基于无线传感网络的智能教室.docx

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基于无线传感网络的智能教室

基于无线传感网络的智能教室

基于无线传感网络的智能综合教室（体验室）一、项目目的运用互联网、无线传感网络、嵌入式系统、机电控制等相关技术，按照物联网概念，设计并实现用于高等院校本科生理论教学和科技实践的智能综合教室，为教师和学生认识和了解物联网的技术特点提供必要的环境和设备条件，为参与物联网应用技术的研究开发提供一定的实施和验证基础。

二、项目总体要求结合物联网概念与技术，选择高等院校本科生课程教学和科技实践综合教室为应用对象，运用无线传感网络技术构建一体化的综合教室信息管控体系，对智能综合教室的各种设施进行网络化、信息化、智能化的管理与控制，采用无线传感网络中的无线短距离数字通信技术、传感器技术、RFID技术、机电控制技术等，构成室内各种功能模块的信息网络，满足远程网络和本地操作条件下的设备监控、信息查询、环境调节、安全防卫等多种功能。

三、项目总体结构该项目系统由系统控制器子系统、教学设施管控子系统、环境调节管控子系统、电气设备管控子系统、资料信息管控子系统和安全防卫监控子系统六个部分组成，其系统组成框图如下图所示：

系统控制器子系统互联网GSM模块教师计算机控制模块教学设施管控子系统环境调节管控子系统电气设备管控子系统资料信息管控子系统安全防卫监控子系统四、各子系统功能与设计要求1.系统控制器子系统系统主控制器ZigBee协调器路由器路由器路由器路由器路由器投影仪控制模块门窗闯入检测模块灯光控制模块市电电量检测模块座位信息模块窗帘控制模块三相电量检测模块柜内物品信息模块风扇控制模块电源插座电量模块RFID信息采集模块噪音检测模块分路电源开关模块轮式讲解机器人热释电超声波模块门禁刷卡记录模块摄像头云台模块喇叭音量控制模块幕布升降控制模块作息时间提示模块环境参数检测模块公共信息发布模块火灾烟雾探测模块热水器控制模块视频无线模块3G模块系统控制器子系统是整个系统的信息处理核心，主要负责与系统中协调器、路由器、GSM模块和互联网的通信任务，以及通过人机界面的管控操作，实现对各个功能模块的参数获取、动作控制和信息处理功能。

主要技术要求如下：

（1）互联网功能可以通过LAN接口实现与互联网的连接，满足上网需要，并且实现远程专用界面（浏览器环境）下的远程网上管控。

同时，可以通过互联网进行各种常规的网上操作，如信息查询、资料下载等。

（2）GSM模块功能可以通过手机短信方式对该系统进行访问和管控，实现远程管控和告警等功能。

（3）ZigBee协调器功能ZigBee协调器以USB接口形式与系统主控制器进行数据通信，负责将主控制器信息和命令通过路由器发送给各相关功能模块；同时，完成接收来自路由器的各功能模块的相关信息，起到信息传输中枢节点的作用；ZigBee协调器要求采用MSP430F5529+CC2520模块设计，并具备USB接口供电方式。

（4）ZigBee路由器功能ZigBee路由器要求采用外接直流稳压电源和充电锂电池供电方式，与ZigBee协调器一起构建出整个系统的信息通讯链路，实现系统控制器与指定的相关功能模块进行信息交换的功能。

ZigBee路由器要求采用MSP430F2618+CC2520模块设计。

（5）无线视频传输模块无线视频传输模块用来将体验室内摄像头传输来的无线视频信号传送给系统主控制器，经系统主控制器处理后，进行必要的记录、储存或转发，可采用市场现成产品。

（6）3G通信模块3G通信模块用来将系统主控制器发出的相关信息通过3G网络传输给指定用户。

2.教学设施管控子系统教学设施管控子系统主要实现对体验室中的教学设备进行功能操作与控制，主要的功能模块技术要求如下：

（1）投影仪控制模块投影仪控制功能模块用来实现对投影仪的开关控制，要求能够按照系统控制器通过ZigBee无线数据通信网络发送的开启和关闭命令进行控制，考虑到目前无法对投影仪控制电路进行改造的现实情况，建议采用直流电机带动凸轮机构实现对投影仪遥控器电源开关进行按键操作方式进行。

该功能模块要求采用MSP430单片机+CC2520模块设计，并采用AC220V市电供电方式。

（2）喇叭音量控制模块喇叭音量控制功能模块用来检测教室中的教师讲课声音的声音强度，并根据声音强度自动调节教室音箱中喇叭音响电路的输出功率，用来控制声音的大小，以保证教师讲课时在教室环境下具有合适的声音强度（音量）。

该功能模块要求采用MSP430单片机+CC2520模块设计，并采用AC220V市电供电方式，要求具有一定的抗环境噪声能力，能够在一定的环境噪声背景下，对教师讲课声音的强弱进行检测和自动调节喇叭音量的能力。

（3）幕布升降控制模块幕布升降控制功能模块用来实现对投影幕布的升降控制，分为固定控制功能模块和手操遥控功能模块两个部分，要求既能够按照系统控制器通过ZigBee无线数据通信网络发送的升幕和降幕命令进行控制，也能够通过手动遥控器实现遥控操作。

固定控制功能模块需结合现有的投影幕布装置和驱动控制器进行改造性设计，在原驱动控制器上增加MSP430单片机控制信号产生电路和ZigBee无线数据通信模块，要求采用MSP430单片机+CC2520模块设计，并采用AC220V市电供电方式。

手操遥控器功能模块自行设计，也要求采用MSP430单片机+CC2520模块的结构形式，实现对幕布升降的手动控制，要求采用充电锂电池供电方式。

（4）作息时间提示模块作息时间提示功能模块主要用来为教师提供授课时的时间提示功能，能够为授课教师自动按照上课时间表进行课程时间参数显示，如第几节课、课程时间倒计时、课间休息时间倒计时，以及正常的实时钟（即年、月、日、时、分、秒）显示等功能。

要求采用MSP430单片机+CC2520模块设计，并采用外接直流稳压电源和充电锂电池供电方式，显示屏应具备较大尺寸及较好的显示效果，并便于手动操作。

同时，各种显示参数和操作均可以按照系统控制器通过ZigBee无线数据通信网络发送的命令与参数进行。

（5）教师计算机控制模块教师计算机控制功能模块主要用来实现对教师计算机开机与关机的远程遥控，可在教师到教室前就可以启动计算机，使计算机进入正常工作状态，节省时间，提高效率。

要求该功能模块采用MSP430单片机+CC2520模块设计，并采用市电直接供电方式，既可以按照系统控制器通过ZigBee无线数据通信网络发送的命令进行控制，也保留对计算机开/关机的手动操作功能。

3.环境调节管控子系统环境调节管控子系统主要实现对体验室中的教学环境情况与设施进行信息采集和功能操作控制，主要的功能模块技术要求如下：

（1）灯光控制模块灯光控制功能模块主要用来实现对教室照明灯的管理与控制，可以按照系统主控制器的命令控制各个照明灯的开/关。

要求采用MSP430单片机+CC2520模块设计，采用市电直接供电方式，可按照同时控制8盏照明灯的继电器输出触点要求实现，注意应选用直流电压驱动的，可提供市电输出触点的中功率继电器，以满足单个照明灯（AC220V,50Hz，100W）的供电需要。

（2）窗帘控制模块窗帘控制功能模块主要用来实现教室窗帘的管理与控制，可以按照系统主控制器的命令控制窗帘的开/关。

要求采用MSP430单片机+CC2520模块设计，采用市电直接供电方式，可选用直流步进电机或直流伺服电机驱动，要求在窗帘导轨两端设置行程开关，实现到端点位置时的强行停机控制；并在驱动电机上设置位置检测装置，以便于对窗帘开闭位置进行检测和控制。

（3）风扇控制模块风扇控制功能模块主要用来对教室的壁挂式电风扇进行管理与控制，可以按照系统主控制器的命令控制电风扇的开/关。

要求采用MSP430单片机+CC2520模块设计，采用市电直接供电方式，要求实现对电风扇的转速和摇头控制。

（4）噪音检测模块噪音检测功能模块主要用来对教室内的环境噪音进行检测，可以通过系统主控制器控制该功能模块是否开始工作，以及设定噪音阈值（即若环境噪声超过该阈值，即可通过指示灯闪烁告警提示）；同时，可将噪音数值传送给系统主控制器。

要求采用MSP430单片机+CC2520模块设计，采用市电直接供电方式。

要求该功能模块可连接三只噪音传感器探头，实现对三个区域的噪音检测和分区报警指示。

（5）环境参数检测模块环境参数检测功能模块主要用来对教室环境下的温度、相对湿度和室内光照度进行检测，可以通过系统主控制器控制该功能模块是否开始工作，以及实现环境参数的传输。

要求采用MSP430单片机+CC2520模块设计，采用市电直接供电方式。

要求采用可安装在通风良好机壳内部的集成温湿度传感器和安装在机壳外表面的光照度传感器。

4.电气设备管控子系统电气设备管控子系统主要实现对体验室中的各种电器和用电情况进行信息采集和功能操作与控制，主要的功能模块技术要求如下：

（1）市电电量检测模块市电电量检测功能模块主要用来对教室的AC220V交流电用电参数（电压、电流、电量）进行检测，并实时发送给系统主控制器，要求采用MSP430F425单片机+CC2520模块设计，采用市电直接供电方式。

通过检测市电的电压和电流值，计算出瞬时电量和累积电量。

（2）三相电量检测模块三相电电量检测功能模块主要用来对教室的三相动力电用电电量进行检测，并实时发送给系统主控制器，要求采用MSP430F425单片机+CC2520模块设计，采用单相电直接供电方式。

通过检测各相的电压和电流值，计算出瞬时电量和累积电量，并检测出各相电压是否平衡。

（3）电源插座电量检测模块电源插座电量检测功能模块主要用来对教室中各电气设备（如计算机、仪器设备等）使用的电源插座在设备工作时用电情况（电压、电流、电量）进行检测，并实时发送给系统控制器；同时，可按照系统主控制器的命令控制该模块中的交流中功率继电器（AC220V,50Hz，1000W）的通/断，满足远程加电/断电的控制要求。

要求采用MSP430F425单片机+CC2520模块设计，采用市电直接供电方式，（4）分路电源开关模块分路电源开关控制功能模块主要用来实现对教室中有关的市电电源开关进行管理与控制，可以按照系统主控制器的命令控制各个开关的通/断。

要求采用MSP430单片机+CC2520模块设计，采用市电直接供电方式，可按照同时控制4路继电器输出触点要求实现，注意应选用直流电压驱动的，可提供市电输出触点的中功率继电器（AC220V,50Hz，1000W），以满足各开关的供电需要，并应将当时的功耗（电量）参数传输给系统主控制器。

（5）热水器控制模块热水器控制功能模块主要用来对教室中使用的热水器进行管理与控制，可以按照系统主控制器的命令控制热水器开关的通/断。

要求采用MSP430F425单片机+CC2520模块设计，采用市电直接供电方式，注意应选用直流电压驱动的，可提供市电输出触点的中大功率继电器（AC220V,50Hz，2019W），以满足热水器供电的需要。

同时，也应满足定时加热的需要，并应将当时水温参数和功耗（电量）参数传输给系统主控制器。

5.资料信息管控子系统资料信息管控子系统主要实现对体验室中的相关物品信息进行采集、记录、存储、比较，以及对相关设备进行功能操作与控制，主要的功能模块技术要求如下：

（1）座位信息模块座位信息采集功能模块主要用来对教室中的各座位学生就坐信息进行采集，要求能够对学生一卡通的信息进行读取，并将学生姓名、学号等相关信息发送给系统主控制器，由系统主控制器进行统一管理。

同时，要求在该功能模块上设置有必要的占座按键和提示灯，并能由系统主控制器进行允许占座时间的设定与管理。

要求采用MSP430单片机+CC2520模块+一卡通读取模块设计，采用外接直流稳压电源和充电锂电池供电方式。

（2）柜内物品信息模块柜内物品信息采集和管理功能模块主要用来对保存在资料柜、设备柜、工具柜、元器件柜中的各种物品进行信息采集、记录和进出管理，要求采用MSP430单片机+CC2520模块+一卡通读取模块+RFID读取模块设计，采用外接直流稳压电源和充电锂电池供电方式。

该功能模块采用RFID读取方式，对进出物品柜的各种贴有RFID标签的物品进行扫描读取，并进行记录和显示，在该功能模块上可设置点阵式LCD显示屏，用来显示柜内物品名称、数量等信息。

同时，可将柜内物品的存储信息和进出信息传送给系统主控制器。

要求在物品柜上设置电子锁，开启物品柜时，需通过一卡通的读取，并将此信息传送给主控制器进行甄别，符合信息要求时，才能控制打开电子锁；同时，对持有该一卡通的学生或教师信息和进出物品的信息进行采集、记录和传送给系统主控制器备案存档。

、（3）RFID信息采集模块RFID信息采集功能模块主要用来对为存放在物品柜中的各种物品进行信息采集与管理，可做成手持便携式设备，要求采用MSP430单片机+CC2520模块+RFID读取模块设计，采用外接直流稳压电源和充电锂电池供电方式。

在该功能模块上可设置点阵式LCD显示屏，用来显示扫描物品的名称等信息，并将该物品的相关信息传送给系统主控制器。

（4）轮式讲解机器人轮式讲解机器人功能模块主要用来对参观来访者进行参观路线引导、体验室情况和作品介绍。

该轮式机器人在接待参观来访者时，应能对体验室的概况与特点进行语音讲解，并按照参观路线轨迹运动，可实现循迹避障行走功能，能够通过射频RFID读取模块，在一定距离内读取展示科技作品的信息，并通过语音功能对作品进行逐项介绍，并要求发出的语音声音洪亮，发音清晰，语音连贯，讲解效果好。

要求MSP430单片机+CC2520模块+射频RFID读取模块+语音模块设计，采用充电锂电池供电方式。

（5）公共信息发布模块公共信息发布功能模块主要用来在体验室中对公共信息的发布，可以按照系统主控制器的命令和传送的信息，通过点阵屏方式将通知、注意事项等相关信息进行显示和动态刷新，并可设置显示时间、刷新速度与刷新次数，在不显示公共信息时，可用作日历电子钟和显示当日课程安排情况。

要求采用MSP430单片机+CC2520模块设计，采用市电直接供电方式。

6.安全防卫监控子系统安全防卫监控子系统主要实现对体验室中有关安全防卫设施的信息进行采集、传输、报警等功能，并对相关的设备进行管理和功能操作控制，主要的功能模块技术要求如下：

（1）门窗闯入检测模块门窗闯入检测功能模块主要用来对通过门窗非法闯入体验室的人员进行检测，可通过在门窗处设置红外、磁吸、声响、微动开关等类型的传感器进行探测检查。

要求采用MSP430单片机+CC2520模块设计，采用外接直流稳压电源和充电锂电池供电方式。

可实时将检测信息传送给系统主控制器，并可通过短信方式将信息传送给有关管理人员，系统主控制器具有对该功能模块是否启动工作的设置功能。

（2）热释电超声波模块热释电和超声波传感器检测功能模块主要用来对通过非法闯入体验室的人员进行检测，可通过在体验室内部墙壁或天花板上设置热释电（带菲涅尔透镜）和超声波传感器对非法进入体验室后移动的人员进行探测检查。

要求采用MSP430单片机+CC2520模块，采用外接直流稳压电源和充电锂电池供电方式。

可实时将检测信息传送给系统主控制器，并可通过短信方式将信息传送给有关管理人员，系统主控制器具有对该功能模块是否启动工作的设置功能。

（3）门禁刷卡记录模块门禁刷卡记录功能模块主要用来对正常通过教室门进出的人员进行信息采集、甄别与记录，可在教室门口设置该功能模块，通过对一卡通的信息读取，经系统主控制器甄别后决定是否允许进入教室，并对该一卡通信息进行记录；同时，对出教室的人员也要进行刷卡信息采集与记录。

要求采用MSP430单片机+CC2520模块+一卡通读取模块设计，采用外接直流稳压电源和充电锂电池供电方式。

可实时将检测信息传送给系统主控制器，并实现对教室门出入的门锁控制。

（4）摄像头云台模块摄像头云台控制功能模块主要用来对体验室内部情况进行视频观测，可通过在体验室内部墙壁或天花板上设置摄像头云台对体验室内进行全方位扫描检测。

要求采用MSP430单片机+CC2520模块+视频无线传输模块设计，采用外接直流稳压电源和充电锂电池供电方式。

可实时将检测信息传送给系统主控制器，并可通过短信方式将信息传送给有关管理人员，系统主控制器具有对该功能模块是否启动工作的设置功能。

（5）火灾烟雾探测模块火灾烟雾探测功能模块主要用来体验室内部是否有火灾发生迹象，可通过固定在体验室内部墙壁或天花板上设置的火灾烟雾检测部件来实现。

要求可以检测出起火点和浓烟发出地点，可利用烟雾传感器和CCD器件进行监测。

要求采用MSP430单片机+CC2520模块设计，采用外接直流稳压电源和充电锂电池供电方式。

可实时将检测信息传送给系统主控制器，并可通过短信方式将信息传送给有关管理人员，系统主控制器具有对该功能模块是否启动工作的设置功能。