李志剛

（南京城市職業(yè)學(xué)院，江蘇 南京 210002）

隨著現(xiàn)代化、智能化新技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的教學(xué)方式已經(jīng)不適應(yīng)新形勢下的教學(xué)需求，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集智慧教學(xué)、人員考勤、資產(chǎn)管理、環(huán)境智慧調(diào)節(jié)、視頻監(jiān)控及遠(yuǎn)程控制于一體的新型現(xiàn)代化智慧教室系統(tǒng)在逐步推廣運用。智慧教室利用ZigBee自組網(wǎng)的智能硬件設(shè)備，智能化控制基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)（包括多媒體設(shè)備、電子班牌、供配電、通風(fēng)空調(diào)、窗簾、燈光照明等），提供智能化的安全可靠、健康節(jié)能的教學(xué)環(huán)境，融入開放共享的理念，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)教學(xué)資源的高效利用，結(jié)合云服務(wù)及移動端支持，打破空間限制，實現(xiàn)移動設(shè)備隨時隨地遠(yuǎn)程操控。智慧教室作為一種新型的教育形式和現(xiàn)代化教學(xué)手段，給教育行業(yè)帶來了新的機遇。

1 ZigBee技術(shù)的起源和特點

ZigBee協(xié)議在2003年正式問世，根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)，是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。主要適合于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。ZigBee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。主要適合于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。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和遠(yuǎn)近信息的，也就是說蜜蜂依靠著這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信“網(wǎng)絡(luò)”，因此，ZigBee的發(fā)明者們形象地利用蜜蜂的這種行為來描述這種無線信息傳輸技術(shù)。ZigBee的特點主要有以下幾個方面[1]。

（1）低功耗：在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6～24個月，甚至更長。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。相比之下，藍牙可以工作數(shù)周，WiFi可以工作數(shù)小時。

（2）低成本：通過大幅簡化協(xié)議使成本降低（不足藍牙的1/10），降低了對通信控制器的要求，按預(yù)測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32 kB代碼，子功能節(jié)點少至4 kB代碼，而且ZigBee的協(xié)議專利免費。

（3）低速率：ZigBee工作在250 kbps的通信速率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。

（4）近距離：傳輸范圍一般介于10～100 m，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1～3 km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。

（5）短時延：ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需要3～10 s，WiFi需要3 s。

（6）高容量：ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，最多可組成65 000個節(jié)點的大網(wǎng)。

（7）高安全：ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單（Access Control List，ACL）防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES128）的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

2 智慧教室設(shè)備ZigBee控制應(yīng)用

智慧教室ZigBee控制設(shè)備組成如圖1所示。

圖1 智慧教室ZigBee控制設(shè)備組成

2.1 空調(diào)控制

智慧教室物聯(lián)網(wǎng)教室終端機通過ZigBee模塊紅外發(fā)射管發(fā)送紅外信號，由空調(diào)內(nèi)置的紅外一體化接收頭接收信號，同時對信號進行放大、檢波、整形，經(jīng)過解碼后作出相關(guān)應(yīng)答，從而實現(xiàn)對空調(diào)的控制和管理。以健康、時尚、節(jié)能為理念，根據(jù)環(huán)境溫度的感知和智能系統(tǒng)集成技術(shù)相結(jié)合，自動執(zhí)行開、關(guān)、調(diào)溫、調(diào)風(fēng)等操作，通過智能優(yōu)化單元，改變并優(yōu)化空調(diào)壓縮機的運行曲線，以達到最大限度降低能耗，同時將教室中未在使用的空調(diào)自動關(guān)閉，提高利用效率，延長空調(diào)使用壽命。

2.2 窗簾控制

智慧教室物聯(lián)網(wǎng)教室終端機采用ZigBee無線通信技術(shù)和統(tǒng)一電源管理，通過本地觸控終端或系統(tǒng)后臺，對窗簾進行“定時”和“關(guān)閉”設(shè)置，同時具有與光照傳感器、燈光控制等聯(lián)動功能，如在情景模式應(yīng)用中，用戶只需輕輕一點，窗簾便可以和燈光控制等聯(lián)動實現(xiàn)智能化操作[2]。

2.3 電源（風(fēng)扇）管理

智慧教室物聯(lián)網(wǎng)教室終端機的ZigBee模塊PDU（電源管理器）和ZigBee智能插座可與具有開關(guān)功能的電器設(shè)備，如門鎖、風(fēng)扇等綁定，通過終端機或系統(tǒng)后臺來控制PDU和智能插座外接負(fù)載的開和關(guān)，也可通過PDU或智能插座本身自帶的開關(guān)來控制外接負(fù)載。用戶可以通過系統(tǒng)和后臺查看當(dāng)前負(fù)載的電流、電壓、功率和電能值。通過觸控面板或后臺系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)自己的實際情況分別或集中地對設(shè)備進行開和關(guān)的操作，有效降低能源消耗，為用戶構(gòu)建一個安全與方便共存，經(jīng)濟與環(huán)保的電源管理平臺。

2.4 燈光控制

智慧教室物聯(lián)網(wǎng)教室終端機融合ZigBee智能調(diào)光開關(guān)，可與具有開關(guān)功能的設(shè)備綁定，通過已綁定設(shè)備來控制智能開關(guān)，也可通過智能開關(guān)設(shè)備本身自帶的開關(guān)來控制，從而對燈光進行人工或者自動管理。系統(tǒng)可根據(jù)當(dāng)前教學(xué)場景和環(huán)境的判斷，自動調(diào)暗甚至關(guān)閉投影畫面附近燈光，使投影畫面更加清晰，達到智能化的目的。另外，根據(jù)教室光線的陰暗，或者根據(jù)夏冬作息時間，系統(tǒng)將提醒并自動執(zhí)行電燈的開啟和關(guān)閉等操作，保護學(xué)生視力，節(jié)約能源。

2.5 新風(fēng)系統(tǒng)

智慧教室物聯(lián)網(wǎng)教室終端機融合ZigBee新風(fēng)系統(tǒng)控制模塊，將室外的新鮮空氣源源不斷地送入室內(nèi)，使教室內(nèi)空氣的潔凈度始終維持在較高的水平。另外，當(dāng)教室內(nèi)氣溫高于室外氣溫時，系統(tǒng)將自動啟動，增強教室內(nèi)散熱，防止老師和學(xué)生因空氣悶熱、潮濕等引起的不舒適，保護師生身心健康。

3 智慧教室傳感器ZigBee控制應(yīng)用

3.1 紅外探測傳感器

智慧物聯(lián)教室網(wǎng)中的紅外探測傳感器集合了ZigBee無線技術(shù)的紅外動作感應(yīng)器，在紅外實時探測狀態(tài)下，如果有人或動物等生命體在監(jiān)測區(qū)內(nèi)活動，紅外探測傳感器可探測到紅外信號，并將該狀態(tài)信息報告給指定設(shè)備，用戶可根據(jù)回報狀態(tài)設(shè)置執(zhí)行不同的指令或場景。

3.2 光照傳感器

智慧教室物聯(lián)網(wǎng)中的ZigBee光照傳感器通過光敏二極管感知外界光線的強度，定時發(fā)送報告，自動偵測、收集和探測環(huán)境照度，幫助用戶了解環(huán)境照度情況，從而對亮度進行人工或者自動調(diào)節(jié)，達到智能化的目的。

3.3 溫濕度傳感器

智慧教室物聯(lián)網(wǎng)中的ZigBee溫濕度傳感器用于采集周圍環(huán)境的溫濕度，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至系統(tǒng)顯示，幫助老師和學(xué)生了解環(huán)境溫濕度情況，從而對溫濕度進行人工或者自動調(diào)節(jié)，為師生營造一個舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境。

3.4 煙霧探測傳感器

當(dāng)空氣中煙霧的濃度超過所設(shè)定的界限時，智慧教室物聯(lián)網(wǎng)中的ZigBee煙霧探測傳感器將向系統(tǒng)發(fā)送報警信息，及時發(fā)出報警以提醒用戶，確保師生生命財產(chǎn)的安全。同時，設(shè)備具備溫度檢測的功能。當(dāng)檢測到的溫度超過60 ℃時，設(shè)備也會向系統(tǒng)發(fā)送報警信息，系統(tǒng)自動發(fā)出報警。另外，通過煙霧探測傳感器可有效監(jiān)控學(xué)生吸煙等不良嗜好，及時對其行為予以制止并糾正，引導(dǎo)學(xué)生健康成長。

4 結(jié)語

ZigBee技術(shù)在智慧教室的應(yīng)用中有其自身的特點，但也有局限線，其數(shù)據(jù)速率比較低，在2.4 GHz的頻段只有250 kB/s，而且這只是鏈路上的速率，除掉信道競爭應(yīng)答和重傳等消耗，真正能被應(yīng)用所利用的速率可能不足100 kB/s，并且余下的速率可能要被鄰近多個節(jié)點和同一個節(jié)點的多個應(yīng)用所瓜分，因此不適合做視頻傳輸?shù)葦?shù)帶寬占用量大的數(shù)據(jù)傳輸，適合其技術(shù)特點發(fā)揮的應(yīng)用領(lǐng)域在傳感和控制系統(tǒng)，在智慧教室中的物聯(lián)網(wǎng)無線控制系統(tǒng)正好發(fā)揮ZigBee技術(shù)的自身優(yōu)勢。