基于物联网的智慧教室预警系统研究

李兆非 张健 陈浩 宿峰

摘要：将物联网、大数据等新一代信息技术融入教室安全预警及消防等领域，建立教学场所安全预警系统，对教室、实训室等教学场所进行实时防火防盗检测和预警，能够最大限度地保障学生和教师的生命财产安全。通过烟感传感器采集烟雾数据预防火情；通过释热传感器检测有人进入预防被盗；控制器采集数据实时监测，并且将数据上传到云平台，通过云平台可以实时查看教学场所数据情况。

关键词：预警系统；物联网；智慧教室

中图分类号：TH139 文献标识码：A

0 引言

智慧教室预警系统是智慧教室的重要组成部分，预警系统可以帮助校园安保人员迅速锁定紧急情况并第一时间做出有效反应。将物联网等新一代信息技术应用到学校安防领域，可以大幅降低事故发生率，保障师生生命财产安全，在大大降低安防人员工作强度的同时有效完成教室防火、实训室防火防盗等安防工作。

1 智慧教室预警系统的意义

1.1 有效预防环境的不安全因素

环境安全因素主要包括火情、有毒气体或液体泄漏等，由于本文主要针对教室及实训室等普通场所，而非化学实验室等高危场所，因此考虑的环境安全因素主要是火情。智慧教室预警系统采用高清摄像头和烟感传感器双重检测，可以有效预防火情发生[1]。

1.2 精准防护人的不安全因素

智慧教室预警系统对教室及实训室内设备被盗有预警作用。采用释热传感器，能够检测教室内是否有人在现场。如果人以非正常途径或在夜间进入教室实训室，系统判定为盗窃，就会发出报警信号。安保人员收到报警后可通过摄像头查看具体情况，一旦情况落实则可联系楼座分管安保人员第一时间做出反应。

1.3 提高教室管理效率，降低工作强度

智慧教室预警系统大大降低了工作强度，而且将安全隐患降到最低，采用多重防护来保障教师学生的生命财产安全。校园安保和防护人员可以通过云平台远程查看教室及实训室的实景画面，且在操控室即可完成。该系统能够实现实时预警，若有安全状况会通过报警器报警，安保人员查看视频实景画面后，如果判定是真实情况，则可在第一时间采取措施。

2 智慧教室预警系统架构

智慧教室预警系统架构包括感知层、网络层、数据层和应用层。

2.1 感知层

感知层由各个传感器组成，它将外界环境的变化转化为电信号，然后通过网络通信传输给控制器，控制器接收到信号之后控制设备做出动作。感知层相当于人体感觉器官，控制器相当于人类大脑，感觉器官把信号传给大脑，大脑收到信号之后做出反应，这个过程是一个有反馈的闭环活动，与感知层到控制器的传输链路是相似的。智慧教室预警系统的感知层主要是高清摄像头、温度传感器和烟感传感器，烟感传感器可以感知烟的浓密稀疏，一旦超过一定浓度则认定为有火情，会传输信号给控制器，控制器发出警报，安保人员听到警报声后，可以通过视频监控查看现场情况，并进行远程操控。

2.2 网络层

网络层的作用是传输感知层感知到的数据，相当于连接感觉神经和大脑的链路，是预警系统必不可少的部分。网络层的形式多种多样，包括移动数据网络、无线宽带网络、蓝牙有线互联网络、工业网络等，智慧教室预警系统的网络层采用有线网络和无线网络搭配的方式。感知层将感知到的环境参数信号转换成电信号，但电信号不能直接传输给控制器，需要进行转换和传输。有的传感器输出是模拟量，有的是数字量信号，但是控制器内部直接处理的信号是数字量信号，因此有时候需要转换。数字量信号只有高低电平两种信号，即0 和1[2]。数字量信号的传输分为串行传输和并行传输。并行传输是若干条数据线同时传输信号，其优点是各个传输线之间互不干扰，速度快，但是这非常占用输入输出口的资源，在采集量需求大的场合，输入输出口的资源是很有限的，这样容易造成输入输出资源的浪费，因此出现了串行传输[3]。串行传输仅通过一条数据线进行发送和接收，按照先后顺序将数据发送出去，一次传送只能传送一帧信息，一个完整的数据帧包括校验、握手协议和数据等内容。串行传输解决了并行传输占用资源多的缺点，因此在工业上应用广泛，常用的串行通信有RS232 通信和RS485 通信，本文中智慧教室预警系统的网络层就使用了串行传输。

在串行通信中，通信的两端必须有同样标准的接口，才能使得设备连接起来进行正常通信。

RS232 接口是目前最常用的串行通信标准之一，它是1970 年美国电子工业协会联合调制解调器厂家等共同制定的标准。该标准起初规定采用一个25脚的DB25 连接器，后来简化为9 脚的DB9 连接器，目前工业上使用RS232 通信只使用TXD、RXD 和GND 这3 条线。TXD 代表发送，RXD 代表接收，GND 是接地的意思，代表接收和发送的两端要共地。

RS232 虽然使用方便、结构简单，但是它的传输距离仅有几十米，而且工业现场一般环境比较嘈杂，各种电气设备容易产生电磁干扰，RS232传输数据容易产生错误，因此出现了RS485 通信。

RS485 采用差分传输方式，差分传输电路可以有效抑制共模信号（干扰信号），抗干扰能力强，而且传输距离远，可达1 200 m，适合用在长距离传输和工业场合环境复杂、干扰较强的场合。

2.3 数据层

为了方便采集来的数据后续接入控制层，需要对接入的数据进行标准化处理，以便统一进行存储，这些相关处理就是数据层的工作[4]。该层主要起辅助作用，是连接网络层和控制层的桥梁纽带，能够保证数据有效传送。采集来的数据渠道有RS232 传输，也有无线传输，不同的设备与不同的协议标准，最终要统一传送给控制层，必须对其进行统一规范化处理。

2.4 应用层

應用层对于本系统来说是最高级别层，也是直接供操作者使用的一层，其结构如图1 所示。它具有人机操作界面，良好的人性化触摸界面可以让操作者快速便捷地操作和处理各种紧急情况与突发事件，可通过屏幕实时显示各教室及实训室的参数与高清摄像。

应用层提供实时查询功能，可查询每个教室及实训室的参数，包括是否有火情、是否有盗窃等。应用层属于软件系统，需要利用计算机智能控制软件才能监测火情、盗窃等情况。

3 智慧教室预警系统硬件研究

智慧教室预警系统的硬件结构包括监控摄像头、上位机、三菱FX3U-48MR 型可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）、昆仑通态触摸屏TPC7062TI、烟感传感器、报警器等。

其中FX3U-48MR 型PLC 可以使用配套的专用模拟量数字量模块FX3U-3A-ADP，包含3 个通道：2 个输入通道和1 个输出通道。2 个输入通道可以输入电压或者电流，电压输入范围为0 ～ 10 V，对应数字量数值为0 ～ 4 000；电流输入范围为4 ～ 20 mA，对应数字量数值为0 ～ 3 200。1 个输出通道可以输出电压和电流，其中电压输出0 ～ 10 V 对应数值0 ～ 4 000；电流输出4 ～ 20 mA 对应数值0 ～ 4 000。

核心部分是上位机以及FX3U-48MR 型PLC，烟感传感器采集到的数据通过PLC 的模拟量输入模块输送到PLC 进行比对，以此进行判断。FX3U-48MR 型PLC 通过RS232 与触摸屏进行通信，上位机软件可以通过人机界面或触摸屏显示当前参数。例如，上位机可将判断的结果传送到PLC，通知PLC 是否有盗窃隐患，从而在触摸屏上显示出来。

在本文中，上位机作为主站，PLC 作为从站，主从站进行通信以实现功能。上位机软件收到告警信号后在人机界面上告警，同时输出信号给PLC，PLC 则发出信号给触摸屏和报警器（图2）。

4 智慧教室预警系统软件研究

智慧教室预警系统软件部分主要是控制器的程序设计。控制器在电复位之后接收烟感传感器和释热传感器传输来的数据，处理并在云平台形成曲线，保存起来以便随时查阅。将传来的数据与标准阈值进行比较，如果不超过标准阈值则正常显示，如果超过标准阈值则呈红色显示，并控制报警器报警[5]。与此同时，摄像头将记录的高清摄像视频上传到云平台，消防安保人员收到报警信号查看现场视频，如果是误报警则取消报警，如果有真实火情则立即采取措施。此外，上位机软件查看的数值还有释热传感器的数值，如果释热值达到一定范围则认定有人在教室场所，如果是在晚间或者以非门禁刷卡方式进入教室场所的情况，则认定为盗窃情况[6]，此时控制器发出信号，报警器报警，安保人员收到报警后立即查看监控，如果确有盗窃情况发生则安排相关楼层人员立即采取措施，将教室财产安全损失降到最低。

5 结论

智慧教室预警系统包括感知层、网络层、数据层和应用层。感知层主要由传感器组成；网络层负责信息传输；数据层将传输来的数据进行统一处理，并把最终数据传输到应用层；应用层为软件系统，包括云平台界面，是人查看数据的界面。通过实时比对传送来的数据与标准数据以监测火情，如果烟感传感器的数值超过标准数据则表示出现火情，在屏幕上会显示，同时控制器控制报警器发出警报及时通知相关楼层安保人员。通过释热传感器则可以监测盗窃，如果监测到有人在夜间或者以非法手段进入教室则认定为盗窃，报警器报警。智慧教室预警系统的技术要点有两个：一是元器件的选择和硬件的搭建；二是软件程序的编写设计，后者也是本文的难点。智慧教室预警系统的研究对于智慧教室的实现是必不可少的，也丰富了智慧教室的功能和内容，物联网等新一代信息技术的使用使得校园安防系统更加可靠，在降低工作量的同时提高校园的安全系数，保障师生的生命财产安全，有很高的社会经济价值。

参考文献

[1] 王刚，彭远春，金雪梅，等. 石油企业生产安全智能预警系统研究[J]. 石化技术，2022，29（10）：72-74.

[2] 李冠君，姜国智，姚晓楠，等. 基于物联网技术的井下智能预警系统[J]. 电子测量技术，2015（9）：89-92，97.

[3] 张会铭，叶仁春，雷志华. 多媒体教室设备故障及风险预警系统研究：以华中科技大学多媒体教室设备管理为例[J]. 中国现代教育装备，2009（11）：6-7.

[4] 王建国. 煤矿瓦斯事故智能预警系统的优化设计[J].科技致富向导，2014（22）：102.

[5] 崔健，胡怀伟，张敏. 电网智能预警系统的设计与实现[J]. 自动化博覽，2013（增刊2）：309-312.

[6] 潘荣杰. 输电线路在线巡视系统的智能预警系统分析[J]. 企业技术开发，2016，35（12）：89-90.