基于OneNET云平臺的智慧教室系統設計與實現

向星宇 潘元昊

摘 要：針對傳統教學環境存在諸如學生考勤耗費時間、教室空閑資源利用率不高等問題，利用物聯網技術設計并實現了一套“智慧教室”解決方案。方案采用Arduino開源硬件，基于OneNET物聯網云平臺搭建設備網絡，以微信小程序為前端面向全校師生提供實時簽到、遲到早退檢測、教室舒適度查詢以及預約占座等服務。最后對系統試點運行，發現該方案可為師生提供開放式便捷應用服務，極大地提高了教室的智能化水平。

關鍵詞：Arduino;物聯網;OneNET;微信小程序;智能化;智慧教室

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）05-00-03

0 引 言

智慧教室[1]在獲取溫濕度或光照強度等智能感知的硬件設計上已趨近成熟，但對于這些數據的利用率低，并未提供遠程查詢教室信息的途徑，并且部分智能教室提供的占座服務并不完善，無法實現“一對一”占座，即只有占座人能使用該預定座位。物聯網（Internet of Things，IoT）[2-3]由物理對象與用于收集和交換數據的網絡連接而成，物聯網的發展使得傳感器的應用愈加廣泛。針對以上問題，本文提出了以微信小程序為前端，面向全校師生的在線教室環境實時查詢功能，為教師提供利用人體紅外傳感器和超聲波傳感器雙重檢測保障的實時簽到檢測服務，為學生提供微信小程序預約控制座椅的占座服務[4]。解決了之前信息采集后利用率不高、占座功能不完善等問題，提高了智慧教室的實用性。

1 系統結構設計

本系統由四部分組成，分別為硬件設備、物聯網云平臺、后臺服務器和微信小程序前端。系統架構如圖1所示。

（1）硬件設備：該模塊是智慧教室的感知層，實時收集教室的各項數值，通過HTTP協議上報云端，同時也接收并執行物聯網平臺下發的命令。

（2）硬件設備與物聯網云平臺數據交互：該模塊是硬件設備與后臺服務器的中轉部分，硬件設備上傳的數據點會緩存在該平臺上，后臺服務器只需調用平臺提供的API（Application Programming Interface）接口即可讀取已緩存的數據點，后臺服務器有命令下發需求時只需通過API接口將具體命令內容發送至平臺上，平臺確認硬件設備在線時自動將命令轉發至硬件設備。

（3）后臺服務器：該模塊用于處理硬件設備上傳的數據并存儲，通過調用物聯網云平臺提供的API接口可實現與硬件設備的間接通信。同時后臺服務器需要給微信小程序前端提供后臺支持，是智慧教室功能實現的重要環節。

（4）微信小程序前端：該模塊為用戶前端，智慧教室將用戶分為教師與學生兩種角色，面對教師提供智能簽到、遲到早退情況統計、教室鎖定等服務（即在特定時間段該教室被標記為非可用狀態，禁止占座并且會在教室總覽中標記備注，如班級班會、考試、教室設備維修等）;對學生提供教室信息查詢以及常態時的占座服務。

2 模塊設計

2.1 硬件設備設計

硬件設備要求具有較高的采樣頻率，能實時監測教室各項數值的變動，同時可以接入互聯網向物聯網云平臺上傳數據點，故該系統采用有開源庫的物聯網開發硬件。

2.1.1 WeMos D1開發板

WeMos D1是基于ESP-8266EX微處理器的Arduino UNO兼容WiFi板，其自身集成WiFi單元，相比其他系列的Arduino開發板，其優勢在于無需外接WiFi，在物聯網開發方面其豐富的I/O口能夠支持大部分傳感器及執行器，且能夠與Arduino IDE兼容豐富的第三方庫，開發成本低，靈活性好。

2.1.2 座椅傳感單元及程序流程

硬件設備主要集中在教室的座椅上，座椅靠背正中心裝有型號為HC-SR04的超聲波測距傳感器，同時座椅前方正對座椅的桌面裝有人體紅外傳感器，每個座椅上的超聲波傳感器和人體紅外傳感器為一組，只有兩種傳感器共同符合判定條件才能判定該位置有人，判定條件如圖2所示。該設計方案可以有效避免其他因素引起的誤判（如人體晃動引起旁邊椅子的人體紅外觸發）。超聲波測距傳感器在距離傳感器脈沖口2 cm內存在盲區，在盲區內不會檢測到物體，故也可以排除人為貼上遮擋物干擾監測的情況。

2.2 硬件設備與物聯網云平臺數據交互模塊

本節為硬件設備與物聯網云平臺通信環節，包括硬件設備數據點的上傳與物聯網云平臺下發命令的解析。硬件設備采用WeMos D1開發板作為中央控制器，物聯網云平臺使用中國移動物聯網開放平臺—OneNET云平臺。

2.2.1 OneNET物聯網云平臺

OneNET物聯網云平臺由中國移動開發，面向物聯網開發者提供豐富的API接口，作為連接和數據的中心，OneNET平臺能夠適應各種傳感網絡和通信網絡，支持眾多類型的傳輸協議，并且在云端提供數據存儲功能，平臺上規范化的產品管理應用能夠滿足大場景下的設備互聯以及遠程調度需求。

2.2.2 HTTP數據點上報以及EDP命令下發

硬件設備需要實時更新數據給用戶，對數據刷新的頻率要求較高，利用EPS8266庫的client.print（）函數可將事先組合好的滿足HTTP協議的數據打包發送給OneNET云平臺，其組合規則可查閱OneNET開發手冊。

在占座功能設計中會出現用戶需要鎖定座椅的場景，并且用戶下發指令的時間離散不可預計，同時一個教室中座椅的數量較多，故命令下發過程要求連接具有高可靠和低延時特性，即需要設備與設備平臺的長鏈接。OneNET中的EDP（Enhance Device Protocol）協議可以保證硬件與設備平臺的長鏈接，并且可即時下發控制指令。主程序流程如圖3所示。

EDP協議的消息體是一系列十六進制字串，硬件設備接收到命令消息后需要將十六進制字串轉化成字符，譯碼還原成命令內容，之后硬件設備再執行相應命令。

2.3 后臺服務器處理模塊

本系統共有兩類用戶，即教師與學生。系統的簽到功能需要學生在簽到時登錄微信，在微信小程序中選中自己所坐的座位號，然后后臺服務器將該同學與硬件設備的座椅號綁定，由硬件設備上報該座位是否有人正常使用，并刷新后臺服務器中與該同學相對應的數據庫表內信息。教師會在第一次使用簽到時從教務處錄入修讀該課程的同學名單，簽到時后臺會篩選出未綁定座椅和綁定后座椅返回異常值的同學并告知教師。

考慮到教學課程中同學可能會有暫時離開座位的情況，故簽到成功后如同學在下課之前暫時離開座位，座椅會檢測到該座位無人使用，同時服務器接收到硬件設備發來的信號，此信號持續發送5 min后服務器會將該同學列入早退名單。

本系統需要從教室中采集到的詳細信息見表1、表2所列。這些信息主要分為兩類，即座位相關信息與教室相關信息。

2.4 微信小程序

本系統的數據庫主要用于儲存兩類信息，即靜態的基本信息和動態的教室信息。基本信息包括用戶、權限、座位、教室等，多為結構化數據，主要用于聯表查詢。監控信息多為海量連續的數據信息，信息的數據存儲格式如下：

update_at：2019-06-19 15：35：35

unit：

id：student1

current_value：1

程序中：update_at表示獲取數據的時間;unit表示該觸發器所屬的單元;id表示觸發器名稱;current_value表示當前最新的數據值。

系統各項功能如圖4所示。

個人中心：用戶實現注冊、登錄、修改個人信息和綁定微信號等功能，在完成第一次注冊登錄后可以選擇綁定微信號，綁定微信號后，用戶無需通過賬號密碼即可直接登錄。

教室信息管理：用戶在教室信息主頁查詢到教室的相關環境信息及教室狀態，可通過以上信息判斷教室環境。

用戶權限：學生可以占用座位，教師可以占用教室，教室一旦被占用，該教室內的座位即無法被占用。教師可以在上課時間發布簽到，學生在本系統通過輸入座位號完成簽到，簽到結束后，教師可以在系統上查詢簽到詳情。

3 數據Web展示

教室中的溫濕度、嘈雜度、人體檢測信號將通過WiFi模塊上傳到OneNET平臺，每種數據各對應一個數據流，平臺接收到數據點后會即時更新。圖5所示為OneNET平臺上數據流形成的圖表。同時，通過nodejs的HTTP請求獲取OneNET平臺數據，請求的body中需要OneNET平臺的URL、請求類型和API-Key。API-Key是OneNET平臺對每個工程設置的密鑰，外界訪問該工程中的數據如傳入API-Key參數等。服務器獲取到數據包后對數據包進行Json解析，最終將數據存入MySQL數據庫。

4 結 語

本文根據智慧教室的需求，設計了基于OneNET平臺的微信小程序，采用多種傳感器檢測教室內的環境參數，同時，教室的各種數據會被上傳到OneNET平臺，一方面可以隨時隨地查看某個教室的數據，另一方面也可以對這些數據進行統計分析，特別是在簽到系統的監測合理性方面，考慮到應用場景的多樣化而采用雙重監測機制。程序設計人性化，考慮了教師與學生在課堂中可能出現的各種情況。經測試，智慧教室系統運行正常，功耗低，實用性強。

參考文獻

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