吳錦炊

摘要：校園教室里目前都配有燈、風(fēng)扇、空調(diào)、電腦、投影儀等設(shè)備，但因為部分人為或外界因素的影響，使教室內(nèi)的電器設(shè)備存在較為嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和安全隱患。同時教室內(nèi)的電器設(shè)備沒有得到統(tǒng)一管理，教室管理員不能及時了解到設(shè)備狀態(tài)，當(dāng)教室內(nèi)有異常情況時，不能夠?qū)υO(shè)備做出及時的處理，教室管理員需要逐一排查，也大大增加了管理員的日常工作量。針對以上存在的問題，研究設(shè)計一套智能教室管理平臺是十分必要的，能夠?qū)崿F(xiàn)對校園教室電器設(shè)備的智能化、高效化、統(tǒng)一化管理。智能教室管理平臺能夠?qū)淌覂?nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實時采集，也可實現(xiàn)對教室內(nèi)各種電器設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，同時還具有人數(shù)統(tǒng)計、條件設(shè)定以及預(yù)設(shè)模式切換（夜間模式、節(jié)能模式、安防模式）等功能，解決了當(dāng)前教室存在的資源浪費(fèi)以及電器設(shè)備管理不統(tǒng)一等問題，可遠(yuǎn)程查看每一間教室的實時動態(tài)，實現(xiàn)了對教室內(nèi)電器設(shè)備的高效、統(tǒng)一、智能化的管理。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能教室；ZigBee；RFID

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）13-0238-03

1概述

借助于局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)等通信手段，連接人、物、機(jī)器、傳感器、控制器等，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化，將人與物或物與物緊密得聯(lián)系在一起，我們稱之為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，它是當(dāng)前科技信息化發(fā)展過程中的新型產(chǎn)物，它能夠使我們的生活更加便捷、智能、安全。物聯(lián)網(wǎng)目前已廣泛運(yùn)用在我們的生活中，例如智能家居、智能停車系統(tǒng)、智能遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能蔬菜大棚等等。

智慧校園，是將校園中的生活、學(xué)習(xí)、工作等相關(guān)的資源聯(lián)系在一起，實現(xiàn)管理和運(yùn)用上的智能化，包含了教學(xué)資源、教學(xué)設(shè)備、學(xué)校資產(chǎn)、教務(wù)管理等等聯(lián)系起來，提高工作效率，提升教學(xué)質(zhì)量，簡化教學(xué)管理、豐富校園生活。在這樣的一個安全、穩(wěn)定、環(huán)保、節(jié)能的智慧型校園，就依賴于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

在校園中，固定資產(chǎn)的管理需要耗費(fèi)一定的人力，人力資源的節(jié)省也是一個重要的課題，那么如何讓校園管理者能更高效地管理校園資源，尤其是針對校園內(nèi)作為學(xué)生主要學(xué)習(xí)的空間（教室）的管理工作，建立一套高效的管理系統(tǒng)，這就需要使用物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)知識來完成。本文主要針對“智慧校園”中的“節(jié)能”與“安全”這兩個概念出發(fā)，設(shè)計一套智能教室管理系統(tǒng)，使校園資產(chǎn)能得到及時的管理，讓校園管理更加安全與高效，解決了現(xiàn)在校園內(nèi)只管‘人，不管‘物的矛盾，填補(bǔ)了校園管理的空白。

2問題描述分析

2.1傳統(tǒng)教室存在的問題

面對照明燈節(jié)能的問題，人們可能首先想到的是更換節(jié)能燈泡，就可以節(jié)省用電，可是再考慮到，針對學(xué)校這樣的一個群體，如果將所有的普通燈泡，更換為節(jié)能燈泡，在成本上，也是個不小的數(shù)目。對于目前國內(nèi)大多數(shù)學(xué)校而言，大量更換傳統(tǒng)燈泡是無法實現(xiàn)的。那么我們就想到是否可以考慮通過設(shè)計一種軟件，可以根據(jù)實際的環(huán)境，智能地遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)開關(guān)。

我們根據(jù)學(xué)校教室的使用情況，歸納以下兩點問題：

學(xué)生離開教室時，或因為外界光線較強(qiáng)忽視了教室內(nèi)燈已開啟，或因為忘記等情況，造成了教室電器設(shè)備的嚴(yán)重浪費(fèi)，教室內(nèi)的燈光不能得到合理的使用，教室風(fēng)扇或空調(diào)在無人的情況下無效運(yùn)行。

學(xué)校有嘗試安排電教中心值班老師負(fù)責(zé)管理，但教師不能及時了解個教室的實際情況，需要定時對教室進(jìn)行逐一檢查，仍不能達(dá)到如期的理想效果。

2.2擬解決思路

針對以上問題，在設(shè)計時，可以考慮以下幾點方法：

利用采集傳感器設(shè)備，例如光照度傳感器，對教室內(nèi)光照度實時檢測，根據(jù)光照強(qiáng)度的不同，可以自動調(diào)控教室內(nèi)的燈光或窗簾等設(shè)備。或者利用溫度傳感器，檢測教室內(nèi)的溫度，可自動調(diào)節(jié)教室內(nèi)的風(fēng)扇或空調(diào)等電器設(shè)備。使用這類的傳感器設(shè)備和電控設(shè)備，在整個系統(tǒng)的搭建上，更為靈活，組建的成本也較低。

教室內(nèi)的探測的學(xué)生人數(shù)信息，可以作為電器設(shè)備智能調(diào)節(jié)的判斷依據(jù)。若檢測到教室沒人，則可自動關(guān)閉教室內(nèi)的電器設(shè)備；若教室內(nèi)人數(shù)不到三分之一，那么調(diào)節(jié)教室內(nèi)光照或者風(fēng)扇等相應(yīng)電器設(shè)備。用于探測教室內(nèi)人員信息的設(shè)備，可以針對中學(xué)生隨身佩戴校卡這一特點，充分運(yùn)用RFID技術(shù)達(dá)到所需效果。

傳統(tǒng)的教室采用人工管理，由班主任或者制定學(xué)生管理教室及多媒體鑰匙，學(xué)校電教管理員在下班前做最后的逐一檢查，有時候通常是交由教師或?qū)W生管理，沒有統(tǒng)一規(guī)范，學(xué)生也常常會出現(xiàn)忘記檢查的情況。對于教室的設(shè)備，還使用紙張登記或者電子表格登記，而沒有一個專門的系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備的登記、維護(hù)、保修等管理。以集美輕工業(yè)學(xué)校為例，學(xué)校信息中心下設(shè)的電教中心負(fù)責(zé)教室的多媒體設(shè)備管理，當(dāng)遇到設(shè)備出現(xiàn)故障，通常需要一定的檢測時間，而且不能及時知道設(shè)備故障情況，不能實現(xiàn)全天候的24小時監(jiān)控。當(dāng)電教管理人員在其他的教學(xué)樓檢測設(shè)備，而另一棟樓的教室就需要等他在場才可進(jìn)行處理，不能通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行及時解決。而教室的燈光、風(fēng)扇、窗簾、空調(diào)等設(shè)備，則由學(xué)生管理，但是缺常常有忘記關(guān)閉的現(xiàn)象，造成了極大的資源浪費(fèi)。

相比之前方法，智能教室在教室管理上，工作量大幅度降低，每一間教室可遠(yuǎn)程實時動態(tài)查看。當(dāng)傳感器設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)閥值時，能夠?qū)ο鄳?yīng)的設(shè)備作出及時的響應(yīng)。當(dāng)教室管理人員遠(yuǎn)離故障區(qū)域時，也可通過手機(jī)或iPad進(jìn)行操作，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程管理。學(xué)生考勤也可通過刷卡或臉譜考勤實現(xiàn)，當(dāng)學(xué)生操作教室設(shè)備時，會對學(xué)生的操作時間和動作進(jìn)行記錄，實現(xiàn)了教室設(shè)備的安全監(jiān)控。

3智能教室管理平臺設(shè)計

3.1系統(tǒng)整體設(shè)計

本文中設(shè)計的智能教室管理系統(tǒng)，主要使用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)，每一個ZigBee節(jié)點將傳感器的數(shù)據(jù)上傳到ZigBee協(xié)調(diào)器上，例如溫濕度、光照度、煙霧、人體感應(yīng)等，以及RFID數(shù)據(jù)采集（班級人數(shù)采集），同時還可以通過主協(xié)調(diào)器對ZigBee節(jié)點發(fā)出指令，對電控器件進(jìn)行控制，例如燈、風(fēng)扇、空調(diào)、窗簾等。ZigBee協(xié)調(diào)器和節(jié)點，都有一個無線通信模塊，這個通信模塊能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一標(biāo)識符的設(shè)置，通過協(xié)調(diào)器和節(jié)點板上的通信模塊，實現(xiàn)兩者之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，再通過串口與中控管理平臺和終端嵌入式平臺相連接，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的對接。在系統(tǒng)中通過監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)，適當(dāng)?shù)亻_啟或斷開照明燈和風(fēng)扇，克服了傳統(tǒng)照明燈或風(fēng)扇使用不當(dāng)而造成電能的嚴(yán)重浪費(fèi)的問題，實現(xiàn)智能化管理，較為靈活，并無需大規(guī)格布線。

通過以上方式設(shè)計的系統(tǒng)，對于整體網(wǎng)絡(luò)的吞吐量要求并不高，在ZigBee協(xié)調(diào)器和節(jié)點板工作時，也可使用電池供電，也可以使用5V電壓供電，不需要消耗太多的電能，同時在教室里，可以根據(jù)需要自定義安放，方便快捷，整個系統(tǒng)的設(shè)計成本上大大降低。下圖為中控管理平臺與終端嵌入式平臺和協(xié)調(diào)器與子節(jié)點的連接示意圖，如圖l所示。

智能教室管理平臺主要完成對多個教室的遠(yuǎn)程管理，對于單個教室而言，能夠?qū)淌覂?nèi)的所有電控設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，同時實時收集教室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，同時還可以對教室當(dāng)前的模式進(jìn)行切換，例如：夜間模式、節(jié)能模式、安防模式的，實現(xiàn)教室管理員對所有教室的統(tǒng)一管理操作。

3.2軟件功能模塊設(shè)計

現(xiàn)有的教室電器設(shè)備（燈、風(fēng)扇、空調(diào)等）一般沒有一個智能化的管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，出現(xiàn)教師內(nèi)的燈忘記關(guān)閉，或者人長時間不在房間的情況下，空調(diào)卻長時間超負(fù)荷運(yùn)行等問題。在上一章的的系統(tǒng)硬件設(shè)計中，通過在教室內(nèi)加裝溫濕度傳感器、光照傳感器、人體紅外檢測設(shè)備等，從而達(dá)到智能控制室內(nèi)電器設(shè)備的效果，那么控制端功能的實現(xiàn)就尤為重要。所以我們需要根據(jù)校園存在的問題，設(shè)計出適合的中控管理平臺，實現(xiàn)對遠(yuǎn)程教室內(nèi)設(shè)備的智能化高效管理。

在智能教室中控管理平臺中，管理員可通過終端PC機(jī)，對校園所有教室進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理，實現(xiàn)對多個教室進(jìn)行實時監(jiān)控。所以本系統(tǒng)中的中控管理平臺主要使用C#語言進(jìn)行模塊化的應(yīng)用層面程序的編程，實現(xiàn)對教室內(nèi)的電控設(shè)備（如燈光、窗簾、風(fēng)扇、空調(diào)、投影儀等）的智能化管理。

以節(jié)能和安全為設(shè)計出發(fā)點，本系統(tǒng)的軟件功能設(shè)計主要考慮實現(xiàn)教室內(nèi)電器設(shè)備的智能調(diào)節(jié)，例如燈光可以通過安裝在室內(nèi)的光照度傳感器進(jìn)行控制，當(dāng)光照度達(dá)到設(shè)定的閥值時可以智能控制室內(nèi)燈的亮滅，或自動開關(guān)窗簾。

基于實際情況，在智能教室管理系統(tǒng)的功能上，主要設(shè)計實現(xiàn)四個核心模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、設(shè)備控制模塊、人數(shù)統(tǒng)計模塊、模塊切換模塊、條件設(shè)定模塊，如圖2所示。

1）數(shù)據(jù)采集模塊

在智能教室管理系統(tǒng)中，對于教室環(huán)境的環(huán)境監(jiān)測是最為重要的環(huán)節(jié)，檢測的數(shù)據(jù)是整個系統(tǒng)管理的基礎(chǔ)，可以讓教室管理人員直觀地看到當(dāng)前教室環(huán)境的實時參數(shù)，也可以對歷史參數(shù)進(jìn)行分析，分析出條件閥值，為后期與電控設(shè)備的聯(lián)動控制做出參考值，使教室管理更智能化，更好地替代傳統(tǒng)教室管理。

智能教室中控管理平臺能夠?qū)崟r采集教室內(nèi)溫度、濕度和光照度，實現(xiàn)煙霧探測，在今后的擴(kuò)展功能上還可增加PM2.5的探測。整個系統(tǒng)通過傳感控制節(jié)點將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端，并以直觀方式顯示給管理員。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時，還可利用控制軟件實現(xiàn)對教室設(shè)備（溫、光、氣等）的自動控制。

采集數(shù)據(jù)是本系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的部分，溫濕度、光照度、煙霧、人體紅外等都是管理系統(tǒng)中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。平臺的模塊設(shè)計中，條件設(shè)定、模式切換等模塊功能，都是以實時的監(jiān)控數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行設(shè)備控制的。

例如：當(dāng)系統(tǒng)能夠采集到教室光照傳感器的數(shù)據(jù)時，程序會根據(jù)條件設(shè)定的光照值進(jìn)行比較判斷，從而來控制窗簾的自動開或關(guān)，使學(xué)生避免受到外界強(qiáng)光的照射。同時，系統(tǒng)也可根據(jù)采集到的光照數(shù)據(jù)，對教室內(nèi)的燈光進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了資源的節(jié)能減排。

當(dāng)溫濕度傳感器檢測到室內(nèi)的溫度與濕度時，系統(tǒng)通過預(yù)設(shè)條件的判斷，來實現(xiàn)對教室內(nèi)設(shè)備的自動開關(guān)或調(diào)節(jié)，例如，當(dāng)室內(nèi)溫度值高于預(yù)設(shè)的限定最高溫度值時，自動開啟風(fēng)扇或空調(diào)。

2）設(shè)備控制模塊

在系統(tǒng)中，設(shè)備控制模塊能實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，教室管理員只需要在電腦面前，即可對教室內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，可以根據(jù)實際情況，及時地對教室設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程開啟或關(guān)閉，例如電腦、投影儀、日光燈、窗簾、風(fēng)扇、空調(diào)等等，避免了學(xué)生離開教室忘記關(guān)閉設(shè)備所造成的電能浪費(fèi)。

3）人數(shù)統(tǒng)計模塊

考慮到在中學(xué)校園中，學(xué)生要求隨身佩戴?？?，所以系統(tǒng)在硬件設(shè)計中，在教室前后門各安裝一個高頻射頻讀卡器，對進(jìn)出教室的人員進(jìn)行實時掃描。當(dāng)有人進(jìn)入教室時，系統(tǒng)自動計數(shù)，根據(jù)學(xué)生的進(jìn)入與離開，不斷累加或減少，這樣就能實時地計算出在教室中的人數(shù)，從而通過聯(lián)動設(shè)定，智能地調(diào)節(jié)教室內(nèi)的燈光、風(fēng)扇等電器設(shè)備。

4）模式切換模塊

預(yù)設(shè)的模式主要分為夜間模式、節(jié)能模式、安防模式。

夜間模式：夜間模式是指學(xué)生的晚自習(xí)時段，對這個時段主要考慮學(xué)生需要在一個舒適的環(huán)境下學(xué)習(xí)，所以我們主要考慮到對環(huán)境溫度、濕度等參數(shù)信息進(jìn)行收集，智能地調(diào)節(jié)教室內(nèi)的風(fēng)扇、空調(diào)等設(shè)備。

節(jié)能模式：節(jié)能模式主要通過白天對教室環(huán)境的實時監(jiān)測，通過收集的參數(shù)信息，對室內(nèi)的電器設(shè)備進(jìn)行及時的調(diào)節(jié)，以起到節(jié)約能源的效果。例如，當(dāng)檢測到室內(nèi)光照度達(dá)到一定閥值，就將教室內(nèi)的日光燈關(guān)閉，這樣就解決了第一章所提到的，由于室內(nèi)光線太強(qiáng)，學(xué)生用無法及時判斷是否開燈的問題。又例如，教室內(nèi)學(xué)生較少，該模式可以通過RFID設(shè)備傳遞的學(xué)生人數(shù)信息，來調(diào)節(jié)教室內(nèi)的燈光、風(fēng)扇、空調(diào)等電器設(shè)備，節(jié)能模式可用在周末或者節(jié)假日的時間，可以避免因個別學(xué)生使用教室造成的資源浪費(fèi)。

安防模式：夜間模式主要從學(xué)生離開教室的規(guī)定時間開始計算，由于在學(xué)生離開教室時，常常忘記關(guān)閉教室設(shè)備，例如燈、風(fēng)扇，尤其是空調(diào)設(shè)備，造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，如果由管理員對校園教室進(jìn)行一一檢查，無形中又增加了人員的工作量，這時候就可以通過智能教室管理系統(tǒng)，在中控管理平臺上對校園的教室進(jìn)行實時監(jiān)控。例如，系統(tǒng)界面中檢測到該間教室的燈未關(guān)，或空調(diào)仍處于開啟狀態(tài)，我們就通過系統(tǒng)對該間教室的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，及時關(guān)閉。同時在夜間，管理員在巡邏校園教室時，不能全面顧及到，這時就可以通過系統(tǒng)，檢測到教室有煙霧或者在非上課時段有人入侵，教室內(nèi)的警報器就會響起，同時向系統(tǒng)發(fā)出警報，提醒管理員，實時保證教學(xué)樓所有教室資產(chǎn)安全。

5）條件設(shè)定模塊

管理員可根據(jù)實際情況，設(shè)定閥值，利用傳感器上傳的數(shù)據(jù)，控制電器設(shè)備的開和關(guān)，運(yùn)用更加靈活。

4平臺實現(xiàn)

智能教室管理平臺界面如圖3、圖4所示。

5改進(jìn)與提升

在智能教室管理平臺的設(shè)計中，對于功能和界面設(shè)計上來說，還相對簡單，目前平臺采用的是C/S模式，今后可以根據(jù)實際需要，設(shè)計出B/S模式，無需安裝終端，實現(xiàn)手機(jī)平臺的遠(yuǎn)程監(jiān)測和設(shè)備控制，能夠在離開控制區(qū)域范圍的地方，也能夠通過手機(jī)或平板，對教室內(nèi)的各類電器及時地進(jìn)行控制。

同時在軟件功能的實現(xiàn)上，還有許多可以優(yōu)化提升的空間，例如導(dǎo)人班級課表、學(xué)生考勤統(tǒng)計等等，實現(xiàn)對學(xué)校辦公室、實訓(xùn)室內(nèi)電器設(shè)備的智能化管理中，結(jié)合校園的一卡通系統(tǒng)、統(tǒng)一賬號管理系統(tǒng)、數(shù)字化校園系統(tǒng)，使整個校園的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一檢測，統(tǒng)一管理，實現(xiàn)校園的智能化、高效化、統(tǒng)一化，從而建造一個智能、節(jié)能、安全的信息化智慧校園。