基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園集群控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘? 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，其在智慧校園建設(shè)中扮演著越來越重要的角色。文章旨在建立一個基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園集群控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可控制智慧教室設(shè)備管理系統(tǒng)、智能綠色能源管理系統(tǒng)和智能安防報警系統(tǒng)等，而且能夠根據(jù)用戶需求，進(jìn)行個性化定制，使得學(xué)校的運(yùn)轉(zhuǎn)更高效，服務(wù)更人性化。該系統(tǒng)已經(jīng)在某中學(xué)使用，學(xué)校反映功能齊全，性能穩(wěn)定，操作方便，界面友好，拓展性能佳，經(jīng)濟(jì)實惠。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);智慧校園;集群控制系統(tǒng);ZigBee

中圖分類號：TP391.44;TN929.5? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）09-0160-04

Design and Implementation of Intelligent Campus Cluster Control System

Based on Internet of Things

LIN Shuju

（Guangzhou City Construction College，Guangzhou? 510925，China）

Abstract：With the continuous development of internet of things technology，it plays an increasingly important role in the construction of smart campus. This paper aims to establish an intelligent campus cluster control system based on the internet of things，which can control the intelligent classroom equipment management system，intelligent green energy management system，intelligent security alarm system，etc.，and can carry out personalized customization according to the needs of users，so that the operation of the school is more efficient and the service is more humanized. The system has been used in a middle school. The school has a complete reflection function，stable performance，convenient operation，friendly interface，good expansion performance and economic benefits.

Keywords：internet of things;intelligent campus;cluster control system;ZigBee

0? 引? 言

校園事務(wù)繁雜，若采用分散式管理會導(dǎo)致管理效率低下，信息無法實時知曉，特別是面對突發(fā)事件往往無法及時處理，延誤時機(jī)，容易造成嚴(yán)重后果。鑒于此，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園集群控制系統(tǒng)孕育而生，該系統(tǒng)可以解決分散式管理中存在的諸多問題。本文以筆者參與的某中學(xué)的智慧校園集群控制系統(tǒng)設(shè)計為例，學(xué)校有初中和高中共有80間教室和3間會議室，教室里有燈具、風(fēng)扇和空調(diào)等設(shè)備，在使用基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園集群控制系統(tǒng)前每個設(shè)備或電器只能獨(dú)立控制不能聯(lián)控，操作繁瑣;在使用基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園集群控制系統(tǒng)后能實現(xiàn)對所有教室的統(tǒng)一控制，下面介紹該系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)情況。

1? 概念解釋

智慧校園集群控制系統(tǒng)是一套針對學(xué)校定制的權(quán)限管理化、管理數(shù)據(jù)化、數(shù)據(jù)邏輯化、邏輯可視化的集群控制系統(tǒng)。

2? 設(shè)計理念

本設(shè)計方案結(jié)合目前該領(lǐng)域最新技術(shù)，同時根據(jù)用戶需求采取個性化與人性化設(shè)計，做到功能齊全、性能穩(wěn)定、操作方便、界面友好、拓展性能佳。

3? 主要控制系統(tǒng)及子系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)

3.1? 智慧教室設(shè)備管理系統(tǒng)

每間教室均配置一套獨(dú)立的智能控制系統(tǒng)，用來實現(xiàn)對整間教室的智能化管理，配置后可以對教室現(xiàn)有電子設(shè)備進(jìn)行智能化的統(tǒng)一集中控制。

3.1.1? 組網(wǎng)方式

關(guān)于智能控制系統(tǒng)的組網(wǎng)及搭建方式，其核心設(shè)備采用配電箱式的安裝方式，無須重新配置機(jī)柜，采用平常使用的配電箱即可。與現(xiàn)有設(shè)備之間的通訊，可以通過對每間教室內(nèi)的有線局域網(wǎng)升級改造來實現(xiàn)，當(dāng)教室的有線局域網(wǎng)不具備改造環(huán)境時，可以通過無線ZigBee通訊方式實現(xiàn)對現(xiàn)有教室內(nèi)已有設(shè)備的邏輯管理及控制。

3.1.2? 管理控制

每間教室的管理系統(tǒng)，均可以通過人機(jī)交互面板上的客戶端進(jìn)行控制。開啟客戶端，就可以對教室的所有設(shè)備進(jìn)行控制，并完成個性化的操作。還可以通過模式按鈕切換授課環(huán)節(jié)模式、師生互動環(huán)節(jié)模式、現(xiàn)場交流模式和下課模式等模式控制，當(dāng)然，這些模式也可以根據(jù)用戶需求進(jìn)行個性化定制。當(dāng)開啟了這些模式時，控制主機(jī)就會發(fā)送指令給相關(guān)設(shè)備，進(jìn)行開啟和關(guān)閉。

擴(kuò)展功能：結(jié)合課表管理系統(tǒng)和權(quán)限系統(tǒng)，課表管理系統(tǒng)授權(quán)的教師，還可以通過個人手機(jī)上安裝的控制應(yīng)用APP，在授權(quán)的教室以掃描二維碼的方式獲取對教室的控制權(quán)限，并對教室內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行控制。

3.2? 智能綠色能源管理系統(tǒng)

隨著用電負(fù)荷的持續(xù)增長，用電排放也日益增多。但學(xué)校的教學(xué)用電是必要的，為了合理用電、節(jié)約能源，系統(tǒng)對教室進(jìn)行用電管理，推出了智能綠色能源管理系統(tǒng)。智能綠色能源管理系統(tǒng)是智慧校園集群控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，涉及到照明能耗管理、用電能耗管理、空調(diào)能耗管理等方面。

3.2.1? 照明能耗管理

系統(tǒng)對每間教室的燈光控制，是在不影響教學(xué)質(zhì)量又能提高對能耗管理的前提下，根據(jù)實際教室內(nèi)照明電源的布線情況，選擇有線配電箱集中管理或無線控制管理。在教室被授權(quán)使用時，可通過集群控制系統(tǒng)人機(jī)交互面板的客戶端進(jìn)行控制，在無須開啟燈光的時間段內(nèi)，可選擇是否允許照明開啟。在下課教室門關(guān)閉后，燈光會自動關(guān)閉，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的照明控制。

每間教室配置環(huán)境狀態(tài)感應(yīng)器，當(dāng)教室內(nèi)的亮度足夠時，系統(tǒng)會禁止開啟燈光;當(dāng)教室內(nèi)的亮度不夠時，系統(tǒng)會自動開啟照明設(shè)備。這樣既保護(hù)師生的眼睛，又保障教學(xué)效果。再配置電能感應(yīng)器，可以實現(xiàn)對教室照明能耗的可視化實時監(jiān)管。

3.2.2? 用電能耗管理

將教室內(nèi)的插座供電通過集中控制強(qiáng)電繼電器進(jìn)行管理，并配置電能感應(yīng)器，對于過大的非常規(guī)用電實施報警或斷電控制。同時通過總系統(tǒng)可以查詢到每間教室的設(shè)備的實時用電量，實現(xiàn)對整棟教學(xué)樓的用電統(tǒng)一管理。

3.2.3? 空調(diào)能耗管理

配置溫度感應(yīng)器，可實現(xiàn)對教室環(huán)境溫度的調(diào)節(jié)。通過集群控制系統(tǒng)，可通過自動或手動方式，對教室內(nèi)的空調(diào)進(jìn)行開關(guān)以及對溫度、模式的調(diào)節(jié)。譬如，系統(tǒng)設(shè)定當(dāng)教室內(nèi)的溫度未達(dá)到額定值如26 ℃，系統(tǒng)會禁止開啟空調(diào)，同樣，系統(tǒng)可設(shè)定當(dāng)溫度高于26 ℃時，自動將空調(diào)打開并調(diào)整至26 ℃。當(dāng)教室停止使用時，空調(diào)會自動關(guān)閉。

另外給每間教室窗戶配置接觸感應(yīng)器，當(dāng)教室的空調(diào)開啟時，如果窗戶沒有及時關(guān)閉，系統(tǒng)會發(fā)出提示。當(dāng)教室停止使用、系統(tǒng)檢測出窗戶未關(guān)閉時，系統(tǒng)也會發(fā)出提示。整套系統(tǒng)既保證了教學(xué)環(huán)境的舒適度，又做到了綠色能源管理的功能。

以上均可以通過智慧校園集群控制系統(tǒng)總平臺隨時監(jiān)測，實現(xiàn)總系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度控制功能。

3.3? 智能安防報警系統(tǒng)

電腦室或會議室都會有電腦、投影機(jī)等貴重設(shè)備，因此需要給這些教室或會議室設(shè)置門禁。傳統(tǒng)的做法采用物理門鎖，的確起到了基本的防盜作用。但這樣的方式也有局限性，譬如當(dāng)管理員遇到突發(fā)事件不能及時開門，這間電腦室或會議室就無法使用;當(dāng)門鎖被破壞，管理員沒辦法在第一時間知曉，可能造成資產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失。

3.3.1? 智能門禁系統(tǒng)

在每間教室門口配置一到兩套智能門禁系統(tǒng)，并與智慧校園集群控制系統(tǒng)對接，實現(xiàn)對教室大門的實時監(jiān)管。結(jié)合智能課表管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對教室門禁的權(quán)限管理功能。智能門禁系統(tǒng)具有指紋、密碼、刷卡、人臉識別等功能，在教室授權(quán)使用期間，可以通過指紋、密碼、刷卡、人臉識別等方式進(jìn)入使用。在非課表排課的其他時間，即便有權(quán)限的教師也無法開啟教室。

3.3.2? 窗戶管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對教室內(nèi)窗戶的管理，采用了接觸式感應(yīng)器與智慧校園集群控制系統(tǒng)對接，并對窗戶進(jìn)行狀態(tài)采集，當(dāng)窗戶需要關(guān)閉但并未關(guān)閉時，系統(tǒng)會禁止一些連帶功能的使用（如空調(diào)開啟）或發(fā)出系統(tǒng)警報提醒管理員關(guān)閉。

3.3.3? 非常規(guī)預(yù)警系統(tǒng)

當(dāng)非上課時間或教室并未授權(quán)使用時，如果教室大門被人以非常規(guī)方式打開或教室窗戶被非法打開時，系統(tǒng)會自動打開該教室燈光，同時通知樓層管理員及保安前去查看，并配合擴(kuò)展的信息推送系統(tǒng)，根據(jù)需要或權(quán)限將消息推送給相關(guān)人員，便于對突發(fā)事件的及時處理。

4? 智慧校園集群控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)上述主要控制系統(tǒng)及子系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)，以某中學(xué)為例，進(jìn)行基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧校園集群控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。該中學(xué)共有80間教室和3間會議室，學(xué)校為了合理用電、節(jié)約能源，希望對所有教室和會議室的燈光、空調(diào)、風(fēng)扇都能統(tǒng)一管理。根據(jù)校方要求，設(shè)置一套物聯(lián)網(wǎng)控制總控系統(tǒng)（以下簡稱總控制系統(tǒng)）對80套教室和3套會議室進(jìn)行集中控制。該系統(tǒng)在校園局域網(wǎng)內(nèi)搭建，每套系統(tǒng)的具體功能如下。

總控制系統(tǒng)通過校園局域網(wǎng)可以實現(xiàn)對80間教室和3間會議室的燈光、空調(diào)、風(fēng)扇集中控制，通過總控制系統(tǒng)可控制單套教室（或會議室）的控制系統(tǒng)，也可實現(xiàn)對教室（或會議室）的分級分組控制。總控制系統(tǒng)具有對教室（或會議室）使用狀態(tài)的查詢功能，物聯(lián)網(wǎng)控制總控系統(tǒng)及各樓棟控制系統(tǒng)連接圖如圖1所示。

單間教室（或會議室）內(nèi)的燈光、風(fēng)扇、空調(diào)等邏輯管理控制，可通過配置的人機(jī)交互面板完成對相關(guān)開關(guān)或模式的控制。同時，80間教室和3間會議室均可通過校園局域網(wǎng)與總控制系統(tǒng)通訊，可以實現(xiàn)對每間教室（或會議室）使用狀態(tài)的實時反饋。

具體實現(xiàn)方式為，從總控室布置光纖至各個樓棟（接入總控室的控制主機(jī)的樓層），再細(xì)分至每個教室和會議室，學(xué)校網(wǎng)絡(luò)布線圖如圖2所示。

采用校園局域網(wǎng)，搭建物聯(lián)網(wǎng)控制內(nèi)部通訊獨(dú)立統(tǒng)一網(wǎng)段，總控室設(shè)置1臺總控制主機(jī)和1臺管理總控用的人機(jī)交互面板，管理員可在控制主機(jī)專用網(wǎng)段內(nèi)，在總控室通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊控制，實現(xiàn)對所有教室物聯(lián)網(wǎng)智能化管理控制。每間教室設(shè)置1臺控制主機(jī)和1臺人機(jī)交互面板，教師們可通過校園網(wǎng)絡(luò)對教室系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行控制。

同時對所有教室進(jìn)行權(quán)限設(shè)定，分為總控權(quán)限、年級分控權(quán)限、單間教室控制權(quán)限。如需在校園內(nèi)進(jìn)行無線控制則需要添加無線網(wǎng)絡(luò)，后期如用上智慧校園管理服務(wù)器系統(tǒng)，則需要升級服務(wù)器功能。

根據(jù)上述功能，除了設(shè)置總控制主機(jī)外，還要按照年級劃分設(shè)置分控權(quán)限，每個年級設(shè)定1臺年級控制主機(jī)，年級控制主機(jī)可控制本年級內(nèi)所有教室的控制主機(jī)，物聯(lián)網(wǎng)控制主機(jī)連線示意圖如圖3所示。

（1）總管理員的手機(jī)號申請一個主賬號;（2）主賬號綁定總控制主機(jī);（3）主賬號綁定年級控制主機(jī)：初一、初二、初三、高一、高二、高三;（4）各年級管理員各自申請年級賬號;（5）主賬號根據(jù)年級邀請年級管理員管理年級控制主機(jī)的權(quán)限;（6）主賬號可隨時撤銷年級管理員的權(quán)限;（7）各年級管理員可以通過手機(jī)端或人機(jī)交互面板客戶端對各管轄教室進(jìn)行控制;（8）各教室通過配置的人機(jī)交互面板實現(xiàn)本地控制;（9）總控制系統(tǒng)人機(jī)交互面板共分為三級控制界面。

根據(jù)權(quán)限劃分，總管理員的操作界面分為三級界面，一級界面為所有年級總控頁面，二級界面為單個年級總控頁面，三級界面為單個教室控制頁面。

一級界面設(shè)定為初一年級、初二年級、初三年級、高一年級、高二年級和高三年級;二級界面設(shè)定為各個年級所有班級（假設(shè)有6個班），點擊初一年級按鈕后，可以看到初一年級所有班級教室的控制頁面;再點擊進(jìn)入初一（1）班時，可以看到三級界面即這個教室所有設(shè)備的控制界面，人機(jī)交互面板控制界面架構(gòu)圖如圖4所示。

5? 達(dá)到的效果

根據(jù)某中學(xué)實際需求，給學(xué)校設(shè)立了物聯(lián)網(wǎng)智慧校園集群控制系統(tǒng)，通過校園局域網(wǎng)實現(xiàn)了總控制系統(tǒng)的控制功能，實現(xiàn)了年級分組控制功能，實現(xiàn)了對80間教室和3間會議室的控制功能，并實現(xiàn)總控制系統(tǒng)可任意控制每個年級以及每個教室和會議室設(shè)備的開啟或關(guān)閉，年級分控系統(tǒng)可控制本年級任意教室設(shè)備的開啟或關(guān)閉，單間教室的控制系統(tǒng)可單獨(dú)控制本教室設(shè)備的開啟或關(guān)閉。物聯(lián)網(wǎng)智慧校園集群控制系統(tǒng)界面圖如圖5所示（以初一（1）班為例）。

6? 結(jié)? 論

本系統(tǒng)自2018年實施以來已運(yùn)行兩年，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定。本系統(tǒng)解決了學(xué)校教室和會議室設(shè)備一直以來由于控制鍵過多、管理分散導(dǎo)致工作效率低下的問題，減少了學(xué)校工作人員管理這些設(shè)備的時間，大大提高了工作效率。同時，本系統(tǒng)為學(xué)校提供的一整套可視化人機(jī)交互界面，技術(shù)先進(jìn)，使用簡便，使得學(xué)校的智能化教學(xué)和智能化管理更加規(guī)范、高效、智能以及人性化，真正意義上實現(xiàn)了權(quán)限管理化、管理數(shù)據(jù)化、數(shù)據(jù)邏輯化和邏輯可視化的智能控制目標(biāo)。另外，本系統(tǒng)拓展性較強(qiáng)，不僅能控制智慧教室設(shè)備管理系統(tǒng)，還能控制智能綠色能源管理系統(tǒng)和智能安防報警系統(tǒng)等，同樣也適用于其他需要集中控制的設(shè)備，而且受控設(shè)備的數(shù)量和種類不受限制，只要受控設(shè)備有相對應(yīng)的接口并能與本系統(tǒng)對接即可。

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作者簡介：林書句（1979.09—），男，漢族，廣東饒平人，講師，本科，研究方向：電路與系統(tǒng)、智能控制。