智能化学生宿舍查寝管理系统研究

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摘要:本文基于ZigBee技术设计智能化学生宿舍查寝管理系统，首先详细介绍ZigBee技术及其结构，其次设计系统整体框架，再次进行系统硬件与软件设计，最后规定明确智能化学生宿舍查寝系统权限。基于ZigBee无线网络技术传输数据，利用路由器与协调器链路汇总数据信息于网络控制中心，以实现集中化管理与智能化分析，数据处理之后传输于服务器，管理人员可通过PC机实时查询学生就寝情况，还可通过网络、手机APP随时查询，同时在学生宿舍就寝异常时可及时发出告警信号，因此，此系统值得推广应用于高校学生管理工作中。

关键词:ZigBee技术；智能化；学生宿舍；查寝

1引言

在高校扩招规模逐渐扩大趋势下，在校学生数量不断增多，宿舍安全与管理开始备受关注。传统宿舍查寝管理模式中存在既定缺陷，即管理人员数量偏少，难以全面监管，不仅无法保证寝室管理工作正常开展，还会给管理人员造成一定工作压力。据此，本文基于ZigBee技术设计了智能化学生宿舍查寝管理系统[1]。

2ZigBee技术与结构

ZigBee技术速率较低，可短距离实现网络传输，延续了低功耗局域网协议特性，属于近距离无线通讯技术。通信协议栈基于半开源协议栈Zstack协议栈，同时嵌入osal操作系统。ZigBee网络结构包含三种逻辑设备类型，即终端节点、路由器、协调器。ZigBee网络结构具体如图1所示。由图可知，黑色圆代表协调器，拥有网络最高权限，可保持网络设备之间有效通信，还可执行相关动作，设计安全中心，是网络维护者。深灰色圆代表路由器，可转换其他节点信息。浅灰色圆代表终端设备，执行数据采集传输设备，不能转发其他节点信息[2]。

3系统整体框架设计

学生宿舍查寝管理系统与ZigBee技术网络之间通信，ZigBee终端传感器采集学生宿舍数据信息，基于无线网络网关传输于上位机，宿舍查寝管理系统可查询宿舍具体情况，可通过上位机远程控制学生宿舍[3]。系统整体框架具体如图2所示。

4系统硬件设计

4.1ZigBee节点。学生宿舍查寝管理系统设计基于学生宿舍为单位，寝室内布置路由器及6个左右终端节点，根据床位具体明确节点，各床位上分别安装ZigBee终端节点，整个楼宇安装一个协调器，全部节点基于ZigBee通信协议构建，无线网络的ZigBee节点设备所发挥作用与功能各不相同，硬件结构却基本类似。终端模块通过传感器采集学生就寝信息，数据处理分析之后，与路由器通信，其节点构成无线数据传输链路。经过协调器集中处理之后，以串口为辅助传输于PC机，以采集监控原始数据，管理中心智能处理原始数据之后，传输于服务器，以供用户远程查看。4.2终端节点。终端节点设计时，为实现数据采集、处理、通信、储存多元化功能，ZigBee无线通信模块基于灵活处理能力最大程度程度上节约电能资源，为保证系统性能良好，选用模块化结构传感器。终端节点硬件结构具体如图3所示。为了持续实时跟踪查询学生就寝状况，需精确化采集寝室床位人体状态信息，因此，终端节点通过定点、定距方式安装，以确保传感器灵活性与方向性，强化人体状态识别精确度，防止信号干扰。4.3节点电源。系统稳定性与可靠性十分关键，对此ZigBee无线网络的协调器与路由器可选用3.6V外接直流稳压电源进行供电，终端模块需安装于床位，处于安全性考虑，利用干电池，以控制电路方式为高耗能器件电路提供电能，适度降低终端节点功耗[4]。

5系统软件设计

基于ZigBee技术的智能化学生宿舍查寝管理系统软件结构具体如图4所示。系统软件全部节点都选用基于Zig-Bee协议栈ZStack-CC2530-2.5.1a构建的平台，ZStack构建小型操作系统，利用C语言编制单片机操作系统，以任务形式搭建网络，通过任务函数监测传感器信号[5]。5.1协调器流程。明确外接电源供电处于正常状态，启动协调器，初始化芯片硬件，调用函数初始化协议，通过网络传输通道等构件无线传输网络，指示灯保持闪烁，代表ZigBee无线网络构建完成，开始无线监测。任务轮询程序扫描串口函数，在串口传输信息时，辨别信息具体属性，即控制监测指令、数据接收指令。如果来源于PC机端传输的控制监测指令，协调器可基于路由器传输于终端，推进终端节点运转。如果来源于终端设备或者路由器传输的数据接收指令，协调器解析数据信息，明确信息属性，若是数据接收指令，提取信息数据，数据分析处理之后，利用串口传输于PC机。5.2终端模块软件。ZigBee节点接收协调器、路由器的控制监测指令，即初始化系统，并恢复功耗器件电路供电，开始采集信号。8051单片机读取传感器编程，基于传感器接口周期性监测人体红外信号数据，床位有人状态输出为1，无人状态输出为0，在协议栈代码中添加监测信号，以点播方式通过天线传输数据到协调器、路由器，终端模块再次休眠，等待接收再次监测指令，采集并传输终端数据。5.3管理中心软件。热释电红外传感器节点采集数据经过路由集中于协调器，基于串口传输于管理中心PC机。PC机数据分析程序根据数据信息加以分析处理，其中部分信息通过PC机与监控中心屏幕得以展示，为管理人员快速获取宿舍查寝信息提供便利，并提醒未采集到数据信息的床位。而其他信息则保存于服务器，以供管理人员利用PC机与手机APP远程查询、管理。远程监控是在学生缺课时，可启动系统查询学生状态，扩大系统使用率与功能性[6]。

6查寝管理系统权限设定

基于ZigBee技术的智能化学生宿舍查寝管理系统控制主体包括三者，即寝室自身、学生用户、宿管人员。为保证寝室方便管理，系统设计时，需明确配置主体相应权限。寝室自身在学生用户与宿管人员授权下，可自我调节控制。学生用户与宿管人员取消授权时，寝室自身便自行关闭自我调节控制，而学生用户与宿管人员便掌握了寝室控制权，但是宿管人员权限处于最高状态。通常情况下，宿管人员默认授权于学生用户，在学生宿舍查寝状态异常时，可禁止学生用户控制权[7]。具体权限设定如图5所示。7结束语综上所述，本文设计了基于ZigBee技术的智能化学生宿舍查寝管理系统。此系统设计简单，设备安装便捷，组网灵活，以休眠与唤醒两种工作模式降低终端节点功耗，以助于后续系统维护与管理。系统基于ZigBee无线网络技术传输数据，利用路由器与协调器链路汇总数据信息于网络控制中心，以实现集中化管理与智能化分析，数据处理之后传输于服务器，管理人员可通过PC机实时查询学生就寝情况，还可通过网络、手机APP随时查询，同时在学生宿舍就寝异常时可及时发出告警信号，应用76前景与推广价值良好，值得大力推广应用于高校学生管理工作。

作者:刘幸兴 刘瑜兴