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(青島大學自動化與電氣工程學院，山東 青島 266100)

0 引 言

教室是高校教學環(huán)節(jié)的重要組成部分，作為高等學校一項重要的教學資源，除在每學期開學前已安排有指令性的教學任務(wù)(課程表)之外，也必須承擔課程表之外的各項學校工作。如何在各項工作中合理、安全的使用和安排教室資源，達到充分利用，成為了教室管理工作的主要任務(wù)[1]。高校教室的特點是一般采用開放式管理，學生基本無固定教室、固定座位，且清掃人員僅負責衛(wèi)生和維護工作。

從對教室的日常使用可以發(fā)現(xiàn)，教室的管理存在諸如：冬季供暖的能源浪費[2]、照明用電浪費[3]、貴重設(shè)施安全保障[4]等一系列問題。針對這些問題，當前已經(jīng)對如何解決展開了嘗試，如ACME樓宇現(xiàn)場控制器和氣候補償節(jié)能控制器、SL8321時間照度節(jié)能控制開關(guān)、常規(guī)的門禁系統(tǒng)等等。但這些系統(tǒng)主要是針對樓宇等大型建筑主體，無法適應(yīng)教室這種小型空間的日常管理。因此，涉及一套自主設(shè)計并開發(fā)的智能網(wǎng)絡(luò)化教室管理系統(tǒng)，系統(tǒng)主要基于ZigBee技術(shù)(一種低價位、低功耗、自組網(wǎng)的近程無線通訊技術(shù))，以解決教室管理中存在的諸多問題。

1 系統(tǒng)原理和硬件組成

1.1 ZigBee技術(shù)

Zigbee作為一種新興的近程、低速率、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離無線連接。具有低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、自組網(wǎng)、超視距、可靠性高的特點。ZigBee可以嵌入各種設(shè)備，主要應(yīng)用于自動控制和遠程控制等領(lǐng)域。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的、低功耗、自組網(wǎng)的近程無線通訊技術(shù)[5]。

ZigBee聯(lián)盟把IEEE 802.15.4中定義的PAN協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器和一般設(shè)備分別稱為：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)路由器和網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備。其中網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者主要負責網(wǎng)絡(luò)的建立，以及網(wǎng)絡(luò)配置；路由器負責找尋、建立和修復(fù)網(wǎng)絡(luò)報文信息，并負責轉(zhuǎn)發(fā)；網(wǎng)絡(luò)終端具有加入、退出功能，并可接收和發(fā)送報文，但終端設(shè)備不允許路由轉(zhuǎn)發(fā)。

1.2 系統(tǒng)模塊

該智能教室主要包含四個子系統(tǒng)，分別是供暖分時分溫控制子系統(tǒng)、照明按需管理子系統(tǒng)、安全門禁子系統(tǒng)和多媒體設(shè)備智能控制子系統(tǒng)。其系統(tǒng)模塊如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模塊框圖

智能教室采用星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，設(shè)備采用協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備。且所有終端設(shè)備都直接與協(xié)調(diào)器通信，由協(xié)調(diào)器負責網(wǎng)絡(luò)的建立和維護，以及與上位機的通信。子系統(tǒng)由傳感器和終端節(jié)點組成，教室內(nèi)的終端節(jié)點直接與協(xié)調(diào)器通訊，協(xié)調(diào)器與中心管理計算機之間則利用以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換模塊，并通過已有的校園網(wǎng)接口與校園網(wǎng)內(nèi)的中心管理計算機通訊。系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能教室無線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)框圖

各子系統(tǒng)組成和功能包括：

(1)供暖分時分溫控制子系統(tǒng)

根據(jù)實際需求，教室的供暖宜集中在開放時段，教室關(guān)閉時則采取小流量防凍方式，從而達到節(jié)能的目的[6]。為降低系統(tǒng)硬件成本，系統(tǒng)采用普通電磁閥，安裝在教室供暖管道的進水管處。選用的電磁閥的開度有2個檔位，分別是100%和20%。由于管道和散熱器防凍的需要，系統(tǒng)需進行小流量循環(huán)，所以不能選用全關(guān)閉電磁閥。系統(tǒng)硬件由電源板、CC2530無線節(jié)點模塊[7]、溫度傳感器模塊和繼電器輸出模塊等組成，如圖3所示。

(2)照明按需管理子系統(tǒng) 教室照明和其它領(lǐng)域的照明不同，有著嚴格的照度要求。為此，國家專門頒布了《中小學校教室采光和照度衛(wèi)生標準》，在《建筑照明設(shè)計標準》中，也專門為教室的采光、照明等制訂了國家標準[8]。其核心就是要保證足夠的光照度，減少暈光等不利因素的影響。依照國家相關(guān)標準規(guī)定，教室白天照度不低于200LUX，晚間照度不低于150LUX[8]。

圖3 供暖分時分溫控制子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖4 照明按需管理子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖5 中心節(jié)點主程序流程圖

系統(tǒng)保持教室原有的4路照明電源回路，可不改變原有布局，簡化布線。在回路中設(shè)置一個光照傳感器和一個熱釋電傳感器來檢測室內(nèi)光照和判斷是否有人，然后根據(jù)設(shè)定的時間、照度值和是否有人，自動控制照明電源的開啟和關(guān)閉。在開啟時間段內(nèi)，當自然光照度值低于設(shè)定值并區(qū)域有人時，照明電源開啟，否則關(guān)閉電源。系統(tǒng)硬件由電源板、CC2530無線節(jié)點模塊、光照度傳感器模塊、熱釋電傳感器模塊和繼電器輸出模塊等組成如圖4所示。

其中光照度傳感器采用BPW34S光電二極管，并通過TLV2372運算放大器進行信號轉(zhuǎn)換，變?yōu)殡妷盒盘柡笏偷紺CC2530模擬量輸入端子AIN0進行A/D轉(zhuǎn)換。

(3)安全門禁子系統(tǒng)

安全門禁系統(tǒng)能夠接收中心管理計算機按課表安排而發(fā)出的教室門鎖開、關(guān)指令，不需人工干預(yù)，降低了管理人員的勞動強度。由于教室門在使用過程中具有頻繁開、關(guān)的特點，所以不能采用普通樓宇單元門經(jīng)常采用的電控鎖，而應(yīng)該采用磁力鎖，它具有吸力強，容易安裝，耗電量低，自動消磁無殘磁，低噪音，防腐蝕，使用壽命長，無機械故障等特點。系統(tǒng)硬件由電源板、CC2530無線節(jié)點模塊和繼電器輸出模塊等組成。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)上位機軟件設(shè)計采用LabVIEW虛擬儀器方案和工業(yè)組態(tài)軟件兩種方案。選擇了第一種方案來進行上位機軟件開發(fā)。系統(tǒng)中心節(jié)點主程序流程如圖5所示。

3 結(jié) 語

針對當前高校教室管理中存在的問題，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在高校教室智能化、節(jié)能化等方面展開了探索和研究。設(shè)計并開發(fā)了一種基于ZigBee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能網(wǎng)絡(luò)化教室管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含硬件與軟件兩個方面，一方面通過硬件設(shè)備對教室具體情況加以調(diào)整，另一方面通過軟件控制實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的教室智能化網(wǎng)絡(luò)管理。本系統(tǒng)具有較好的教室管理能力，能夠滿足日常教學、管理、維護等要求，具有很好的應(yīng)用前景。