趙 義，曹映紅，張莉萍

(1.湖北幼兒師范高等?？茖W(xué)校 基礎(chǔ)課部，武漢 430223；2.長(zhǎng)江職業(yè)學(xué)院 旅游信息學(xué)院，武漢 430074)

基于ZigBee技術(shù)的幼兒園環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙 義1，曹映紅1，張莉萍2

(1.湖北幼兒師范高等專科學(xué)校 基礎(chǔ)課部，武漢 430223；2.長(zhǎng)江職業(yè)學(xué)院 旅游信息學(xué)院，武漢 430074)

本文是湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃指導(dǎo)性項(xiàng)目“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在幼兒教育中的應(yīng)用研究”階段性成果，主要闡述如何利用ZigBee技術(shù)搭建教育管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)幼兒園智能環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和模擬，從而提升幼兒園智能化水平，打造一個(gè)讓家長(zhǎng)們和社會(huì)放心的智能幼兒園。

物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；智慧幼兒園

1 幼兒園環(huán)境建設(shè)需求

《幼兒園工作規(guī)程》、《托兒所、幼兒園衛(wèi)生保健管理辦法》、《0-3歲幼兒學(xué)習(xí)發(fā)展指南》等一系列法律法規(guī)對(duì)幼兒園的室內(nèi)外環(huán)境提出了明確的要求：室外環(huán)境需求包括幼兒園周邊、建筑區(qū)域劃分、班級(jí)類型、大小等，在平面設(shè)計(jì)方面對(duì)于建筑物高度、寬度、跨度、光照等必須符合幼兒的心理發(fā)展方向；室內(nèi)環(huán)境需求包括室內(nèi)空間設(shè)計(jì)的合理、軟件硬件裝修裝飾的安全，溫度、濕度、明亮度、電力安全度等環(huán)境因素必須符合幼兒身心發(fā)展[1-2]。

本文通過(guò)ZigBee技術(shù)構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。首先，設(shè)計(jì)了能將幼兒園關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)煙霧、溫度、濕度、壓力等信息進(jìn)行采集、檢測(cè)、傳送的無(wú)線傳輸模塊；然后，通過(guò)軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)幼兒園環(huán)境智能監(jiān)測(cè)；最后，對(duì)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特性進(jìn)行了闡述。

2 環(huán)境控制系統(tǒng)方案

ZigBee 技術(shù)主要用于低數(shù)據(jù)傳輸速率且傳輸距離要求不遠(yuǎn)的各種通信設(shè)備之間。ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用的是無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)間通信以一跳或多跳的形式自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由三種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成，ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和ZigBee終端設(shè)備。ZigBee協(xié)議包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層協(xié)議，各層協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層(傳輸層)、應(yīng)用層構(gòu)成。本系統(tǒng)的感知層由各類傳感器組成，包括溫度傳感器、濕度傳感器、超聲波傳感器、氣敏傳感器和智能傳感器實(shí)現(xiàn)各類物理量的采集，并通過(guò)發(fā)送模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)獲取任何地點(diǎn)需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)物體的信息，采集其聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等各種有用信息；網(wǎng)絡(luò)層(傳輸層)由ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊構(gòu)成，各類傳感器采集完信號(hào)以后，將程序移植到發(fā)送端的ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊上，使之與數(shù)據(jù)接收端CC2430無(wú)線射頻模塊兼容，使每一個(gè)ZigBee模塊在系統(tǒng)搭建的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙霧溫度的無(wú)線采集、發(fā)送和顯示；接收端無(wú)線模塊接收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)串口連接到PC機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)更大范圍的煙霧溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并可擴(kuò)展到傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)各類應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層功能。本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 環(huán)境控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 ZigBee技術(shù)概述

ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，是ZigBee協(xié)議與傳感技術(shù)的結(jié)合，是應(yīng)用性非常強(qiáng)的技術(shù)。

2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，選擇無(wú)線射頻模塊CC2430，可盡量避免障礙物的遮擋，天線信號(hào)更好，CC2430既可以作為發(fā)送模塊也可以作為接收模塊[3-4]。一般情況下，建筑物內(nèi)區(qū)域較寬廣，需要測(cè)量多個(gè)地方的煙霧和溫度，一個(gè)空間內(nèi)需放置多個(gè)傳感器來(lái)檢測(cè)，將這些傳感器與下位機(jī)的無(wú)線傳輸模塊連接起來(lái)，利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使一定空間內(nèi)的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。多個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)與測(cè)控中心建立無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，將測(cè)量節(jié)點(diǎn)采集的信號(hào)通過(guò)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，傳到監(jiān)控中心，單個(gè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

2.3.1 終端測(cè)量節(jié)點(diǎn)加入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

1)節(jié)點(diǎn)初始化，需要調(diào)用Zigbee Device Object(ZDO)層的初始化函數(shù)。

2)然后設(shè)置初始化事件，設(shè)備對(duì)象的任務(wù)事件負(fù)責(zé)處理初始化函數(shù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)初始化這一事件進(jìn)行相應(yīng)的處理。

3)根據(jù)事件情況，調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求函數(shù)，執(zhí)行相關(guān)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)作后，Network Layer(NWK)層將發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的消息傳送至ZDO層。

4)ZDO接收到消息后，自動(dòng)修改設(shè)備狀態(tài)，將執(zhí)行請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)事件。

5)隨后NWK層將接收到請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)反饋，將加入網(wǎng)絡(luò)指示消息再次傳送給ZDO層，ZDO層接收到消息后，自動(dòng)修改設(shè)備狀態(tài)。

6)任務(wù)事件處理函數(shù)執(zhí)行ZDO的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)事件，啟動(dòng)搜索功能，尋找在應(yīng)用層注冊(cè)的端點(diǎn)號(hào)，即終端設(shè)備組網(wǎng)過(guò)程結(jié)束。

2.3.2 終端節(jié)點(diǎn)信號(hào)采集

1)傳感器組上電后，要初始化設(shè)備。

2)選擇通訊通道，CC2430無(wú)線傳輸模塊準(zhǔn)備接收信號(hào)，調(diào)用ZigBee協(xié)議應(yīng)用層函數(shù)。

3)自動(dòng)判斷是否接收請(qǐng)求，如果系統(tǒng)不接收請(qǐng)求，將返回上層，繼續(xù)準(zhǔn)備接收信號(hào)；如果接收請(qǐng)求，系統(tǒng)再次判斷本次請(qǐng)求是否合法，若系統(tǒng)判斷本次請(qǐng)求不合法，也將繼續(xù)返回準(zhǔn)備接收信號(hào)階段；若請(qǐng)求合法，將驅(qū)動(dòng)無(wú)線終端設(shè)備，傳感器組開始采集信號(hào)，發(fā)送采集的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

4)當(dāng)系統(tǒng)判斷采集、發(fā)送工作完成之后，無(wú)線終端設(shè)備將暫停采集工作。

2.3.3 數(shù)據(jù)傳送

1)通過(guò)溫度傳感器DS18B20和煙霧傳感器MQ-2測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的溫度和煙霧濃度。

2)將采集到的數(shù)據(jù)由ZigBee發(fā)送模塊發(fā)送到檢測(cè)中心的接收模塊，再經(jīng)過(guò)串口上傳到PC機(jī)。

“物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在幼兒教育中的應(yīng)用研究”項(xiàng)目由物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教學(xué)應(yīng)用子模塊、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教育管理應(yīng)用子模塊、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教育信息應(yīng)用子模塊構(gòu)成。

本文論述的是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)教育管理應(yīng)用子模塊內(nèi)容。通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，利用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它具有耗資小、安裝方便、維護(hù)和更新費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)， 對(duì)園長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，便于對(duì)幼兒園環(huán)境進(jìn)行管控，對(duì)幼兒教師來(lái)說(shuō)，可以提高保教能力和水平，通過(guò)技術(shù)的可靠性提高工作的可靠性，對(duì)家長(zhǎng)來(lái)說(shuō)， 提供了一個(gè)真正放心的幼兒成長(zhǎng)環(huán)境，讓家長(zhǎng)不再對(duì)孩子在園情況擔(dān)憂，為智能幼兒園提供了一種可行的整體解決方案。

[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] 蔣延彪. 單片機(jī)原理及應(yīng)用：MCS-51[M]．重慶:重慶大學(xué)出版社, 2003.

[4] 王賢勇. 趙傳申.單片機(jī)原理與接口技術(shù)應(yīng)用教程[M]．北京:清華大學(xué)出版社, 2010.

責(zé)任編輯 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

趙義，男， 湖北武漢人，講師，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代教育技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；曹映紅，女，湖北武漢人，副教授，主要研究方向?yàn)橛變盒睦韺W(xué)和幼兒教師教育；張莉萍，女，湖北武漢人，副教授，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃指導(dǎo)性項(xiàng)目(B2014192)。

TP393

A

1003-8078(2017)03-0058-03