基于物聯網的智能教室管理系統

周子川，付浩東，符裕亮，薛 清

（淮海工學院理學院，連云港 222005）

1 引言

目前，物聯網已廣泛應用在我們的生活中。智慧校園是將校園中的生活、學習、工作等相關的資源聯系在一起，實現管理的智能化。本文主要從智慧校園中教室的‘節能’與‘安全’這兩點出發，設計了一套智能教室管理系統，填補了校園教室管理的空白。

2 智能教室管理的設計

2.1 系統的總體設計

如圖1所示，STM32作為控制核心連接燈光控制模塊、顯示模塊、窗戶控制模塊等，各個傳感器實時監測環境數據調節對應模塊，通過無線模塊傳輸數據、遠程控制[1]。

圖1 總體架構設計圖

2.2 系統的程序流程

如圖2所示，系統工作在學校規定的教室開啟時間內。對教室的各個情況都會先進行自動標定數據之后進入循環協調控制教室設施，達到所期望的功能。

圖2 系統流程圖

3 系統功能

3.1 窗戶自動控制

系統在開啟時先進行自檢，第一次開啟會自動檢測環境標定照度等信息，之后不會再檢測，若因教室設施變化需要重新標定可通過觸摸屏操作內置的設置進行重新標定。之后系統進入各個器件初始化準備獲取環境中的各個數據，然后系統開始協調各個環節的設施智能的管理教室。在系統工作時窗戶部分獲取到室內外溫度、濕度加上外界雨滴傳感器：一是通過外部濕度大于內部濕度同時檢測到雨滴便可確定外界下雨，系統控制步進電機關閉窗戶；二是根據季節判斷教室內外溫度是否適宜，是否需要開窗通風或關窗保暖；三是在夏季強光直射進室內時，看書對眼睛有害，這時可以自動關閉窗簾調節光強。

3.2 燈光自動控制

由近日《中小學校普通教室照明設計安裝衛生要求》可知，教室桌面維持平均照度不低于300lx，照度均勻度不低于0.7。黑板面維持平均照度不低于500lx，照度均勻度不低于0.8。因此通過照度傳感器獲取教室內的照度，加上用攝像設備獲取教室視頻，用電腦運用計算機視覺檢測室內人數和人員位置。假設窗戶、窗簾都開啟時，通過獲取的照度和人員位置判斷開啟指定位置的LED燈管，并用PWM控制燈光亮度對環境光進行補光使其達到照度標準。測得一組教室開燈時桌面照度數據為（教室桌面：295，297，319，305，291，297，300，304，307，308）我們標定此為教室燈管發光能力，因為采用PWM調光因此調節起來是線性的可以快速調節到所需的照度。這時再加入窗戶關閉、窗簾關閉的情況時就是對教室燈光的補光。這樣就可以較好的對教室燈光控制達到預期效果。因為是建立在環境光的補充和PWM調光下的，所以在燈光的點亮時長可以大幅減少。而人員位置的對應亮燈減少了大量不必要的亮燈。這兩者能夠幫助我們減少能源的損耗還能延長燈的使用時間同時其智能感提升了大學的科技氛圍。

3.3 聯網控制

通過Wi-Fi模塊，系統連接網絡，從而連接到電腦、手機。攝像頭將教室的視頻信號傳輸給電腦，電腦間隔抽樣視頻信號，每次抽樣一幀圖像，利用計算機視覺技術算出教室內的人數以及人的位置。電腦還利用PYTHON爬蟲算法爬取教務網的課程[2]。系統通過Wi-Fi模塊與電腦相連，可以獲取教室內的人數以及人的位置、課程、網絡時間等信息。手機上開發了一款應用程序，系統通過Wi-Fi模塊與手機相連，實現手機上可控制窗戶的開關和燈的開關以及燈的亮暗程度。系統將前面所說獲取到的教室內的人數、課程、網絡時間和由傳感器采集的溫濕度信息顯示在LCD觸控屏上和手機終端，供用戶參考。系統還加入了手自動切換開關，防止手動控制與自動控制發生沖突[3]。

晚上最后一節課后，自動關閉系統，進入休眠狀態，節約能源，包括關閉窗戶、窗簾、燈、LCD觸控屏。

4 改進與提升

在智能教室管理系統的設計中，只對教室的窗戶、窗簾、燈光系統、人數統計、課表系統進行了控制，后續可以添加對空調、風扇、投影儀、電腦等的控制系統。近幾年愈來愈關注的網絡安全問題，也是下一步完善系統需要考慮的。