基于物联网技术的智能教室管理平台的研究与设计

吴锦炊

摘要：校园教室里目前都配有灯、风扇、空调、电脑、投影仪等设备，但因为部分人为或外界因素的影响，使教室内的电器设备存在较为严重的资源浪费和安全隐患。同时教室内的电器设备没有得到统一管理，教室管理员不能及时了解到设备状态，当教室内有异常情况时，不能够对设备做出及时的处理，教室管理员需要逐一排查，也大大增加了管理员的日常工作量。针对以上存在的问题，研究设计一套智能教室管理平台是十分必要的，能够实现对校园教室电器设备的智能化、高效化、统一化管理。智能教室管理平台能够对教室内环境数据进行实时采集，也可实现对教室内各种电器设备的远程控制，同时还具有人数统计、条件设定以及预设模式切换（夜间模式、节能模式、安防模式）等功能，解决了当前教室存在的资源浪费以及电器设备管理不统一等问题，可远程查看每一间教室的实时动态，实现了对教室内电器设备的高效、统一、智能化的管理。

关键词：物联网；智能教室；ZigBee；RFID

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）13-0238-03

1概述

借助于局域网或互联网等通信手段，连接人、物、机器、传感器、控制器等，实现网络化、智能化，将人与物或物与物紧密得联系在一起，我们称之为物联网技术，它是当前科技信息化发展过程中的新型产物，它能够使我们的生活更加便捷、智能、安全。物联网目前已广泛运用在我们的生活中，例如智能家居、智能停车系统、智能远程医疗、智能蔬菜大棚等等。

智慧校园，是将校园中的生活、学习、工作等相关的资源联系在一起，实现管理和运用上的智能化，包含了教学资源、教学设备、学校资产、教务管理等等联系起来，提高工作效率，提升教学质量，简化教学管理、丰富校园生活。在这样的一个安全、稳定、环保、节能的智慧型校园，就依赖于物联网技术。

在校园中，固定资产的管理需要耗费一定的人力，人力资源的节省也是一个重要的课题，那么如何让校园管理者能更高效地管理校园资源，尤其是针对校园内作为学生主要学习的空间（教室）的管理工作，建立一套高效的管理系统，这就需要使用物联网的相关知识来完成。本文主要针对“智慧校园”中的“节能”与“安全”这两个概念出发，设计一套智能教室管理系统，使校园资产能得到及时的管理，让校园管理更加安全与高效，解决了现在校园内只管‘人，不管‘物的矛盾，填补了校园管理的空白。

2问题描述分析

2.1传统教室存在的问题

面对照明灯节能的问题，人们可能首先想到的是更换节能灯泡，就可以节省用电，可是再考虑到，针对学校这样的一个群体，如果将所有的普通灯泡，更换为节能灯泡，在成本上，也是个不小的数目。对于目前国内大多数学校而言，大量更换传统灯泡是无法实现的。那么我们就想到是否可以考虑通过设计一种软件，可以根据实际的环境，智能地远程控制调节开关。

我们根据学校教室的使用情况，归纳以下两点问题：

学生离开教室时，或因为外界光线较强忽视了教室内灯已开启，或因为忘记等情况，造成了教室电器设备的严重浪费，教室内的灯光不能得到合理的使用，教室风扇或空调在无人的情况下无效运行。

学校有尝试安排电教中心值班老师负责管理，但教师不能及时了解个教室的实际情况，需要定时对教室进行逐一检查，仍不能达到如期的理想效果。

2.2拟解决思路

针对以上問题，在设计时，可以考虑以下几点方法：

利用采集传感器设备，例如光照度传感器，对教室内光照度实时检测，根据光照强度的不同，可以自动调控教室内的灯光或窗帘等设备。或者利用温度传感器，检测教室内的温度，可自动调节教室内的风扇或空调等电器设备。使用这类的传感器设备和电控设备，在整个系统的搭建上，更为灵活，组建的成本也较低。

教室内的探测的学生人数信息，可以作为电器设备智能调节的判断依据。若检测到教室没人，则可自动关闭教室内的电器设备；若教室内人数不到三分之一，那么调节教室内光照或者风扇等相应电器设备。用于探测教室内人员信息的设备，可以针对中学生随身佩戴校卡这一特点，充分运用RFID技术达到所需效果。

传统的教室采用人工管理，由班主任或者制定学生管理教室及多媒体钥匙，学校电教管理员在下班前做最后的逐一检查，有时候通常是交由教师或学生管理，没有统一规范，学生也常常会出现忘记检查的情况。对于教室的设备，还使用纸张登记或者电子表格登记，而没有一个专门的系统进行设备的登记、维护、保修等管理。以集美轻工业学校为例，学校信息中心下设的电教中心负责教室的多媒体设备管理，当遇到设备出现故障，通常需要一定的检测时间，而且不能及时知道设备故障情况，不能实现全天候的24小时监控。当电教管理人员在其他的教学楼检测设备，而另一栋楼的教室就需要等他在场才可进行处理，不能通过网络进行及时解决。而教室的灯光、风扇、窗帘、空调等设备，则由学生管理，但是缺常常有忘记关闭的现象，造成了极大的资源浪费。

相比之前方法，智能教室在教室管理上，工作量大幅度降低，每一间教室可远程实时动态查看。当传感器设备上传的数据超过预设阀值时，能够对相应的设备作出及时的响应。当教室管理人员远离故障区域时，也可通过手机或iPad进行操作，实现网络化远程管理。学生考勤也可通过刷卡或脸谱考勤实现，当学生操作教室设备时，会对学生的操作时间和动作进行记录，实现了教室设备的安全监控。

3智能教室管理平台设计

3.1系统整体设计

本文中设计的智能教室管理系统，主要使用ZigBee无线传感网络作为数据传输的通信网络，每一个ZigBee节点将传感器的数据上传到ZigBee协调器上，例如温湿度、光照度、烟雾、人体感应等，以及RFID数据采集（班级人数采集），同时还可以通过主协调器对ZigBee节点发出指令，对电控器件进行控制，例如灯、风扇、空调、窗帘等。ZigBee协调器和节点，都有一个无线通信模块，这个通信模块能够实现网络统一标识符的设置，通过协调器和节点板上的通信模块，实现两者之间数据的转发，再通过串口与中控管理平台和终端嵌入式平台相连接，实现网络层和应用层的对接。在系统中通过监测的实时数据，适当地开启或断开照明灯和风扇，克服了传统照明灯或风扇使用不当而造成电能的严重浪费的问题，实现智能化管理，较为灵活，并无需大规格布线。

通过以上方式设计的系统，对于整体网络的吞吐量要求并不高，在ZigBee协调器和节点板工作时，也可使用电池供电，也可以使用5V电压供电，不需要消耗太多的电能，同时在教室里，可以根据需要自定义安放，方便快捷，整个系统的设计成本上大大降低。下图为中控管理平台与终端嵌入式平台和协调器与子节点的连接示意图，如图l所示。

智能教室管理平台主要完成对多个教室的远程管理，对于单个教室而言，能够对教室内的所有电控设备进行远程控制，同时实时收集教室内的环境参数，同时还可以对教室当前的模式进行切换，例如：夜间模式、节能模式、安防模式的，实现教室管理员对所有教室的统一管理操作。

3.2软件功能模块设计

现有的教室电器设备（灯、风扇、空调等）一般没有一个智能化的管理系统进行统一管理，出现教师内的灯忘记关闭，或者人长时间不在房间的情况下，空调却长时间超负荷运行等问题。在上一章的的系统硬件设计中，通过在教室内加装温湿度传感器、光照传感器、人体红外检测设备等，从而达到智能控制室内电器设备的效果，那么控制端功能的实现就尤为重要。所以我们需要根据校园存在的问题，设计出适合的中控管理平台，实现对远程教室内设备的智能化高效管理。

在智能教室中控管理平台中，管理员可通过终端PC机，对校园所有教室进行远程监控与管理，实现对多个教室进行实时监控。所以本系统中的中控管理平台主要使用C#语言进行模块化的应用层面程序的编程，实现对教室内的电控设备（如灯光、窗帘、风扇、空调、投影仪等）的智能化管理。

以节能和安全为设计出发点，本系统的软件功能设计主要考虑实现教室内电器设备的智能调节，例如灯光可以通过安装在室内的光照度传感器进行控制，当光照度达到设定的阀值时可以智能控制室内灯的亮灭，或自动开关窗帘。

基于实际情况，在智能教室管理系统的功能上，主要设计实现四个核心模块：数据采集模块、设备控制模块、人数统计模块、模块切换模块、条件设定模块，如图2所示。

1）数据采集模块

在智能教室管理系统中，对于教室环境的环境监测是最为重要的环节，检测的数据是整个系统管理的基础，可以让教室管理人员直观地看到當前教室环境的实时参数，也可以对历史参数进行分析，分析出条件阀值，为后期与电控设备的联动控制做出参考值，使教室管理更智能化，更好地替代传统教室管理。

智能教室中控管理平台能够实时采集教室内温度、湿度和光照度，实现烟雾探测，在今后的扩展功能上还可增加PM2.5的探测。整个系统通过传感控制节点将环境监测数据传输到终端，并以直观方式显示给管理员。当监测数据出现异常时，还可利用控制软件实现对教室设备（温、光、气等）的自动控制。

采集数据是本系统中最基础的部分，温湿度、光照度、烟雾、人体红外等都是管理系统中的基础数据。平台的模块设计中，条件设定、模式切换等模块功能，都是以实时的监控数据为依据进行设备控制的。

例如：当系统能够采集到教室光照传感器的数据时，程序会根据条件设定的光照值进行比较判断，从而来控制窗帘的自动开或关，使学生避免受到外界强光的照射。同时，系统也可根据采集到的光照数据，对教室内的灯光进行调节，实现了资源的节能减排。

当温湿度传感器检测到室内的温度与湿度时，系统通过预设条件的判断，来实现对教室内设备的自动开关或调节，例如，当室内温度值高于预设的限定最高温度值时，自动开启风扇或空调。

2）设备控制模块

在系统中，设备控制模块能实现远程控制，教室管理员只需要在电脑面前，即可对教室内的设备进行远程操作，可以根据实际情况，及时地对教室设备进行远程开启或关闭，例如电脑、投影仪、日光灯、窗帘、风扇、空调等等，避免了学生离开教室忘记关闭设备所造成的电能浪费。

3）人数统计模块

考虑到在中学校园中，学生要求随身佩戴校卡，所以系统在硬件设计中，在教室前后门各安装一个高频射频读卡器，对进出教室的人员进行实时扫描。当有人进入教室时，系统自动计数，根据学生的进入与离开，不断累加或减少，这样就能实时地计算出在教室中的人数，从而通过联动设定，智能地调节教室内的灯光、风扇等电器设备。

4）模式切换模块

预设的模式主要分为夜间模式、节能模式、安防模式。

夜间模式：夜间模式是指学生的晚自习时段，对这个时段主要考虑学生需要在一个舒适的环境下学习，所以我们主要考虑到对环境温度、湿度等参数信息进行收集，智能地调节教室内的风扇、空调等设备。

节能模式：节能模式主要通过白天对教室环境的实时监测，通过收集的参数信息，对室内的电器设备进行及时的调节，以起到节约能源的效果。例如，当检测到室内光照度达到一定阀值，就将教室内的日光灯关闭，这样就解决了第一章所提到的，由于室内光线太强，学生用无法及时判断是否开灯的问题。又例如，教室内学生较少，该模式可以通过RFID设备传递的学生人数信息，来调节教室内的灯光、风扇、空调等电器设备，节能模式可用在周末或者节假日的时间，可以避免因个别学生使用教室造成的资源浪费。

安防模式：夜间模式主要从学生离开教室的规定时间开始计算，由于在学生离开教室时，常常忘记关闭教室设备，例如灯、风扇，尤其是空调设备，造成了资源的严重浪费，如果由管理员对校园教室进行一一检查，无形中又增加了人员的工作量，这时候就可以通过智能教室管理系统，在中控管理平台上对校园的教室进行实时监控。例如，系统界面中检测到该间教室的灯未关，或空调仍处于开启状态，我们就通过系统对该间教室的设备进行远程控制，及时关闭。同时在夜间，管理员在巡逻校园教室时，不能全面顾及到，这时就可以通过系统，检测到教室有烟雾或者在非上课时段有人入侵，教室内的警报器就会响起，同时向系统发出警报，提醒管理员，实时保证教学楼所有教室资产安全。

5）条件设定模块

管理员可根据实际情况，设定阀值，利用传感器上传的数据，控制电器设备的开和关，运用更加灵活。

4平台实现

智能教室管理平台界面如图3、图4所示。

5改进与提升

在智能教室管理平台的设计中，对于功能和界面设计上来说，还相对简单，目前平台采用的是C/S模式，今后可以根据实际需要，设计出B/S模式，无需安装终端，实现手机平台的远程监测和设备控制，能够在离开控制区域范围的地方，也能够通过手机或平板，对教室内的各类电器及时地进行控制。

同时在软件功能的实现上，还有许多可以优化提升的空间，例如导人班级课表、学生考勤统计等等，实现对学校办公室、实训室内电器设备的智能化管理中，结合校园的一卡通系统、统一账号管理系统、数字化校园系统，使整个校园的环境数据进行统一检测，统一管理，实现校园的智能化、高效化、统一化，从而建造一个智能、节能、安全的信息化智慧校园。