基于ZigBee组网的智慧教室环境感知方法研究
李鹏，戚盼，于汪洋，李晨曦，贾凤仪
(陕西师范大学 计算机科学学院，陕西 西安)
摘 要： 物联网技术的快速发展为智慧教室从概念走向实际应用提供了良好的契机。智慧教室作为现代教育技术发展中的重要环境支持有望为教学过程的高效开展提供重要的硬件保证。本文基于Zigbee短距离无线自组网技术，提出一种能够自动感知教室环境信息，并实现数据高效转发的智慧教室情境感知方法，阐述了该系统的软硬件设计流程和组网方法。通过CC2530 芯片与ESP 8266 WiFi模块及各种传感器实时监测教室内的温湿度、噪声、光线等因素,实现对物理环境的调节,达到适宜学生身心健康的状态。
关键词： 智慧教室；Zigbee；情境感知；传感器
一 引言
学生的任何学习活动都是在一定的学习环境中进行的。环境中的光线强度，声音强弱温度高低等多种因素都有可能作用于人的感知，引起人的生理、心理或行为的变化，学习环境的优劣直接影响了学生的学习和发展[1,2]。随着物联网技术的快速发展，一种典型的智慧学习环境——智慧教室[3]也应运而生，智慧教室是以学生为中心，充分利用现代信息技术的优势记录、分析学生学习行为的虚拟空间和现实空间的结合[4]，为学生创造具有互动性和吸引力的学习环境[5-7]，是当今智慧学习时代的必然选择。无线传感器网络是一种多跳的自组织网络,在环境预测领域有着广泛的应用[8]。ZigBee技术作为低速率无线传感器网络的主要通信协议,具有成本低、性能好、协议简单、安全可靠等优点,为智慧教室的“情境感知（T）”模块提供适应性支持[9]。本文结合Zigbee无线传感器网络与WiFi的特点使得智慧教室环境监测方面的建设更为方便快捷和节能。
通往空间想象能力深层的必由之路就是由基本知识、基本技能铺设的，双基内容应该是作为社会人生存、发展的必备平台。没有基础，就缺乏发展潜能。
二 Zigbee自动组网方法
（一）Zigbee技术发展
ZigBee技术是基于IEEE802 15.4标准的低功耗局域网协议, 是一种新兴的作用距离较短、复杂度较低、低功耗、低成本、稳定性高及组网方便的无线通信技术[10]，在自动控制、传感控制和远程控制方面被广泛应用，依据IEEE 802.15.4标准，可以在数千个传感器中互相协调实现通讯。Zigbee作为一种介于无限标记技术和蓝牙之间的技术提案，世界上各大厂商纷纷推出实现Zigbee物理层功能的芯片，德州仪器也推出了一系列系统级芯片，其中CC2530就是一款继承了增强型8051内核，结合TI Z-STACK协议栈可方便的组建自己的无线通信网络[11,12]。
（二）Zigbee 网络设备及网络拓扑
在Zigbee网络中，一共有3种网络设备，分别为协调器（Co-ordinator），路由（Router），终端节点（End-Device），其中最为重要的设备就是协调器[13]。协调器是相互独立的Zigbee网络中的第一个设备，也是唯一的协调器设备，协调器的第一项工作就是组建Zigbee网络。路由是负责网络中信息的路由选择，并且可以拓展网络的范围的设备。在Zigbee网络中，路由器允许其他设备加入网络，多跳路由和协助他的终端设备的通讯，Zigbee的自组织、自修复和网络拓扑无一不是由路由器实现的。终端设备是Zigbee实现低功耗的原因，终端设备并不时刻处于接受消息的状态，大部分情况下，他都处于低功耗休眠状态，只是定时与自己的父节点通讯,对于终端节点来说，他在网络中的生命完全依赖自己的父节点，其网络拓扑共有三种,分别为星型拓扑，树型拓扑，网型拓扑，如图1所示。
污水生态处理技术以土地处理系统作为基础，是污水土地处理系统的进一步发展，它利用土壤基质的净化作用，同时在处理废水过程中要特别注意植物—微生物的共存体系，处理环境和基质的相互关系，以及对生态因子的优化和调控作用。植物的根系可以为土壤中的微生物提供栖息的环境并且可以吸收、利用和吸附富集的重金属等有害物质。因此在高盐度环境中盐生植物和耐盐微生物共存体对实际应用以及理论研究都具有极其重要的意义和广阔的应用前景。
汾渭平原作为中国第四大平原，是全国空气污染最严重区域之一，2018年被生态环境保部纳入了“蓝天保卫战”治理重点区域。目前有关将汾渭平原大气污染作为一个整体进行卫星监测的研究报道较少。本研究将利用 OMI数据，综合运用空间插值、相关分析等方法对汾渭平原SO2季节性空间分布特征、逐月变化，以及不同时期平均年总量变化情况进行探讨，旨在全面认识汾渭平原大气污染现状，为本区域联防联控提供科学依据。
星状拓扑是最简单的一种拓扑形式，它包含一个协调器设备和终端设备。其中终端设备只能和协调器设备进行通讯，如果需要在两个终端节点之间进行通讯必须通过协调器设备进行数据的转发[14]。
图 1 网络拓扑
图2 硬件系统整体架构
首先需给协调器供电，搭建新的网络并进行管理。初始化网络流程如图 6所示。
网状拓扑形式与树状拓扑相同，但是网状拓扑具有更加灵活的路由规则，在可能的情况下路由之间可以直接通讯，这种拓扑结构可以组成极为复杂的网络，并且具有了自组织及自愈功能。
3.6.3 肝性脑病。肝性脑病是乙肝肝硬化失代偿期最严重的并发症，也是引起肝硬化患者死亡的最常见的病因。肝性脑病[17]又称肝昏迷，是严重肝病导致的以代谢紊乱为基础的中枢神经系统功能失调的综合征。主要表现为意识障碍、行为失常和昏迷，有急性与慢性肝性脑病之分，引起肝性脑病的病因很多，肝硬化导致的肝性脑病最常见，约占70%。因此要积极防治引起肝性脑病的诱因，及早发现发生在肝性脑病前的症状如轻度的性格和行为改变，及时干预，以免过快降低患者生活质量。
协调器节点上电后，首先进行能量检测，如果没有网络存在，那么就配置网络协调器，然后选择信道、分配PNA ID和短地址，初始化网络完成。若发现已存在网络，发送入网请求。
三 智慧教室的环境感知体系设计
随着国家综合能力的提升，人民生活水平的提高，学校对学生的教育已经从填鸭式的授课，向引导性、交互式的方向转变。在数据信息时代、信息社会中，知识以人们无法想象的速度在迭代和更新，因此，社会不仅要求学生了解现有的知识体系，还对学生的创造力和数学思维有了更高的要求。在学生的学习过程中，学习环境作为其中有重要作用的一环，也成为了教育方面一个重点关注的对象，作为一种典型的智慧学习环境——智慧教室因此应运而生。在智慧“SMART”概念模型中，“情境感知（T）”是智慧教室装备的共性要求。本文基于Zigbee技术，采用德州仪器的CC2530芯片实现“情境感知（T）”中对室内的温度，光线，声音等参数的监控[17]，为“环境管理（M）”提供依据，在一定程度上促进智慧教室的发展，为智慧教室的早日集中实现做出一些贡献。
ZigBee协议栈也提供相对应的数据接收函数。不同的设备根据需要选择性调用不同的函数，进行数据的收发。
ZigBee协议栈提供了名为“afStatust AF_DataRequest”的数据发送函数，其中两个最重要的定义是：信息的长度——uint16 len和指向存放信息缓冲部分的指针——uint8 *buf。
Zigbee网络的建立中，对MAC及其下层的直接修改较少[18]，新网络的建立过程，只能由可以作为没有加入网络的协调器设备调用，由网络层利用MAC层的信道扫描来发现是否存在其他网络，寻找一个与已有网络无冲突的信道，设置PAN ID，通常协调器设置0x0000为自身的MAC地址，如图 3所示。
图 3 Zigbee网络初始化过程图
为了实现传感器网络和因特网的数据传输，通过ESP8266 WiFi网关模块，实现Zigbee和WiFi的相互通信。第一步，从传感器终端的物理层中提取出温湿度信息，第二步通过AT指令的形式将温湿度信息发送给ESP8266 WiFi模块，第三步，WiFi模块接手到信息后，将数据传输到因特网中，实现对教室环境的检测[19], 如图 4所示。
四 软件设计与实现
本系统采用CC2530芯片的ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0协议栈。协议栈工作流程如图 5所示。
在本系统设计中，运用协议栈的函数调用情况 是：main()---> osal_init_system()---> osal Init Tasks()---> SampleApp_Init()。Main函 数 存 在 于ZMain目录中，主要功能是为系统的运行做一些准备工作。譬如：关闭所有中断（osal_int_disable）、初始化 I/O ，LED 、Timer 等（InitBoard( OB_COLD)）、初始化OSAL（osal_init_system()）、初始化MAC（ZMacInit()）等，包括协调器组网、数据的发送与接收、终端传感器节点、Wi-Fi模块程序设计。
图4 ESP8266 WiFi 模块功能结构图
（一） 协调器组网的实现
树状拓扑包含一个协调器节点、一系列的路由以及一系列终端节点，协调器可以连接路由和终端节点，路由也可连接路由与终端节点重复多个层级，值得注意的是每个节点都只能和他的父节点与子节点通讯，整个路由过程对于应用层完全透明。
星状拓扑结构的优点是易于实现，本身IEEE 802.15.4的协议层就已经实现了星型拓扑结构[15]，能较好地满足于教室环境监测系统设计要求，因此本系统采用星状型拓扑结构来搭建ZigBee网络[16]。
然后，各个ZigBee节点按照节点本身功能的需要选择性地调用协议栈的MT_NLME_NETWORK_FORMATION_REQ（）——搭建网络函数和MT_NLME_DIRECT_JOIN_REQ（）——加入网络函数，来搭建和加入网络。
（二）发送函数与接收函数
根据掘进机远程监控系统的功能需求，系统由用可编程控制计算机，远程监控平台，数据采集器以及组态软件构成。其中，PCC作为机载控制系统完成掘进机各基本动作的控制；通过组态软件完成人机交互界面的搭建以及PCC数据的采集、储存与处理工作。监控系统的组成结构如图1所示。
为实现对室内温度，光线，声音等参数的监控，教室中进行无线采集信息的传感器终端节点有温湿度、光照、声音、烟雾传感器等，通过CC2530网关与ESP 8266 WiFi模块将传感器网络的数据与因特网进行数据传输。其硬件架构如图 2所示。
（三）终端传感器节点程序
终端节点具有数据采集、分析和存储等功能, 将采集的数据传输给协调器[20]。所要做的第一件事便是要连入ZigBee网络。只有连入网络后，才能与协调器进行通信，传输所采集到的温湿度数据信息。如图 7所示。
图5 ZigBee工作过程图
在终端传感器节点的软件设计中，最重要的就是针对DHT11温湿度传感器的程序编写。在这里，介绍两个关于传感器的程序：温湿传感器启动函数和温湿度的写入函数，即void DHT11()和void COM()。温湿传感启动函数重新配置了IO口的方向，同时也设置了延时函数，保证温湿度信息的采集时间间隔。温湿度的写入函数将温湿度信息转换为电子信息，写入传送设备，做好发送信息的准备。
（四）Wi-Fi模块功能的实现
传感器采集的温湿度信息经终端节点传送到协调器节点，然后协调器节点将温湿度信息提取出来，通过串口以AT指令的形式将该信息发送到ESP 8266 Wi-Fi模块。ESP 8266 模块收到数据后，将数据转发到局域网中，手机连接Wi-Fi进而实现监测。对于该功能的实现主要是对于Wi-Fi功能进行程序设计，主要包含设置LED灯相应的IO口函数——void SetWifi()、初始化ESP8266模块函数——void Init_ESP8266()、Wi-Fi发送数据功能函数——int Send_Wifi_DATA()等。
式中施加力F，压电应变常数[d]，尺寸参数为L*W*H，介电常数ε，由上述方程式可知所产生的电压幅值与压电陶瓷的外形尺寸、性能参数以及所受压力密切相关。
五 系统运行与调试
该系统在实际教室环境下, 进行了调试运行, 达到预期的效果。运行时使用温湿度无线采集信息传感器，通过CC2530网关与ESP8266 WiFi模块将传感器网络的数据传递到因特网，实时反馈到终端上，实现实时监控。
六 结束语
本文基于ZigBee无线自组网技术, 以CC2530片上系统为核心,有效发挥其低复杂度、低功耗、低速率且低成本的通信优势，构建了无线传感器网络应用于智慧教室中“情景感知”问题，设计无线传感器终端模块，同时开发基于智慧教室系统情境感知环节的应用程序, 实现温湿度信息的采集、传输、实时监测和分析。通过实验调试, 该采集系统达到了设计要求, 运行效果良好, 可实现对智慧教室终端传感器的集群化管理, 为加强终端监控、情境感知信息化等方面提供了有效参考依据及技术支持，在实践上证明了Zigbee技术在智慧教室的应用中的可用性。为大规模部署与后续开发提供参考，具有广阔的应用前景。
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图6 网络协调器实现过程图
图7 终端传感器节点的工作过程
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本文引用格式： 李鹏，等.基于ZigBee组网的智慧教室环境感知方法研究[J]. 教育现代化,2019,6(36):136-140,144.
DOI： 10.16541/j.cnki.2095-8420.2019.36.050
基金项目： 本文受到国家自然科学基金面上项目（61877037）；陕西师范大学2018年教师教学模式创新与实践研究专项基金项目（JSJX2018L126）资助。
作者简介： 李鹏，男，陕西扶风人，陕西师范大学计算机科学学院，副教授；戚盼，女，陕西西安人，陕西师范大学计算机科学学院，研究生。
通讯作者： 于汪洋。
标签：智慧教室论文; zigbee论文; 情境感知论文; 传感器论文; 陕西师范大学计算机科学学院论文;