基于Zigbee的智能教室控制系统的设计

李京慧 迟宗涛 崔诗晨

摘要： 针对传统教室用电器利用率低的问题，本文基于Zigbee设计了智能教室控制系统，通过Zigbee无线网络，对教室险情监控、人数统计、无线控制灯开关系统进行设计。该系统以STM32单片机为核心，通过Zigbee终端无线接收和发送信号到Zigbee协调器，协调器通过无线网以点播的方式接收和控制每个Zigbee终端的信号，从而进行无线控制，同时通过SIM900实现远程信息传递。实验结果表明，用户可以通过该系统远程实时监测教室环境，控制灯的开关，并通过红外对管统计进出教室的人数。该控制系统便捷灵活、操作简便，达到了预期设计目的，具有良好的经济实用前景。

关键词： 智能教室; Zigbee无线网络; 远程监测; STM32; ARM; GPRS

中图分类号： TN915.5  文献标识码： A

21世纪以来，物联网技术快速发展，人们不再满足于现有的生活条件，而是向往体验更智能化的工作和生活环境[12]。以学校教室系统为例，通过调研发现，目前教室的管理以人工为主，学生自习结束人走楼空，教室却灯火通明，风扇空调等设备全开，等待管理人员统一手动关闭;自习室学生分配不均，有些人员密集，有些空无几人却开启了所有电器设备[3]。这些现象导致人力、物力及电能的浪费，给学生寻找自习室造成不便，教室资源不能合理有效的利用[4]。因此，传统的教室控制系统难以满足学生的学习需要，更不能响应节能减排、低碳生活的理念[56]。教育部门对智能教室系统的需求不断增加，使智能教室的实现成为可能。近年来，国内外基于物联网技术的智能教室系统初现雏形，它是根据教室内人数进行灯光智能控制，但仍存在准确度低、系统性不强[7]等问题。基于此，本文设计了一套基于Zigbee的智能教室管理系统，通过Zigbee无线网络，采集教室内的温湿度及火灾报警信息，同时控制教室内发光二极管（light emitting diode，LED）灯的开关，利用红外传感器实时检测室内人数，及时将这些信息显示在教室外面的液晶显示器（liquid crystal display，LCD）显示屏上。该系统改变了传统的人工管理模式，解决了教室资源浪费的问题，帮助学生快速找到合适的自习室，从而为学生提供一个更舒适的学习环境[8]。

1 ZIGBEE无线技术介绍

Zigbee无线通信技术作为一种正在发展的新型无线网络技术，以IEEE 802154为标准，但该标准只定义了较低的两层：物理（port physical layer，PHY）层和媒体访问控制（media access control，MAC）子层，是Zigbee联盟在此基础上，构建了网络层和应用程序编程接口（application programming interface，API）的标准化。Zigbee堆栈架构由物理层，媒体访问控制子层，网络层和应用层框架组成，其中包括应用程序支持（application support，APS）子层，Zigbee设备对象（zigbee device object，ZDO）和制造商定义的应用程序对象[9]。Zigbee可嵌入各种设备，广泛应用于工业监控、安防系统、智能家居等领域，具有短距离通信，低速，低功耗，低成本等特点。它的传输距离为几十米，可自由使用24 GHz和900 MHz频段，实现双工通信[10]。Zigbee支持多种网络结构，主要包括星型、树型和网状网络，它们由协调器、路由器和终端设备组成。Zigbee由于其低传输速率和对睡眠模式的支持而具有地毯节能的效果。经测试，在低功耗睡眠模式下，2节5号干电池可支持一个功能节点长达24个月。相同情况下，蓝牙可工作约1个月，而WIFI只工作几个小时，体现Zigbee的优势[11]。通过以上特性可以看出，Zigbee更适合在复杂的室内环境工作。

2 教室管理系统的设计

2.1 系统的硬件设计

智能教室系统的硬件设计主要包括STM32单片机信息处理模块、信息采集安全模块和灯控模块。系统总体结构框图如图1所示。

本系统以STM32单片机为信号处理核心，通过Zigbee节点将传感器模块与继电器模块的信号传递给单片机。系统的节点硬件结构如图2所示。Zigbee终端节点以广播的方式将接收到的信号广播到Zigbee协调器节点，该节点通过串口、路由器WIFI网络，连接单片机和手持终端设备，实现LED灯的远程开关、温湿度控制和烟雾报警功能[12]。同时，每个教室门上都安装2个交错的红外传感器，经过人数统计模块的计算，将教室的人数变化及时通过Zigbee网络上传到教室系统，方便老师快速了解教室的学生人数。该系统采集环境参数，最终通过智能手机及远程教室系统实现实时控制教室常用设备的功能。

2.1.1 ARM控制模块

在该系统中，教室内部采用星型网络，传感器数据和LED灯的开关状态在网络中自由传输，利用通用分组无线服务技术（general packet radio service，GPRS）模块和Ethernet模块，将收集到的信息传输至教务处网络，用户通过PC端或液晶显示屏观察室内情况。本系统主要采用STM32单片机进行数据处理，Zigbee协调器接收Zigbee终端发来的信息，驱动单片机将控制信息通过串口发送给Zigbee协调器[13]，单片机将Zigbee终端传感器发送的数据信息通过LCD控制器显示在LCD显示器上。系统硬件框图如图3所示。

2.1.2 人数统计模块

日常生活中经常用到各种人数统计技术，其中包括红外对管、激光传感器、热释电传感器等，但是利用机械转动装置及红外对管进行人数统计的技术，只能用于单人按照一定次序进出的情况[14]，此外，基于计算机视觉技术的人数更多受到光照变化、遮挡、运动模糊和复杂背光的影响[15]。为准确检测多人进出情況，本系统在教室门内侧安装2个红外传感器1和红外传感器2，当红外传感器1先接收到遮蔽信号，红外传感器2后接收到遮蔽信号时，每个教室的LCD显示屏显示人数加1;当红外传感器2先接收到遮蔽信号，红外传感器1后接收到遮蔽信号时，每个教室的LCD

每次人数变动都会同步显示在教室外面的LCD显示屏上，方便自习学生在不进入教室的前提下，快速找到人少的自习室，人数统计流程图如图4所示。

2.1.3 信息采集安防模块

系统的信息采集模块主要包括温湿度传感器、MQ2烟雾报警传感器、SIM900 GPRS模块、Zigbee终端模块和LCD显示屏[16]。模块中传感器采集的信息，通过AD模块进行数据处理，并显示在LCD显示器上。当教室发生火灾时，烟雾报警器会监控信息，并触摸警报铃声[17]。采集到的信息通过Zigbee无线网络及WIFI模块，上传到教室管理系统的网页终端，从而达到远程监测教室信息的目的。

2.2 系统的软件设计

系统的软件设计由远程监测界面设计、控制中心单片机的程序设计、CC2430协调器程序设计、CC2430监控节点程序设计4部分组成。

本系统通过Web远程操控应用终端接收来自终端的信号，并显示终端信号，Web与应用程序之间的桥梁是通过shell脚本完成[18]。首先Web将命令发送给相应的脚本，经过switch语句处理后，将参数传递给对应的应用程序，从而实现Web与应用程序之间的通信，达到Web控制硬件的目的，与此同时，shell脚本也实时接收来自应用程序采集的信号信息，上传到Web最终显示[19]。

3 系统测试及结果分析

该系统设计了基于Zigbee的智能教室管理系统，网页测试界面图如图5所示。系统测试表明，用户可通过该系统利用Web网页远程实时监测教室环境，同时控制教室灯的开关，并且通过红外对管统计进出教室的人数。结果表明，实验效果良好，达到了预期设计的目的[20]。

4 结束语

本文基于ZigBee设计了远程智能教室管理系统，该系统与传统的智能教室系统不同，由于Web网络模块数据的双向传递，使管理者能进行远程监测和控制。经测试，该系统降低了自习室运行成本、减少大量人力劳力，解决了以往教室系统有线网络复杂、成本高、效率低等问题，方便学生快速高效的寻找自习室。但对于人流量较大的上下课时段，人数统计有一定的误差。因此，下一步研究的重点是继续优化红外对管的人数统计方法，从而提高系统的准确度。

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