polytechnic, Wuhan 430074, China)

This paper is the phased achievement of guidance project of science and technology research program from Hubei Provincial Department of Education “Application research of internet of things in early childhood education”, mainly elaborates how to use ZigBee technology to build the platform of education management, realize the design and simulation of the kindergarten intelligent environmental control system, so as to enhance intelligent level of kindergarten and build a rest assured place for parents and society.

internet of things; ZigBee technology; Wireless Sensor Network(WSN); intelligence kindergarten

2016-11-24 doi 10.3969/j.issn.1003-8078.2017.03.12

赵义，男， 湖北武汉人，讲师，主要研究方向为现代教育技术和计算机网络；曹映红，女，湖北武汉人，副教授，主要研究方向为幼儿心理学和幼儿教师教育；张莉萍，女，湖北武汉人，副教授，主要研究方向为物联网和计算机网络。

湖北省教育厅科学技术研究计划指导性项目(B2014192)。

TP393

A

1003-8078(2017)03-0058-03