基于无线混合组网技术的高校教室智能系统设计与实现

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　　摘   要：目前高校教室正朝着智能化、节能化的方向发展。文章以广州铁路职业技术学院的传统教室智能化升级改造为例，提出一种基于多协议无线混合组网技术的无线后装系统解决方案，通过ZigBee，WiFi，HomeRF等无线后装模块的混合组网，实现对灯光、窗帘、空调等设备的智能控制以及AI语音控制、智能安防等功能。实践证明，无线智能后装系统节能效果好、稳定可靠、操作方便，以较低的成本实现了对传统教室智能化改造的目的。
　　关键词：智能教室;无线混合组网;后装系统
　　高校传统教室升级成智能教室，可采用前装方案或后装方案;根据通信技术标准可采用有线方案或无线方案[1]。目前，后装系统的教室智能升级改造普遍基于某一种无线技术，比如ZigBee或者WiFi，单一的组网技术存在一些弊端，如功能和场景较为单一、传输数据格式受限、能耗偏高等[2]。本文以广州铁路职业技术学院（以下简称广铁职院）智能化教室升级改造为例，提出一种多协议无线混合组网技术的智能后装方案。
　　1    无线组网技术解决方案
　　1.1  无线组网技术对比分析
　　智能家居的常用无线技术有WiFi，Bluetooth，HomeRF，Z-Wave，ZigBee等。不同的无线协议有各自的优缺点，可根据不同的场景选择合适的无线方案，吸纳各自的优点。WiFi的传输速度快，信号范围可达100 m，平均传输速率可达到11 Mbps，但功耗相对较高，适合数据格式较大的多媒体数据网络传送;ZigBee功耗低、可接入节点数多、响应时间短、传输慢、可自组网，适合传输字节数不多的场景，如传感器检测数据;Bluetooth接入节点数受限制;HomeRF速率快、安全可靠、支持流媒体等。
　　1.2  基于多功能网关的ZigBee，WiFi和HomeRF兼容性解决方案
　　目前高校智能教室的无线组网一般基于某一种无线技术，使混合组网方案的通信干扰问题一直存在。从ZigBee与WiFi工作时的频谱看，工作频率是互相冲突的。研究发现WiFi干扰的存在导致ZigBee网络丢包率高达58%，从发射功率、CSMA机制的回退時间、数据帧间隔等参数，都可以看出WiFi节点在获取信道方面具有压倒性优势，对ZigBee网络的通信性能产生严重影响[3]。
　　本智能教室采用了一种基于ZigBee+WiFi+HomeRF的多协议混合组网技术，主控模块采用贝乐智能科技有限公司的多功能智能网关，可兼容ZigBee，WiFi，HomeRF协议，干扰影响大幅减少。智能主机将ZigBee芯片JN5168和WiFi模块集成在电路板上，芯片采用MuZi-Mulit Channel ZigBee（多通道ZigBee）通信机制算法，首先，通过ZigBee的信道空闲评估（CCA）机制，启动干扰检测，对范围内的干扰级别进行评估，若WiFi和HomeRF干扰达到一定程度，则启动信道切换过程。其次，为避免信号频繁切换，最小化全网目标的信号数量，每个节点会维护一张邻居信道表，当信道进行切换时，将其选择的目标信道通知其临近节点[4]。
　　2    系统整体设计
　　系统主要完成对教室中各项环境信息、空间信息等的获取，通过ZigBee，WiFi，HomeRF模块将数据传至上位机，手机APP可通过4G模块远程控制教室中各类电器的工作状态。本系统硬件模块由主控模块、传感检测模块、电器控制模块、安防报警模块、AI语音控制模块等构成。系统整体设计如图1所示。
　　主控模块由智能网关主机、上位机PC组成。智能网关主机兼容多协议无线混合组网，自组网、自恢复、高度稳定，通过串口连接上位机PC，实现上位机和各个模块之间的信息传递。传感检测模块由传感器节点和ZigBee无线模块组成，传感器节点包括室内温湿度检测、光照度检测、人体存在感应检测、烟雾检测;ZigBee无线模块采用基于CC2530的射频模块。电器控制模块由单片机、智能电器和ZigBee无线模块组成，包括空调、智能窗帘、电灯、背景音乐的开关控制等，通过数据监测，实现自动化控制和远程控制。安防报警模块包括摄像头和红外传感器，摄像头采用WiFi模块与主控模块通信;红外传感器通过传输接口单元，与主控模块进行通信。AI语音控制模块由基于X1800核心板的AI语音控制平台和WiFi无线模块组成。
　　3    系统功能设计
　　3.1  模块选型和组网
　　系统所有模块及系统元件采用贝乐智能科技有限公司的模块化产品。系统各个无线模块功能如表1所示。
　　系统组网基于ZigBee+WiFi+ HomeRF的混合协议组网：WiFi模块负责远程视频监控、LCD 终端显示、AI智能语音控制和背景音乐数据传输功能;ZigBee模块负责光照度、烟雾、红外等传感器终端的数据采集以及灯光、空调和窗帘等终端的智能控制功能;HomeRF模块负责智能插座、智能门锁等终端控制功能。
　　智能教室无线后装系统网络拓扑结构如图2所示。
　　3.2  传感检测模块设计
　　传感检测模块包括烟雾检测、光照度检测、温湿度检测和人体红外感应，采用ZigBee通信协议的星型网络拓扑结构，智能网关作为PAN协调器与多个终端设备组合而成，终端设备包括传感器、智能开关、照明等，用来控制窗帘、空调、灯光等。ZigBee模块选择的是TI公司的CC2530芯片，包括一个高性能的RF收发器，并集成8051微处理器以及其他强大的支持功能和外设。把环境采集节点、控制节点等设备和协调器设备组网，形成ZigBee通信网络。
　　3.3  电器控制模块设计
　　智能电器控制模块包括智能窗帘控制、智能灯光控制、空调控制、智能插座、背景音乐等功能，其中窗帘控制、灯光控制、空调控制基于ZigBee协议通信组网，智能插座和背景音乐控制基于WiFi通信组网。 　　3.4  安防报警模块设计
　　3.4.1  基于WiFi的视频监控模块
　　视频监控模块负责对教室视频图像的采集、传输和处理，包括无线视频节点（摄像机）和视频信息集成中心两个部分，二者采用WiFi模块进行数据传输。WiFi可以连接服务器和手持设备等终端，可与4G，5G移动网络通信技术等相关技术集成，适合多媒体数据格式的无线传输，为提高传输速率，在视频图像传输时需要对图像压缩编码[5]。
　　3.4.2  基于ZigBee的人体红外感应报警
　　教室门锁关闭情境下，智能网关主机设置成布防模式，开启人体红外监测传感器监测和与之联动的自动报警灯装置。在人体红外传感器节点检测到异常信息时，向ZigBee协调器节点报告信息内容，由协调器节点通过WiFi或者4G网络向用户发送报警信息。
　　3.4.3  基于4G模块的手机远程监控
　　远程用户通过4G模块与智能网关主机连接，实现远程监控与控制管理;智能网关主机集成ESP8266芯片，芯片具有超高集成度、超低功耗、体积小等特点，可将用户的物理设备连接到WiFi网络以进行互联网或局域网通信，实现联网功能，为用户提供外部网络远程监控、报警功能。
　　4    结语
　　广铁职院智能教室采用基于无线混合组网技术的智能后装系统解决方案，差异化的协议标准结合不同场景的运用，充分利用各种短距离无线组网协议的优势，2017年投入使用，比传统教室节约20%～30%的电能，还节约了人力，降低了相关费用的支出。在提高无线混合组网的性能方面，今后还需在如下几个方面做出改进：
　　（1）对于无线混合组网的终端用户，很多参数的设置都是预先设定好的，如何在面对复杂变化的网络时做出动态的应对，还需要进一步思考解决。
　　（2）ZigBee网络的干扰不仅来自于教室内部，也可能来自于教室外部，如何在ZigBee網络中采用合适的机制、降低WLAN网络的占空比，也是今后需要解决的问题[6]。
　　[参考文献]
　　[1]陈吉君.美国创新教育的载体及其借鉴价值—以中国的智慧教室与美国的智能教室之比较为例[J].中国现代教育装备，2019（8）：67-70.
　　[2]李京慧，迟宗涛，崔诗晨.基于ZigBee的智能教室控制系统的设计[J].青岛大学学报，2019（3）：84-88.
　　[3]王岭娥，白佳荣.基于语音控制的智能家居系统的设计与实现[J].华北理工大学学报，2019（3）：135-140.
　　[4]蒋桢滢，陈立娴，游铭娴，等.基于WiFi通讯的无线智能家居系统设计[J].福建农机，2019（2）：37-39.
　　[5]张鑫，华泽铎，杨玥.基于CC2530的智能教室控制系统的构建[J].工业设计，2017（7），183-184.
　　[6]尤琦涵，陈兆仕，张沁.OneNET云平台WiFi远程控制的智能教室系统[J].单片机与嵌入式系统应用，2017（10）：69-73.
　　Abstract：At present， the college classroom is developing towards the direction of intelligence and energy saving. This paper takes the intelligent upgrading of the traditional classroom of Guangzhou Railway Polytechnic as an example， and proposes a solution of wireless post installation system based on multi protocol wireless hybrid networking technology. Through the hybrid networking of ZigBee， WiFi， HomeRF and other wireless post modules， the system can realize the intelligent control of lighting， curtain， air conditioning， door lock and other equipment， AI voice control， intelligent security. Practice has proved that the wireless intelligent post installation system has good energy-saving effect， stability and reliability， easy operation， and realizes the purpose of intelligent transformation of traditional classroom at a lower cost.
　　Key words：intelligent classroom; wireless hybrid networking; post installation system
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