CN201927168U - 一种智能教室集控装置 - Google Patents

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Abstract

一种智能教室集控装置，该装置由若干个Zigbee红外转换器、Zigbee射频转换器、环境监测模块和一个集成遥控器组成，构成Zigbee网络，通过智能网关和远程访问设备，用于远程对教室设备的访问和控制，还可以根据教室环境参数自动控制教室设备的运行状态。本装置能让用户有更方便的手段高效管理教室设备，组建方便简单，配置灵活，维护方便，易于扩展，节能环保。

Description

一种智能教室集控装置
技术领域
本实用新型涉及一种多功能智能教室领域，尤其是一种基于Zigbee技术的智能教室集控装置。
背景技术
随着信息技术的发展，越来越多的教学辅助电子设备(如照明系统、教学设备、监控设备等)进入教室。教室内电子设备主要包括红外设备和射频设备，前者是指通过红外通信方式进行控制的电子设备，例如空调、投影仪、电视机、摄像头、功放机、录音机和幕布，后者是指通过射频通信方式进行控制的电子设备，包括智能开关、插座和电子窗帘。
目前，教室内电子设备主要是通过遥控器进行控制，每个设备对应一个遥控器，造成遥控器过多，会出现使用混淆、操作繁琐、遥控器丢失等麻烦。而且，这些遥控器绝大部分是采用红外通信方式，红外遥控对遥控器和设备之间的距离和角度有严格要求，且两者之间不能有阻挡物。因此，设计一个集所有设备控制功能于一体的集成控制装置成为目前迫切的需要。
近年来，已出现基于Zigbee技术的电器控制方案，采用Zigbee技术进行组网，将红外控制的电器设备进行无线互联，用于集中控制。这些方案采用预先对红外设备进行编码存储，并未涉及具有射频通信控制的电器设备；由于电器设备各种各样，其编码量大，预先存储很难包括所有电器设备；未涉及环境检测，以及针对环境参数对电器设备进行自动控制的功能。
发明内容
本实用新型的目的在于解决现有技术的不足，提供一种基于Zigbee技术的智能教室集控装置，将教室内包括红外设备和射频设备在内的所有电子设备的控制功能集成为一体，不受遥控间距和角度的限制，方便用户操作，并可根据教室当前环境自动对各设备进行联动控制，提高教室电子设备的使用效率，同时起到节能省电作用。
本实用新型的技术方案：
一种智能教室集控装置，该装置包括采用Zigbee协议通信的遥控终端和集成遥控器，所述的遥控终端将来自集成遥控器的射频控制指令转发给教室内红外设备或射频设备，并采集教室环境数据发送给集成遥控器。
本实用新型所述的遥控终端包括至少一个Zigbee红外转换器、至少一个Zigbee射频转换器和至少一个环境检测模块；Zigbee红外转换器，接收来自集成遥控器针对红外设备的射频控制指令，将其转换为红外控制指令后发送给红外设备；Zigbee射频转换器，接收来自集成遥控器针对射频设备的射频控制指令，将其进行频率转换后发送给射频设备；环境检测模块，采集教室环境数据，将其由模拟信号转换为数字信号，并发送给集成遥控器。
本实用新型所述的Zigbee红外转换器存储有红外控制指令与射频控制指令的映射关系。
本实用新型，所述的环境检测模块包含温度传感器或湿度传感器或亮度传感器或CO2传感器或上述传感器的任意组合。
本实用新型，所述的集成遥控器包括：数据处理模块、输入模块、显示模块、无线通信模块、存储模块和能量供应模块；数据处理模块，它根据教室环境参数判别教室当前所处环境模式，依据存储教室环境模式与控制指令的映射关系查询到其对应的控制指令；输入模块，用于教室内红外或射频设备的控制指令外部输入；显示模块，显示控制指令和教室环境数据；无线通信模块，它接收来自遥控终端的教室环境数据，采用射频信号向遥控终端发送控制指令；存储模块，它存储教室环境模式与控制指令的映射关系；能量供应模块，向集成遥控器内其它模块提供运行所需能量。
本实用新型，所述的集成遥控器还包括红外学习模块，它学习红外遥控设备的红外控制编码，建立红外控制指令与射频控制指令的映射关系。
本实用新型，还包括智能网关和远程访问设备，所述的智能网关与遥控终端采用Zigbee通信协议，智能网关与远程访问设备采用Zigbee通信协议以外的网络通信协议，智能网关对上述两种通信协议作转换，将所述的远程访问设备发送的控制命令转发给所述的遥控终端，将所述的遥控终端发送的教室环境数据发送给所述的远程访问设备。
本实用新型所述的智能网关与远程访问设备间采用Internet或GSM/GPRS通信协议。
本实用新型，所述的红外设备是指通过红外通信方式进行控制的电子设备，包括空调、投影仪、电视机、摄像头、功放机、录音机和幕布，所述的射频设备是指通过射频通信方式进行控制的电子设备，包括智能开关、插座、窗户和电子窗帘。
本实用新型的优点和特点体现在以下几个方面：
(1)集成化：本实用新型通过一个集成遥控器便可实现对包括空调、投影仪、电视机等红外设备和智能开关、插座等射频设备在内的所有教室电子设备独立集中控制，而且以射频方式发送命令，使得控制不受距离、角度、遮挡物限制，操作方便，控制灵敏。
(2)智能化：根据室温、光线明暗、空气质量等教室环境状态，本实用新型可以自动调节空调、窗帘、灯光等设备的运行情况，节能环保。
(3)无线化：基于Zigbee技术的智能教室集控系统采用无线方式，相对于传统的有线方式，组建方便简单，不需要布设通信电缆。而且，无线方式配置灵活、维护方便、易于扩展。本实用新型采用Zigbee网络技术，使得网络系统具有自组织、自适应的功能，可靠性更好。
(4)网络化：相对于传统教室电子设备各自孤立的状态，本实用新型中的各个遥控终端形成了网络，并且为遥控终端之间提供了高效的数据通信手段。还可以通过手机、PDA、计算机等设备远程控制。
本实用新型集控系统让用户有更方便的手段来管理教室电子设备，还可以执行场景操作，使多个设备形成联动。进一步地根据教室环境参数采集信号，不需要用户指挥也能根据不同的信号状态自动控制设备的运行，从而给用户带来最大程度的便利和高效。
附图说明
图1为本实用新型的总体结构图
图1中：1-集成遥控器，2-智能网关，3-遥控终端，4-远程访问设备。
图2为集成遥控器结构图
图3为集成遥控器学习功能运行步骤图
图4为智能网关结构图
图5为本实用新型实例的Zigbee红外转换器硬件结构图
图6为本实用新型实例的Zigbee射频转换器硬件结构图
图7为本实用新型实例的集成遥控器硬件结构图
图8为本实用新型实例的智能网关硬件结构图
具体实施方式
下面通过实施例更加详细地说明本实用新型，但以下实施例仅是说明性的，本实用新型的保护范围并不受这些实施例的限制。
如图1所示，本实用新型中有M个红外设备，N个射频设备。相对应的，存在M个Zigbee红外转换器ZiIR(i)(i＝1，K，M)和N个Zigbee射频转换器ZiRF(j)(j＝1，K，N)。本实用新型还包括环境检测模块，各Zigbee红外转换器、Zigbee射频转换器和环境检测模块EvM(k)(k＝1，K，P)构成遥控终端3，遥控终端3与集成遥控器1之间采用Zigbee协议无线通信，形成Zigbee网络。
Zigbee红外转换器设置在红外设备信号接收端附近，其作为集成遥控器与红外设备之间的命令转发者，将集成遥控器针对红外设备的射频控制指令转换为红外控制指令后发送给红外设备。红外遥控对遥控器和设备之间的距离和角度有严格要求，且两者之间不能有阻挡物。而射频遥控传输距离较远，且穿透能力强。因此，通过红外转换器无线接收射频形式的控制指令，再转换为红外控制指令，有效地消除了遥控器与红外设备的控制约束，扩展了控制区域。Zigbee红外转换器存储有对应设备的红外控制编码，当收到集成遥控器或者智能网关的控制命令后，就会查询该控制命令对应的红外控制编码，并向对应设备发出红外控制命令。
Zigbee射频转换器设置在射频设备信号接收端附近，其与红外转换器类似，同样作为集成遥控器与射频设备之间的命令转发者。不同之处在于，射频设备本身识别射频信号，但射频设备的通信频率与集成遥控器的通信频率不一定相同，因此射频转换器要起到频率转换作用。例如射频设备采用NRF905模块，工作在433MHz，而Zigbee网络通信频率为2.4GHz，则需要Zigbee射频转换器用来进行两种不同频率信号的转发。
环境监测模块为实现教室智能控制提供判断依据，其配置有温湿度、亮度、CO2等参数感应器，实时采集相应数据，对环境数据进行模数转换后发送给集成遥控器。可使用一个环境监测模块实现所有环境参数的监测，也可根据需要设计多个环境监测模模块，分别用于不同环境参数的监测。具体开发时可将环境监测模块嵌入射频转换器。
图2为集成遥控器1结构图，其包括输入模块、数据处理模块1.2、显示模块、红外模块、无线通信模块1.1、存储模块和能量供应模块1.3。输入模块用于教室内红外或射频设备的控制指令输入，可采用键盘输入、手写体输入等方式。数据处理模块1.2进行自动控制模式匹配。显示模块用于控制指令和教室环境数据的显示。无线通信模块1.1接收来自遥控终端3的教室环境数据，采用射频信号向遥控终端发送控制指令。存储模块存储红外遥控设备的红外控制编码与控制指令的映射关系，以及教室环境模式与控制指令的映射关系，能量供应模块1.3向集成遥控器内其它模块提供运行所需能量，可采用较小尺寸的碱性电池或锂电池。
集成遥控器1的控制体现在两方面：一方面是外部输入控制指令，另一方面是根据教室环境参数自动产生控制指令。
外部输入控制指令后，集成遥控器1将命令指令通过射频方式发送给对应的遥控终端3，其遥控终端将控制指令转换成红外控制编码或者射频指令，并发送给对应的教室电子设备，从而完成控制目的。
自动控制工作方式为：环境监测模块采集教室环境参数，例如温度、湿度、CO2浓度、亮度等，并发送给集成遥控器，集成遥控器将根据教室环境参数判断教室当前所处环境模式，将其对应的控制指令通过所述无线通信模块发送给遥控终端。例如，环境监测模块采集教室室内CO2浓度为800PPM，此时为低氧模式，对应的控制指令是打开空调，并设置工作模式为通风，并将窗户打开通风。此时，集成遥控器将向空调对应的遥控终端自动发送控制命令，该遥控终端将立即控制空调和窗户运行状态。
因为不同厂家不同型号的红外设备控制编码不尽相同，若将所有可能设备的红外控制编码预存，势必对存储器的容量有很高的要求。因此本实用新型在存储器预存基本所需的设备编码，另增设红外学习模块(红外模块)，在教室新增设备后，再采用该模块学习存储器中没有预存的红外设备控制编码。使用集成遥控器学习被控设备遥控器的红外控制编码，然后将编码发送到与被控设备相对应的Zigbee红外转换器。如图3所示，集成遥控器学习步骤如下：
(1)长按集成遥控器的设置键2秒钟，等学习指示灯长亮后，松开设置键，此时集成遥控器处于学习状态；
(2)将集成遥控器和被控设备遥控器的发射管对准，相隔较短距离(5cm以内)，同时按住集成遥控器中要学习的键(例如开机键)和被控设备遥控器中被学习的键(例如开机键)，持续5秒钟，集成遥控器学习指示灯闪烁表示学习成功；
(3)重复步骤(2)，学习下一个按键；
(4)学习完成，按集成遥控器的设置键，退出学习状态。
若需要远程访问和控制，还可在本实用新型基础上增加智能网关2和远程访问设备。智能网关与所述遥控终端采用Zigbee通信协议，智能网关与远程访问设备采用Zigbee通信协议以外的网络通信协议，智能网关对上述两种通信协议作转换，将远程访问设备发送的控制命令转发给所述遥控终端，将所述遥控终端发送的教室环境数据发送给远程访问设备。智能网关与远程访问设备之间可选用Internet或GSM/GPRS通信协议。
图4为智能网关2结构图，内部模块连接关系为：数据处理模块2.2和能量供应模块2.3分别与接口模块、无线通信模块2.1、TCP/IP模块、GSM/GPRS模块和存储模块相连。接口模块与计算机或者网络设备相连，采用RJ45或者USB接口方式，数据处理模块2.2控制智能网关数据的存储和处理，无线通信模块2.1对智能网关和遥控终端进行无线发送和接收数据，TCP/IP模块提供TCP/IP协议栈，兼容Intranet和Internet网络，GSM/GPRS模块提供GSM网络协议栈，实现与遥控终端无线连接，存储模块存储处理和转发过程中的通信数据，能量供应模块2.3为智能网关2提供运行所需的能量，采用POE供电或者USB供电。
Zigbee红外转换器，Zigbee射频转换器、环境检测模块、集成遥控器、智能网关构成无线多跳自组织Zigbee网络。Zigbee网络拓扑包括星型网络、树型网络和网型网络。本实用新型中，若普通教室，空间较小，Zigbee网络采用星型拓扑，集成遥控器与遥控终端直接通信，即采用单跳通信；若教室空间很大，则Zigbee网络采用树型拓扑，集成遥控器与遥控终端通信采用多跳通信方式，遥控终端既作为源节点，又作为中继节点。
下面结合附图详细说明本实用新型一实施例。
图5为Zigbee红外转换器的硬件结构的一个实例图。采用德州仪器(TI)2.4GHz射频(RF)系统单晶片解决方案CC2530，包括C51单片机内核和射频收发模块，该产品不仅支援IEEE802.15.4标准，而且还支援包括ZigBee PRO网路、ZigBee RF4CE遥控、智慧能源(SmartEnergy)、家庭与建筑自动化、环境监控以及无线医疗等一系列的延伸应用。红外模块采用SM0038红外一体化接收头，该模块非常方便，只有3个引脚：VS、GND和1个脉冲信号输出引脚OUT。电源采用AA电池，便于更换，具有通用性。
图6为Zigbee射频转换器的硬件结构的一个实例图，实例中，将环境检测模块放置于Zigbee射频转换器，使得Zigbee射频转换器既具有射频信号与Zigbee信号的转换功能，也具有环境参数采集功能。由于实例中的射频设备采用NRF905射频芯片作为无线通信芯片，所以除采用CC2530芯片，Zigbee射频转换器还包括NRF905射频芯片作为与射频设备的射频通信。为了降低能耗，采用电源管理，当系统空闲的时候，关闭液晶模块和无线收发器的电源。根据应用情况，Zigbee射频转换器分别配备温湿度感应器、光照感应器或者CO2感应器。实例中，采用DHT11数字温湿度传感器，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，包括1个电阻式感湿元件和1个NTC测温元件。具有体积小、功耗低、响应速度快、抗干扰能力强、控制简单、性价比高等优点。DHT11采用4针单排引脚封装，电路连接方便。CO2感应器采用红外CO2传感器T6004，产品小巧，结构紧凑，测量范围：0～2000ppm。使用光敏传感电路实现教室内亮度数据的采集，其门限值可通过可调电阻调节。电源采用AA电池。
图7为集成遥控器的硬件结构的一个实例图。芯片及模块分别采用CC2530芯片、SM0038红外一体化接收头、2.3寸320*240液晶屏和导电橡胶按键(电路板按键部分沉金)。数据存储模块采用AT24C256，是一款具有256K容量的E2PROM存储器。电源采用AA电池。
图8为智能网关的硬件结构的一个实例图。处理器采用Samsung S3C2440，主频400MHz，最高533Mhz。存储器采用K4S561632C-TC75，是一个具有256M容量的SDRAM。采用CS8900网络芯片，配有以太网RJ-45接口。GSM/GPRS模块采用SIM340，这是一款小体积即插即用模块中完善的四频GSM/GPRS解决方案使用工业标准界面，使得具备GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz功能的SIM340以小尺寸和低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输。网络接口包含有RJ-45接口和USB接口。智能网关采用USB供电或者POE供电。安装嵌入式Linux操作系统，其内核基于Linux 2.6.13进行裁剪而得。
ZigBee是基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。实例采用基于TI公司的ZigBee协议栈，此协议栈是免费下载使用的。
在网络中，每个节点都有一个16位短地址和一个64位的长地址。短地址用于本地网络中的设备通信，而长地址则可以与本地网络之外的其他网络进行通信。数据传送采用主从节点方式，集成遥控器和智能网关作为主节点(即协调器)，主导网络建立和网络运行的整个过程，遥控终端作为从节点。
本实例Zigbee网络的组建主要包括系统初始化、网络拓扑更新、遥控终端与集成遥控器或者智能网关通信三方面。
(1)系统初始化
系统上电以后，集成遥控器或者智能网关进行信道扫描，采用一个其他网络没有使用的空闲信道来建立一个网络。以广播的方式向上电的遥控终端发送数据帧，遥控终端收到数据帧以后，会产生一个0～256之间的随机数，这个随机数乘以系统的时延基数得到该遥控终端的时延。每个遥控终端等到时延以后向集成遥控器或者智能网关发送入网请求(此时用64位IEEE扩展地址作为节点号)，集成遥控器或者智能网关收到请求以后给遥控终端分配一个16bit的地址作为入网后的节点号，并在地址表中记录该节点的信息。若遥控终端发送请求一段时间后没有得到集成遥控器或者智能网关的回应，则再产生一个随机时延重新发送请求。集成遥控器或者智能网关采集完所有上电遥控终端信息后，则系统上电初始化完成。
(2)网络拓扑更新
ZigBee网络具有自组织功能，当网络拓扑发生变化后，集成遥控器或者智能网关应该发现并记录发生的变化，网络拓扑变化主要是遥控终端的接入和拆除引起的。
遥控终端的接入：装置运行中，新上电的遥控终端向集成遥控器或者智能网关发送入网请求，集成遥控器或者智能网关收到请求后首先检查地址表中是否记录了该遥控终端，若没有则给遥控终端分配一个16bit的终端号，并在地址表中记录该遥控终端的信息。如果遥控终端发送请求一段时间后没有得到回应，则等待随机时延后再次发送请求。这样就完成了遥控终端的接入。
遥控终端的拆除：遥控终端的拆除可能有两种情况，一是遥控终端请求拆除，集成遥控器或者智能网关收到请求后，收回终端号并对拆除请求进行确认；二是集成遥控器或者智能网关三次与一个遥控终端请求通信失败后，则将该节点拆除，如果该遥控终端两次向集成遥控器或者智能网关请求通信失败，该遥控终端重新发送入网请求，并被分配一个新的终端号。
(3)遥控终端与集成遥控器或者智能网关通信
本实例中Zigbee网络采用星型网络结构，遥控终端只能与集成遥控器或者智能网关通信，遥控终端之间不能通信。集成遥控器或者智能网关对遥控终端的操作包括信息采集、终端操作和终端重启等。信息采集就是指采集Zigbee射频转换器上传的信息，如温湿度等；终端操作主要指对终端设备的控制，例如幕布升降控制，空调和投影仪的开关等。终端重启指当集成遥控器或者智能网关发现遥控终端上传的数据明显错误时，关闭该遥控终端并重新启动。
在装置运行中，本实例注意终端设备电量的监测，遥控终端电量过低可能会发出错误信息。因此，集成遥控器或者智能网关必须对遥控终端的电量进行监测，当发现遥控终端电量较低时，拆除该遥控终端此外，为了降低遥控终端的功耗，当遥控终端没有数据通信时，遥控终端处于等待或休眠低功耗模式，集成遥控器或者智能网关记录该遥控终端的状态，当该遥控终端有数据通信时再将其唤醒。

Claims (8)

1.一种智能教室集控装置，其特征在于，该装置包括采用Zigbee协议通信的遥控终端(3)和集成遥控器(1)，所述的遥控终端将来自集成遥控器的射频控制指令转发给教室内红外设备或射频设备，并采集教室环境数据发送给集成遥控器。
2.根据权利要求1所述的智能教室集控装置，其特征在于，所述的遥控终端(3)包括至少一个Zigbee红外转换器、至少一个Zigbee射频转换器和至少一个环境检测模块；
Zigbee红外转换器，接收来自集成遥控器针对红外设备的射频控制指令，将其转换为红外控制指令后发送给红外设备；
Zigbee射频转换器，接收来自集成遥控器针对射频设备的射频控制指令，将其进行频率转换后发送给射频设备；
环境检测模块，采集教室环境数据，将其由模拟信号转换为数字信号，并发送给集成遥控器。
3.根据权利要求2所述的智能教室集控装置，其特征在于，所述的环境检测模块包含温度传感器或湿度传感器或亮度传感器或CO2传感器或上述传感器的任意组合。
4.根据权利要求1所述的智能教室集控装置，其特征在于，所述的集成遥控器(1)包括：数据处理模块、输入模块、显示模块、无线通信模块、存储模块和能量供应模块。
5.根据权利要求4所述的智能教室集控装置，其特征在于，所述的集成遥控器(1)还包括红外学习模块。
6.根据权利要求1至5任一项所述的智能教室集控装置，其特征在于，还包括智能网关(2)和远程访问设备(4)。
7.根据权利要求6所述的智能教室集控装置，其特征在于，所述的智能网关与远程访问设备间采用Internet或GSM/GPRS通信协议。
8.根据权利要求1至5任一项所述的智能教室集控装置，其特征在于，所述的红外设备是指通过红外通信方式进行控制的电子设备，包括空调、投影仪、电视机、摄像头、功放机、录音机和幕布，所述的射频设备是指通过射频通信方式进行控制的电子设备，包括智能开关、插座、窗户和电子窗帘。 
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