基于Zigbee的无线智慧校园网设计

摘 要：本文在研究Zigbee技术和无线智慧校园国内外建设情况的基础上，结合我国无线智慧校园实际应用需求，提出了一套基于Zigbee的无线智慧校园解决方案。

关键词：Zigbee；web；校园无线网络；智慧校园

中图分类号：TP212.9；TN929.5

随着“数字化校园”建设进展的推进，各个高校都已经基本建设成了基于光纤为主干线路的校园有线网。基于物联网的无线智慧校园网的建设就是在校园已有的有线网络的基础框架上，进一步部署校园无线传感器网络和移动通信网，从而实现校园教学楼、办公楼、学生宿舍、教职工宿舍和其他公共场所的无线全覆盖。无线智慧校园=校园+物联网+云计算+智慧化设备，它通过物联网来实现更加合理和人性化的服务和管理。智慧校园通过物联网实现人与人之间、人与物之间、物与物之间、人与信息资源之间以及信息资源与信息资源之间的通信。它的最高阶段就是校园服务和管理各部分都是由物与物之间智慧化地完成，无需人工干预，从而达到“智慧”状态，向广大师生提供更加人性化的服务。

近几年来，互联网技术与移动通信技术的不断深入发展促使了新一代信息通信技术――物联网的形成与发展。随着物联网技术的研究与应用，利用物联网可以解决传统意义上互联网没有考虑的与物件互接的问题。就此，这将有力地推动校园信息化向下一个阶段――“无线智慧校园”的发展，为高校数字化资源与信息化系统的高效整合提供更有利的条件，更好地为广大师生的工作、学习和日常生活服务。Zigbee技术是其中很重要的一种。

Zigbee技术作为一种新兴的远距离、低复杂度、低功耗、低数据传输率、可愈的双向无线通信技术完全适用于无线校园系统，成为连接各个传感器单元的络技术，其层次化的结构和多样化的功能能够很好地解决物联网中无线传感器节点间网络连接的问题，因此，zigbee技术能够很好地应用于智慧校园网的建设当中，成为连接各个传感器节点的网络技术。

1 关键技术――Zigbee

1.1 概念及特点

Zigbee技术是由Zigbee联盟提出的一种基于IEEE802.15.4标准的短距离、低速率、低功耗的无线通信技术[1]。

由于其层次化的结构和多样化的功能能够很好地解决物联网中无线传感器节点间网络连接的问题，因此，Zigbee技术能够很好地应用于智慧校园网的建设当中，成为连接各个传感器节点的网络技术。其主要具有以下特点[2]：（1）低功耗，可用电池供电；（2）低但可靠的数据传输率；（3）可同时支持多节点的连接；（4）支持动态节点的网络；（5）支持自组织性网络；（6）网络覆盖范围大。

1.2 体系结构

Zigbee网络自上而下分为应用层、网络层、媒体访问控制层和物理层，其体系结构图如图1所示[3]。（1）应用层：该层由应用框架、Zigbee设备对象和应用支持子层组成，其主要负责各个应用对象的运行。（2）网络层：该层主要提供网络管理、路由管理、网络信息转发和网络安全管理等功能，从而形成自组网机制。（3）媒体访问控制层：该层主要为高层提供数据编址、CSMA/CA访问机制、信标等功能支持。（4）物理层：该层主要负责WPAN设备通讯频段的分配，从而避免干扰的产生。

图1 Zigbee网络体系结构图

1.3 网状Zigbee网络

该Zigbee网的组建方式与树型Zigbee网类似，不同的是其各层路由器之间也进行了连接[4]，其结构图如图2所示。

图2 网状Zigbee网拓扑结构图

该网状Zigbee网是基于树型Zigbee网改进的，其具有网络自组织功能，即源节点与终节点之间的通信路径并不唯一，当其中某台路由器发生故障时，该网状Zigbee网络能够启用网络自组织功能寻找另一条替代通信路径[5]。本文采用的技术就是网状Zigbee网。

2 具体设计

基于物联网的智慧校园网主要有以下三种网络组建而成：

（1）校园有线网。该网络是指目前各个高校已经建成的校园主干网，在整个智慧校园网内，该网络主要作为校园主干线路网络，承担校园主干线路的大数据量通信。目前主流的高速网络技术主要有ATM技术、光纤分布式接口（FDDI）、千兆以太网（Gigabit Ethernet）和快速以太网[6]。鉴于快速以太网技术能够有效地支持3、4、5类双绞线和光纤的连接，以及有效地利用各个高校现有的设备，本基于物联网的智慧校园设计方案网仍选用快速以太网作为校园主干网络技术。

（2）校园无线传感器网（WSN）。在整个智慧校园网内，该网络主要作为校园各个局部区域（例如：宿舍楼、办公楼、图书馆、教学楼、实验楼等）的网络，承担着该局部区域无线传感器之间的通信。鉴于zigbee技术是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据传输率、高可靠性、可愈的双向无线通信技术和其层次化的结构和多样化的功能能够很好地解决物联网中无线传感器节点间网络连接的问题，因此，本基于物联网的智慧校园网设计选用其作为校园无线传感器网络的核心支撑技术[7～9]。

（3）移动通信网。在整个智慧校园网内，该网络主要承担校园手机短信息的收发。该网络的建设工作主要由智慧校园合作方――移动通信服务提供商负责。

2.1 网络拓扑结构选择

（1）整个无线智慧校园网拓扑结构选择

由于各个校园的规模和建筑物地理分布的不同，其校园网具体搭建方式也各不相同，但其整个校园网的拓扑结构设计可大致相同。

本基于物联网的智慧校园网采用“物理上总线型，逻辑上星型”拓扑结构，如图3所示。

图3 基于物联网的智慧校园网拓扑结构图

（2）基于Zigbee的校园无线传感器网拓扑结构选择

由上一小节的论述可知，Zigbee支持星型、树型和网状三种拓扑结构。其中，星型Zigbee网可看作为简化版的树型Zigbee网，两者都具有逻辑层次鲜明的优点，但同时也存在“整个网络的性能受协调中心的制约、通信路径唯一、通信不可靠”的缺点；网状Zigbee网具有网络自组织能力，具有灵活、通信可靠的优点。

因此，我们在进行智慧校园无线传感器网建设时，可依据各局部区域的实际情况（所需布置传感器节点数、覆盖范围、数据通信量、数据传输速率等）部署不同拓扑结构的无线传感器网络。

下面举一个利用基于Zigbee校园无线传感器网实现学生上课考勤统计的应用事例。图4为该教室设备分布示意图。

图4 教室设备分布示意图

其中，Zigbee协调中心布置于教室中心，每一个携带配置RFID-SIM卡手机的学生作为Zigbee终端设备。考虑到教室组网这个特殊的环境，包括每一个课堂的学生和教师人数较多，使得Zigbee终端分布密集。因此，在此种情况如果部设树型Zigbee网的话，网络数据的传输性能会受到一定的影响，所以这里最好部设网状zigbee网。

通过上面的学生上课考勤统计应用例子，我们可以发现，在终端节点较多的情况下，网状Zigbee网不仅比树型Zigbee网和星型Zigbee网更为灵活和可靠，而且在网络传输更为高效。因此，基于校园终端设备数量较多这一实际情况出发，我们在进行校园无线传感器网组网时，如果不是网络结构较简单，或对终端的数据传输有严格的中继和管理要求时，我们应优先考虑网状拓扑。

2.2 三网融合设计

本智慧校园网采用如图5所示的方案进行校园有线网、基于Zigbee的校园无线传感器网和移动通信网的融合，即通过Zigbee网关设备的使用实现三者的融合。

图5 三网融合示意图

其中，通过Zigbee网关系统总线内置GSM模块来实现与移动通信网的连接；通过提供以太网接口以有线的方式或内置无线上网卡（支持IEEE802.11 a/b/g①）以建立WLAN②的方式来实现与校园有线网的连接。另外，校园有线网通过总的学校网络网关实现与Internet的连接。

3 结束语

本文在研究Zigbee技术和无线智慧校园国内外建设情况的基础上，结合我国无线智慧校园实际应用需求，提出了一套基于Zigbee的无线智慧校园解决方案，旨在解决目前数字校园所存在的校内信息资源整合与共享、自动身份识别、信息化保障机制和安全保障体系的搭建、信息资源及时采集与更新和校内各信息系统集成等难题，为即将实施或正在实施无线智慧校园建设的各大院校提供参考和借鉴。

参考文献：

[1]王素红.基于ZigBee的无线传感器网络设计与实现[J].电脑知识与技术，2008（33）.

[2]陈东云.为加快我省基础教育信息化标准建设提供优质服务[J].新教育，2011（02）.

[3]马荣飞.统一身份认证系统的研究与实现[J].计算机工程与科学，2009（02）.

[4]郭楚杰.数字化校园中统一身份认证平台的设计[J].湖南工业大学学报，2010（03）.

[5]赵战生.信息安全管理标准发展研究[J].信息网络安全，2011（01）.

[6]邵开丽，周小佳，闫斌.无线传感器网络数据融合技术研究[J].计算机与现代化，2011（02）.

[7]智慧的地球――IBM 动态基础架构白书.http：///cn/express/mig ratetoibm/dynamicinfrastructure/download/dynamicinfrastructure_whitepaper_0903.pdf.

[8]International Telecommunication Union.ITU Internet Report 2005：The Internet of Things.http：//www.itu.int/pub/S-POL-IR.IT-2005/e.Geneva：ITU，2005.

[9]European Research Projects on the Internet of Things （CERP-IoT） Strategic Research Agenda（SRA）. Internet of things strategic research roadmap[EB/OL][2010-05-12]http：//ec.europa.eu/information_society/policy/rfid/documents/ in_cerp. pdf.

注：

①802.11是IEEE最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中，用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据存取，速率最高只能达到2Mbps。

②无线局域网络（Wireless Local Area Networks；WLAN）是一种便利的数据传输系统，它是利用射频（Radio Frequency；RF）的技术取代旧式碍手碍脚的双绞铜线（Coaxial）所构成的局域网络。

作者简介：钟志文（1976-），男，广东徐闻县人，计算机讲师，应用电子技术工程师，大学学历，研究方向：计算机应用。

作者单位：广东省水产技工学校，广州 510320