摘要：随着无线通信、云计算技术的不断发展和成熟，物联网被广泛应用于各个产业领域，建设面向智慧校园的物联网云平台在高校迅速发展起来。基于此，本文对智慧教室物联网云平台感知层和网络层的硬件结构和网络协议进行设计与实现。基于ZigBee组网，利用无线传感技术，实现了智慧教室多网络节点的感知与控制。选用CC2530为主控芯片，设计基于ZigBee技术的通用模块，实现各种传感数据的采集，同时利用规范的协议参数完成数据包传递的功能。教室内ZigBee网络采用星型组网，实现了教室内控网络的通信，规范了数据帧格式。各教室通过WiFi技术将汇总的传感数据上传到云端服务器的智能教室软件平台，同时接收平台控制指令。经实验验证，所使用的基于ZigBee的通信方式能够有效支撑面向智慧教室的多源异构传感器传输数据的实时性、有效性和稳定性。
关键词：智慧教室；ZigBee；CC2530；传感器
智慧教室物联网云平台分为教室环境采集部分、数据网络传输部分和软件平台决策管理部分，对应了物联网的四层结构。感知层是教室信息的采集，通过网络将数据传递到云端服务器，应用层的软件系统收集数据，进行分析和处理，作出判断，将数据展示给用户，并通过人机交互，实现对智慧教室全方位控制[1-4]。
1智慧教室数据传输设计思路
面向智慧教室的数据传输设计主要实现物联网云平台的感知层和网络层。包括ZigBee网络的终端节点硬件结构设计以及对处理芯片和传感器的选型，终端节点程序设计与功能的实现，网络通信协议的规范格式和协议通讯程序设计，实现对智能教室数据间的双向传输。智慧教室数据传输结构框架图如图1所示。终端节点按照协议栈格式自动加入ZigBee网络，并将采集到的教室内环境参数数据实时通过ZigBee协议传输给协调器模块。ZigBee协调器模块把接收到的各终端节点的数据依据定义好的数据帧格式进行数据重组，将设置完成的数据帧经过串口传输到WiFi模块，并通过WiFi模块把数据传输到软件云平台。软件云平台把接收到的数据按照数据帧格式进行数据提取后存储到数据库。
2基于ZigBee技术的硬件设计
教室内终端节点的硬件采用的是TI公司的CC2530作为主芯片，选用DHT11温湿度传感器、人体红外感应传感器、光敏电阻传感器、MQ2烟雾传感器等来采集教室的环境参数。为了硬件电路设计简单和通用，采用了核心板加底板的设计方案，核心板由具有ZigBee功能的芯片和无线通信部分构成，并通过排针把所有I/O口引出与底板进行连接，底板上预留出各种传感器接口和调试通信接口。
2.1ZigBee网络节点结构和主芯片设计。ZigBee核心板最关键部位就是芯片选择，该芯片必须能够实现无线传感器网络对各种数据的处理，包括存储、传输和数据包装封，要求与ZigBee模块的低功耗、低成本、稳定性强等特性相吻合。因此，本文设计选用CC2530芯片作为ZigBee技术的核心芯片。CC2530芯片是TI设计的专门用于无线传感网络中进行数据处理的集成芯片，它工作在2.4GHz频率端上，IEEE802.15.4的协议标准，具有高性能、低功耗的8051微控制器内核；具有8路输入的8～14位ADC，1个16位、2个8位的定时器；具有高级的加密标准的处理器，21个通用I/O引脚以及2个具有20mA的电流吸收或电流供给功能。供电电源3.3V。该芯片具有可靠性高、通信距离比较远、增加PA功能后距离会更远等优良性能。CC2530芯片具有256kB、128kB、64kB、32kB四种闪存，该芯片具有丰富的外接引脚，芯片采用的RF布局，具有非常高的抗干扰能力和灵敏度，完全可以满足ZigBee组网的需求。
2.2ZigBee通用模块硬件设计。设计ZigBee核心板，主要用于教室内所有终端模块的组网，将传感器和控制器与ZigBee核心板通过I/O口相连接，实现所有模块组网，与ZigBee协调器形成每间教室的内控网络。由于每一个芯片I/O数量有限，为了满足大部分节点通用性要求，预留多个不同传感器和控制器I/O口，硬件电路采用集CC2530的系统板与扩展板相结合方式进行开发，扩展板上面有电源接口、指示灯、调试接口、传感器和控制模块接口、液晶显示屏、复位和USB转串口各种电路设计，以满足各个不同节点的正常工作的需求。核心板以CC2530芯片为核心，主要由为芯片提供能源的电源电路、时钟电路、射频电路和I/O扩展电路构成。电源电路部分由DC3.3V电源为芯片提供电源，并通过电容元件和电感元件为电源进行滤波；时钟电路由32k和32M的双晶振电路为核心板提供时钟信号；射频电路为ZibBee模块之间的无线通信建立起通信通道能够工作在2.4GHz频段上，具有16个传输信道，可根据环境进行切换可靠的通信信道，其功耗低，使用2.4G全向天线，在空旷无阻碍的空间直线距离可达300m左右。I/O扩展电路把CC2530的所有全部I/O口通过标准的2.54排针接口引出，方便与扩展模块进行连接，使I/O资源的利用最大化。ZigBee扩展板（底板）主要是配合ZigBee核心板研发和使用的底板，可以将集有CC2530芯片的ZigBee核心板直接插到底板上，具体功能如下。1)电源：扩展板采用DC5V供电，由USB接口和外部电源两种方式供电，输入电源由AMS1117-3.3电源芯片转换后给核心板进行供电。在底板上留用5V和3.3V电源接口，方便连接其它设备。2)按键：在扩展板上接有3路按键，一路连接芯片的复位引脚用于芯片的复位；另外两路连接芯片的外部中断，用于控制信号输入。3)LED灯：在扩展板上有6路LED灯，一路用于电源指示灯，两路用于串口数据收发的指示灯，另外3路通过IO口与芯片连接，可以用于程序运行状态的指示灯。4)调试接口：用于程序的下载和调试。5)液晶接口：为了更方便观察程序的运行，在扩展板上设计了SPI接口的TFT屏，可以把程序的运行过程实时显示在液晶屏上，方便程序的调试，在程序调试没有问题后也可以不安装液晶屏。6)USB转串口：现在的电脑上都已经不带串口接口，而芯片的通信输出最常用的就是串口，为了方便芯片调试和与电脑进行通信，在扩展板上增加了USB转串口模块。7)CC2530接口：所有的芯片都通过排针连接到了扩展板，然后根据不同的设备进行I/O口的选择。
3ZigBee组网与地址分配
每间教室作为一个ZigBee内部网络，协调器周期性的对数据采集结点进行数据查询，对应的结点接收到的查询指令后按照指定的数据帧格式进行数据返回，如果遇到突发紧急事件，终端结点也可以主动向协调器发送数据。网内的数据传输是根据ZigBee模块的网络号和设备短地址进行。当初始设置时，先设定每个结点所属网络的网络号，再对网络中每个终端结点进行地址分配，通过这种方式来确定网络中每个节点地址的唯一性，避免相邻教室内数据接收错误[5]。本文根据IEEE802.15.4标准的ZigBee协议，定义了一套帧格式对数据进行传输。1)查询帧：作用是把终端节点传感器采集的数据通过规定的格式进行封装打包发送到协调器上，协调器根据这个协议格式对数据进行识别拆封，具体的接收目标是由这种帧结构组成的，“目标地址”的具体格式如表1所示。以温湿度传感器返回帧为例，在ZigBee模块的数据帧基础上，进行修改，帧长为6字节，其中ZigBee模块数据类型1字节，目的地址为2字节，数据长度为1字节，数据为2字节分别为温度和湿度值，校验为1字节。协调器对接收到的数据进行验证，返回0x00表示接收到的数据是正确的，返回0x01表示当前接收到的数据是错误的。当接收到的数据是错误的，协调器重新发送查询指令给温湿度采集结点，直到接收到正确的温湿度值或都达到最大查询次数为止。
4ZigBee与WiFi网关
面向智慧教室的物联网云平台是将软件和硬件相结合的复杂体系。硬件设备有各种各样的种类。不同设备之间的通信协议标准不同。一些设备采用串行通信协议，一些设备使用HTTP通信协议。这些通信协议的不同标准导致传输数据结构的混乱，不能统一使用且不利于软件系统的升级和维护以及硬件系统的扩展。因此，在本文中建立智慧教室网关系统的通信协议标准非常重要。设置ZigBee与WiFi连接的通信协议，适用于本文智慧教室系统中的ZigBee网关和相关设备的控制，以及系统连接，实现数据在ZigBee网络和网关服务器以及外部Internet的信息传输。协议中包含串口控制协议以及TCP/TP协议栈的数据封装结构体。串口控制协议为用户提供了对WiFi模块的控制访问通道，用户可以通过串口实现ZigBee模块和管理系统的数据通信，完成数据的传递，参数的修改等。在智慧教室系统中，由一个ZigBee协调器管理节点和若干个ZigBee终端设备节点组成，协调器节点与上位机的软件管理系统通过WiFi进行通信，协调器与WiFi通过串口通信，协调器每完成一个周期的数据查询后把数据进行封装，然后使用AT（Attention）指令把数据通过串口发送到WiFi模块，WiFi模块再通过TCP/IP协议把数据发送给管理系统。首先初始化系统的各个功能设备，配置协议参数，ZigBee协调器与WiFi模块通过串口协议相连接，对串口进行初始化，检查设计的数据帧格式是否正确，然后根据预设的参数将WiFi模块加入WiFi网络，通过TCP/IP协议，将数据上传到服务器端。各模块传递数据的数据包均以数据帧传递，设置的数据帧格式如表4所示。根据数据协议：以“0x5775”作为目标地址，即数据要传输到什么位置；以“0x51”为数据上传指令，用一个字节存储上传数据的长度，用一个字节存储温度值，用一个字节存储烟雾浓度值。
5智慧教室感知模块设计与实现
智慧教室的数据采集模块设计主要工作是选择合适的传感器，连接通用的ZigBee核心板扩展接口实现教室内各种环境指数的采集，包括对温湿度采集、光照度采集、烟雾浓度采集、人员存在情况采集等，最终确定选用DHT11温湿度传感器。温湿度传感器电路连接原理图如图2所示。温湿度传感器接口1是接3.3V电源，接口2是IO口的输出，与ZigBee的IO口连接，实现温湿度的读取，接口3是连接地线。用于教室内光照度环境监测的传感器电源部分采用3.3V供电，数据端口连接CC2530芯片的P0_5接口，光敏电阻电路连接原理图如图3所示。光敏电阻传感器接口1是接3.3V电源，接口3是IO口的输出，与ZigBee的IO口连接，实现光照度的读取，接口2是连接地线。教室内安装烟雾传感器主要目的是通过传感器检测室内的烟雾浓度，并通过模拟端口输出电压值。控制器通过外部端口读取到的AD值并上传到管理系统。管理系统根据设定的域值来判断教室内烟雾浓度是否超过警戒值。系统通过一系列控制算法，对此情况做出判断，反馈给用户，同时控制教室内设备，发出报警。烟雾采集模块电路图如图4所示。烟雾传感器接口1是接5V电源，接口3是IO口的输出，与ZigBee的IO口连接，实现烟雾浓度的读取，接口2是连接地线。人体红外感应模块功能特点：当人员进入感知范围，大约7m左右，就会输出高电平信号，离开其感知范围就会自动延时关闭，输出低电平。该设备的工作电压范围是4.5V～20V。功耗相对比较低，非常适合现在的锂电池供电。根据其特点，人体红外感应模块电路图如图5所示。人体红外感应传感器接口1是接5V电源，接口2是IO口的输出，与ZigBee的IO口连接，实现人员数的读取，接口3是连接地线。
6小结
本文对智慧教室物联网云平台的感知层和网络层进行了设计与实现，完成了终端节点采集模块的电路图设计和模块的选型，规范了ZigBee组网的数据帧格式和WiFi模块的数据帧格式，通过程序烧录实现了终端模块的感知功能、ZigBee网络进行数据的传递，为下一步与面向智慧教室的软件云平台系统连接奠定网络基础。
作者:卢志翠 单位:邯郸学院
