基于無線傳感網絡的智能教室

基于無線傳感網絡的智能教室基于無線傳感網絡的智能綜合教室（體驗室）一、項目目的運用互聯(lián)網、無線傳感網絡、嵌入式系統(tǒng)、機電控制等相關技術，按照物聯(lián)網概念，設計并實現(xiàn)用于高等院校本科生理論教學和科技實踐的智能綜合教室，為教師和學生認識和了解物聯(lián)網的技術特點提供必要的環(huán)境和設備條件，為參與物聯(lián)網應用技術的研究開發(fā)提供一定的實施和驗證基礎。

二、項目總體要求結合物聯(lián)網概念與技術，選擇高等院校本科生課程教學和科技實踐綜合教室為應用對象，運用無線傳感網絡技術構建一體化的綜合教室信息管控體系，對智能綜合教室的各種設施進行網絡化、信息化、智能化的管理與控制，采用無線傳感網絡中的無線短距離數字通信技術、傳感器技術、RFID技術、機電控制技術等，構成室內各種功能模塊的信息網絡，滿足遠程網絡和本地操作條件下的設備監(jiān)控、信息查詢、環(huán)境調節(jié)、安全防衛(wèi)等多種功能。

三、項目總體結構該項目系統(tǒng)由系統(tǒng)控制器子系統(tǒng)、教學設施管控子系統(tǒng)、環(huán)境調節(jié)管控子系統(tǒng)、電氣設備管控子系統(tǒng)、資料信息管控子系統(tǒng)和安全防衛(wèi)監(jiān)控子系統(tǒng)六個部分組成，其系統(tǒng)組成框圖如下圖所示：

系統(tǒng)控制器子系統(tǒng)互聯(lián)網GSM模塊教師計算機控制模塊教學設施管控子系統(tǒng)環(huán)境調節(jié)管控子系統(tǒng)電氣設備管控子系統(tǒng)資料信息管控子系統(tǒng)安全防衛(wèi)監(jiān)控子系統(tǒng)四、各子系統(tǒng)功能與設計要求1.系統(tǒng)控制器子系統(tǒng)系統(tǒng)主控制器ZigBee協(xié)調器路由器路由器路由器路由器路由器投影儀控制模塊門窗闖入檢測模塊燈光控制模塊市電電量檢測模塊座位信息模塊窗簾控制模塊三相電量檢測模塊柜內物品信息模塊風扇控制模塊電源插座電量模塊RFID信息采集模塊噪音檢測模塊分路電源開關模塊輪式講解機器人熱釋電超聲波模塊門禁刷卡記錄模塊攝像頭云臺模塊喇叭音量控制模塊幕布升降控制模塊作息時間提示模塊環(huán)境參數檢測模塊公共信息發(fā)布模塊火災煙霧探測模塊熱水器控制模塊視頻無線模塊3G模塊系統(tǒng)控制器子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的信息處理核心，主要負責與系統(tǒng)中協(xié)調器、路由器、GSM模塊和互聯(lián)網的通信任務，以及通過人機界面的管控操作，實現(xiàn)對各個功能模塊的參數獲取、動作控制和信息處理功能。

主要技術要求如下：

（1）互聯(lián)網功能可以通過LAN接口實現(xiàn)與互聯(lián)網的連接，滿足上網需要，并且實現(xiàn)遠程專用界面（瀏覽器環(huán)境）下的遠程網上管控。

同時，可以通過互聯(lián)網進行各種常規(guī)的網上操作，如信息查詢、資料下載等。

（2）GSM模塊功能可以通過手機短信方式對該系統(tǒng)進行訪問和管控，實現(xiàn)遠程管控和告警等功能。

（3）ZigBee協(xié)調器功能ZigBee協(xié)調器以USB接口形式與系統(tǒng)主控制器進行數據通信，負責將主控制器信息和命令通過路由器發(fā)送給各相關功能模塊；同時，完成接收來自路由器的各功能模塊的相關信息，起到信息傳輸中樞節(jié)點的作用；ZigBee協(xié)調器要求采用MSP430F5529+CC2520模塊設計，并具備USB接口供電方式。

（4）ZigBee路由器功能ZigBee路由器要求采用外接直流穩(wěn)壓電源和充電鋰電池供電方式，與ZigBee協(xié)調器一起構建出整個系統(tǒng)的信息通訊鏈路，實現(xiàn)系統(tǒng)控制器與指定的相關功能模塊進行信息交換的功能。

ZigBee路由器要求采用MSP430F2618+CC2520模塊設計。

（5）無線視頻傳輸模塊無線視頻傳輸模塊用來將體驗室內攝像頭傳輸來的無線視頻信號傳送給系統(tǒng)主控制器，經系統(tǒng)主控制器處理后，進行必要的記錄、儲存或轉發(fā)，可采用市場現(xiàn)成產品。

（6）3G通信模塊3G通信模塊用來將系統(tǒng)主控制器發(fā)出的相關信息通過3G網絡傳輸給指定用戶。

2.教學設施管控子系統(tǒng)教學設施管控子系統(tǒng)主要實現(xiàn)對體驗室中的教學設備進行功能操作與控制，主要的功能模塊技術要求如下：

（1）投影儀控制模塊投影儀控制功能模塊用來實現(xiàn)對投影儀的開關控制，要求能夠按照系統(tǒng)控制器通過ZigBee無線數據通信網絡發(fā)送的開啟和關閉命令進行控制，考慮到目前無法對投影儀控制電路進行改造的現(xiàn)實情況，建議采用直流電機帶動凸輪機構實現(xiàn)對投影儀遙控器電源開關進行按鍵操作方式進行。

該功能模塊要求采用MSP430單片機+CC2520模塊設計，并采用AC220V市電供電方式。

（2）喇叭音量控制模塊喇叭音量控制功能模塊用來檢測教室中的教師講課聲音的聲音強度，并根據聲音強度自動調節(jié)教室音箱中喇叭音響電路的輸出功率，用來控制聲音的大小，以保證教師講課時在教室環(huán)境下具有合適的聲音強度（音量）。

該功能模塊要求采用MSP430單片機+CC2520模塊設計，并采用AC220V市電供電方式，要求具有一定的抗環(huán)境噪聲能力，能夠在一定的環(huán)境噪聲背景下，對教師講課聲音的強弱進行檢測和自動調節(jié)喇叭音量的能力。

（3）幕布升降控制模塊幕布升降控制功能模塊用來實現(xiàn)對投影幕布的升降控制，分為固定控制功能模塊和手操遙控功能模塊兩個部分，要求既能夠按照系統(tǒng)控制器通過ZigBee無線數據通信網絡發(fā)送的升幕和降幕命令進行控制，也能夠通過手動遙控器實現(xiàn)遙控操作。

固定控制功能模塊需結合現(xiàn)有的投影幕布裝置和驅動控制器進行改造性設計，在原驅動控制器上增加MSP430單片機控制信號產生電路和ZigBee無線數據通信模塊，要求采用MSP430單片機+CC2520模塊設計，并采用AC220V市電供電方式。

手操遙控器功能模塊自行設計，也要求采用MSP430單片機+CC2520模塊的結構形式，實現(xiàn)對幕布升降的手動控制，要求采用充電鋰電池供電方式。

（4）作息時間提示模塊作息時間提示功能模塊主要用來為教師提供授課時的時間提示功能，能夠為授課教師自動按照上課時間表進行課程時間參數顯示，如第幾節(jié)課、課程時間倒計時、課間休息時間倒計時，以及正常的實時鐘（即年、月、日、時、分、秒）顯示等功能。

要求采用MSP430單片機+CC2520模塊設計，并采用外接直流穩(wěn)壓電源和充電鋰電池供電方式，顯示屏應具備較大尺寸及較好的顯示效果，并便于手動操作。

同時，各種顯示參數和操作均可以按照系統(tǒng)控制器通過ZigBee無線數據通信網絡發(fā)送的命令與參數進行。

（5）教師計算機控制模塊教師計算機控制功能模塊主要用來實現(xiàn)對教師計算機開機與關機的遠程遙控，可在教師到教室前就可以啟動計算機，使計算機進入正常工作狀態(tài)，節(jié)省時間，提高效率。

要求該功能模塊采用MSP430單片機+CC2520模塊設計，并采用市電直接供電方式，既可以按照系統(tǒng)控制器通過ZigBee無線數據通信網絡發(fā)送的命令進行控制，也保留對計算機開/關機的手動操作功能。

3.環(huán)境調節(jié)管控子系統(tǒng)環(huán)境調節(jié)管控子系統(tǒng)主要實現(xiàn)對體驗室中的教學環(huán)境情況與設施進行信息采集和功能操作控制，主要的功能模塊技術要求如下：

（1）燈光控制模塊燈光控制功能模塊主要用來實現(xiàn)對教室照明燈的管理與控制，可以按照系統(tǒng)主控制器的命令控制各個照明燈的開/關。

要求采用MSP430單片機+CC2520模塊設計，采用市電直接供電方式，可按照同時控制8盞照明燈的繼電器輸出觸點要求實現(xiàn)，注意應選用直流電壓驅動的，可提供市電輸出觸點的中功率繼電器，以滿足單個照明燈（AC220V,50Hz，100W）的供電需要。

（2）窗簾控制模塊窗簾控制功能模塊主要用來實現(xiàn)教室窗簾的管理與控制，可以按照系統(tǒng)主控制器的命令控制窗簾的開/關。

要求采用MSP430單片機+CC2520模塊設計，采用市電直接供電方式，可選用直流步進電機或直流伺服電機驅動，要求在窗簾導軌兩端設置行程開關，實現(xiàn)到端點位置時的強行停機控制；并在驅動電機上設置位置檢測裝置，以便于對窗簾開閉位置進行檢測和控制。

（3）風扇控制模塊風扇控制功能模塊主要用來對教室的壁掛式電風扇進行管理與控制，可以按照系統(tǒng)主控制器的命令控制電風扇的開/關。

要求采用MSP430單片機+CC2520模塊設計，采用市電直接供電方式，要求實現(xiàn)對電風扇的轉速和搖頭控制。

（4）噪音檢測模塊噪音檢測功能模塊主要用來對教室內的環(huán)境噪音進行檢測，可以通過系統(tǒng)主控制器控制該功能模塊是否開始工作，以及設定噪音閾值（即若環(huán)境噪聲超過該閾值，即可通過指示燈閃爍告警提示）；同時，可將噪音數值傳送給系統(tǒng)主控制器。

要求采用MSP430單片機+CC2520模塊設計，采用市電直接供電方式。

要求該功能模塊可連接三只噪音傳感器探頭，實現(xiàn)對三個區(qū)域的噪音檢測和分區(qū)報警指示。

（5）環(huán)境參數檢測模塊環(huán)境參數檢測功能模塊主要用來對教室環(huán)境下的溫度、相對濕度和室內光照度進行檢測，可以通過系統(tǒng)主控制器控制該功能模塊是否開始工作，以及實現(xiàn)環(huán)境參數的傳輸。

要求采用MSP430單片機+CC2520模塊設計，采用市電直接供電方式。

要求采用可安裝在通風良好機殼內部的集成溫濕度傳感器和安裝在機殼外表面的光照度傳感器。

4.電氣設備管控子系統(tǒng)電氣設備管控子系統(tǒng)主要實現(xiàn)對體驗室中的各種電器和用電情況進行信息采集和功能操作與控制，主要的功能模塊技術要求如下：

（1）市電電量檢測模塊市電電量檢測功能模塊主要用來對教室的AC220V交流電用電參數（電壓、電流、電量）進行檢測，并實時發(fā)送給系統(tǒng)主控制器，要求采用MSP430F425單片機+CC2520模塊設計，采用市電直接供電方式。

通過檢測市電的電壓和電流值，計算出瞬時電量和累積電量。

（2）三相電量檢測模塊三相電電量檢測功能模塊主要用來對教室的三相動力電用電電量進行檢測，并實時發(fā)送給系統(tǒng)主控制器，要求采用MSP430F425單片機+CC2520模塊設計，采用單相電直接供電方式。

通過檢測各相的電壓和電流值，計算出瞬時電量和累積電量，并檢測出各相電壓是否平衡。

（3）電源插座電量檢測模塊電源插座電量檢測功能模塊主要用來對教室中各電氣設備（如計算機、儀器設備等）使用的電源插座在設備工作時用電情況（電壓、電流、電量）進行檢測，并實時發(fā)送給系統(tǒng)控制器；同時，可按照系統(tǒng)主控制器的命令控制該模塊中的交流中功率繼電器（AC220V,50Hz，1000W）的通/斷，滿足遠程加電/斷電的控制要求。

要求采用MSP430F425單片機+CC2520模塊設計，采用市電直接供電方式，（4）分路電源開關模塊分路電源開關控制功能模塊主要用來實現(xiàn)對教室中有關的市電電源開關進行管理與控制，可以按照系統(tǒng)主控制器的命令控制各個開關的通/斷。

要求采用MSP430單片機+CC2520模塊設計，采用市電直接供電方式，可按照同時控制4路繼電器輸出觸點要求實現(xiàn)，注意應選用直流電壓驅動的，可提供市電輸出觸點的中功率繼電器（AC220V,50Hz，1000W），以滿足各開關的供電需要，并應將當時的功耗（電量）參數傳輸給系統(tǒng)主控制器。

（5）熱水器控制模塊熱水器控制功能模塊主要用來對教室中使用的熱水器進行管理與控制，可以按照系統(tǒng)主控制器的命令控制熱水器開關的通/斷。

要求采用MSP430F425單片機+CC2520模塊設計，采用市電直接供電方式，注意應選用直流電壓驅動的，可提供市電輸出觸點的中大功率繼電器（AC220V,50Hz，2019W），以滿足熱水器供電的需要。

同時，也應滿足定時加熱的需要，并應將當時水溫參數和功耗（電量）參數傳輸給系統(tǒng)主控制器。

5.資料信息管控子系統(tǒng)資料信息管控子系統(tǒng)主要實現(xiàn)對體驗室中的相關物品信息進行采集、記錄、存儲、比較，以及對相關設備進行功能操作與控制，主要的功能模塊技術要求如下：

（1）座位信息模塊座位信息采集功能模塊主要用來對教室中的各座位學生就坐信息進行采集，要求能夠對學生一卡通的信息進行讀取，并將學生姓名、學號等相關信息發(fā)送給系統(tǒng)主控制器，由系統(tǒng)主控制器進行統(tǒng)一管理。

同時，要求在該功能模塊上設置有必要的占座按鍵和提示燈，并能由系統(tǒng)主控制器進行允許占座時間的設定與管理。

要求采用MSP430單片機+CC2520模塊+一卡通讀取模塊設計，采用外接直流穩(wěn)壓電源和充電鋰電池供電方式。

（2）柜內物品信息模塊柜內物品信息采集和管理功能模塊主要用來對保存在資料柜、設備柜、工具柜、元器件柜中的各種物品進行信息采集、記錄和進出管理，要求采用MSP430單片機+CC2520模塊+一卡通讀取模塊+RFID讀取模塊設計，采用外接直流穩(wěn)壓電源和充電鋰電池供電方式。

該功能模塊采用RFID讀取方式，對進出物品柜的各種貼有RFID標簽的物品進行掃描讀取，并進行記錄和顯示，在該功能模塊上可設置點陣式LCD顯示屏，用來顯示柜內物品名稱、數量等信息。

同時，可將柜內物品的存儲信息和進出信息傳送給系統(tǒng)主控制器。

要求在物品柜上設置電子鎖，開啟物品柜時，需通過一卡通的讀取，并將此信息傳送給主控制器進行甄別，符合信息要求時，才能控制打開電子鎖；同時，對持有該一卡通的學生或教師信息和進出物品的信息進行采集、記錄和傳送給系統(tǒng)主控制器備案存檔。

、（3）RFID信息采集模塊RFID信息采集功能模塊主要用來對為存放在物品柜中的各種物品進行信息采集與管理，可做成手持便攜式設備，要求采用MSP430單片機+CC2520模塊+RFID讀取模塊設計，采用外接直流穩(wěn)壓電源和充電鋰電池供電方式。

在該功能模塊上可設置點陣式LCD顯示屏，用來顯示掃描物品的名稱等信息，并將該物品的相關信息傳送給系統(tǒng)主控制器。

（4）輪式講解機器人輪式講解機器人功能模塊主要用來對參觀來訪者進行參觀路線引導、體驗室情況和作品介紹。

該輪式機器人在接待參觀來訪者時，應能對體驗室的概況與特點進行語音講解，并按照參觀路線軌跡運動，可實現(xiàn)循跡避障行走功能，能夠通過射頻RFID讀取模塊，在一定距離內讀取展示科技作品的信息，并通過語音功能對作品進行逐項介紹，并要求發(fā)出的語音聲音洪亮，發(fā)音清晰，語音連貫，講解效果好。

要求MSP430單片機+CC2520模塊+射頻RFID讀取模塊+語音模塊設計，采用充電鋰電池供電方式。

（5）公共信息發(fā)布模塊公共信息發(fā)布功能模塊主要用來在體驗室中對公共信息的發(fā)布，可以按照系統(tǒng)主控制器的命令和傳送的信息，通過點陣屏方式將通知、注意事項等相關信息進行顯示和動態(tài)刷新，并可設置顯示時間、刷新速度與刷新次數，在不顯示公共信息時，可用作日歷電子鐘和顯示當日課程安排情況。

要求采用MSP430單片機+CC2520模塊設計，采用市電直接供電方式。

6.安全防衛(wèi)監(jiān)控子系統(tǒng)安全防衛(wèi)監(jiān)控子系統(tǒng)主要實現(xiàn)對體驗室中有關安全防衛(wèi)設施的信息進行采集、傳輸、報警等功能，并對相關的設備進行管理和功能操作控制，主要的功能模塊技術要求如下：

（1）門窗闖入檢測模塊門窗闖入檢測功能模塊主要用來對通過門窗非法闖入體驗室的人員進行檢測，可通過在門窗處設置紅外、磁吸、聲響、微動開關等類型的傳感器進行探測檢查。

要求采用MSP430單片機+CC2520模塊設計，采用外接直流穩(wěn)壓電源和充電鋰電池供電方式。

可實時將檢測信息傳送給系統(tǒng)主控制器，并可通過短信方式將信息傳送給有關管理人員，系統(tǒng)主控制器具有對該功能模塊是否啟動工作的設置功能。

（2）熱釋電超聲波模塊熱釋電和超聲波傳感器檢測功能模塊主要用來對通過非法闖入體驗室的人員進行檢測，可通過在體驗室內部墻壁或天花板上設置熱釋電（帶菲涅爾透鏡）和超聲波傳感器對非法進入體驗室后移動的人員進行探測檢查。

要求采用MSP430單片機+CC2520模塊，采用外接直流穩(wěn)壓電源和充電鋰電池供電