基于物联网的智能教室管理系统

周子川，付浩东，符裕亮，薛 清

（淮海工学院理学院，连云港 222005）

1 引言

目前，物联网已广泛应用在我们的生活中。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，实现管理的智能化。本文主要从智慧校园中教室的‘节能’与‘安全’这两点出发，设计了一套智能教室管理系统，填补了校园教室管理的空白。

2 智能教室管理的设计

2.1 系统的总体设计

如图1所示，STM32作为控制核心连接灯光控制模块、显示模块、窗户控制模块等，各个传感器实时监测环境数据调节对应模块，通过无线模块传输数据、远程控制[1]。

图1 总体架构设计图

2.2 系统的程序流程

如图2所示，系统工作在学校规定的教室开启时间内。对教室的各个情况都会先进行自动标定数据之后进入循环协调控制教室设施，达到所期望的功能。

图2 系统流程图

3 系统功能

3.1 窗户自动控制

系统在开启时先进行自检，第一次开启会自动检测环境标定照度等信息，之后不会再检测，若因教室设施变化需要重新标定可通过触摸屏操作内置的设置进行重新标定。之后系统进入各个器件初始化准备获取环境中的各个数据，然后系统开始协调各个环节的设施智能的管理教室。在系统工作时窗户部分获取到室内外温度、湿度加上外界雨滴传感器：一是通过外部湿度大于内部湿度同时检测到雨滴便可确定外界下雨，系统控制步进电机关闭窗户；二是根据季节判断教室内外温度是否适宜，是否需要开窗通风或关窗保暖；三是在夏季强光直射进室内时，看书对眼睛有害，这时可以自动关闭窗帘调节光强。

3.2 灯光自动控制

由近日《中小学校普通教室照明设计安装卫生要求》可知，教室桌面维持平均照度不低于300lx，照度均匀度不低于0.7。黑板面维持平均照度不低于500lx，照度均匀度不低于0.8。因此通过照度传感器获取教室内的照度，加上用摄像设备获取教室视频，用电脑运用计算机视觉检测室内人数和人员位置。假设窗户、窗帘都开启时，通过获取的照度和人员位置判断开启指定位置的LED灯管，并用PWM控制灯光亮度对环境光进行补光使其达到照度标准。测得一组教室开灯时桌面照度数据为（教室桌面：295，297，319，305，291，297，300，304，307，308）我们标定此为教室灯管发光能力，因为采用PWM调光因此调节起来是线性的可以快速调节到所需的照度。这时再加入窗户关闭、窗帘关闭的情况时就是对教室灯光的补光。这样就可以较好的对教室灯光控制达到预期效果。因为是建立在环境光的补充和PWM调光下的，所以在灯光的点亮时长可以大幅减少。而人员位置的对应亮灯减少了大量不必要的亮灯。这两者能够帮助我们减少能源的损耗还能延长灯的使用时间同时其智能感提升了大学的科技氛围。

3.3 联网控制

通过Wi-Fi模块，系统连接网络，从而连接到电脑、手机。摄像头将教室的视频信号传输给电脑，电脑间隔抽样视频信号，每次抽样一帧图像，利用计算机视觉技术算出教室内的人数以及人的位置。电脑还利用PYTHON爬虫算法爬取教务网的课程[2]。系统通过Wi-Fi模块与电脑相连，可以获取教室内的人数以及人的位置、课程、网络时间等信息。手机上开发了一款应用程序，系统通过Wi-Fi模块与手机相连，实现手机上可控制窗户的开关和灯的开关以及灯的亮暗程度。系统将前面所说获取到的教室内的人数、课程、网络时间和由传感器采集的温湿度信息显示在LCD触控屏上和手机终端，供用户参考。系统还加入了手自动切换开关，防止手动控制与自动控制发生冲突[3]。

晚上最后一节课后，自动关闭系统，进入休眠状态，节约能源，包括关闭窗户、窗帘、灯、LCD触控屏。

4 改进与提升

在智能教室管理系统的设计中，只对教室的窗户、窗帘、灯光系统、人数统计、课表系统进行了控制，后续可以添加对空调、风扇、投影仪、电脑等的控制系统。近几年愈来愈关注的网络安全问题，也是下一步完善系统需要考虑的。