基于物聯網的智慧教室預警系統研究

李兆非 張健 陳浩 宿峰

摘要：將物聯網、大數據等新一代信息技術融入教室安全預警及消防等領域，建立教學場所安全預警系統，對教室、實訓室等教學場所進行實時防火防盜檢測和預警，能夠最大限度地保障學生和教師的生命財產安全。通過煙感傳感器采集煙霧數據預防火情；通過釋熱傳感器檢測有人進入預防被盜；控制器采集數據實時監測，并且將數據上傳到云平臺，通過云平臺可以實時查看教學場所數據情況。

關鍵詞：預警系統；物聯網；智慧教室

中圖分類號：TH139 文獻標識碼：A

0 引言

智慧教室預警系統是智慧教室的重要組成部分，預警系統可以幫助校園安保人員迅速鎖定緊急情況并第一時間做出有效反應。將物聯網等新一代信息技術應用到學校安防領域，可以大幅降低事故發生率，保障師生生命財產安全，在大大降低安防人員工作強度的同時有效完成教室防火、實訓室防火防盜等安防工作。

1 智慧教室預警系統的意義

1.1 有效預防環境的不安全因素

環境安全因素主要包括火情、有毒氣體或液體泄漏等，由于本文主要針對教室及實訓室等普通場所，而非化學實驗室等高危場所，因此考慮的環境安全因素主要是火情。智慧教室預警系統采用高清攝像頭和煙感傳感器雙重檢測，可以有效預防火情發生[1]。

1.2 精準防護人的不安全因素

智慧教室預警系統對教室及實訓室內設備被盜有預警作用。采用釋熱傳感器，能夠檢測教室內是否有人在現場。如果人以非正常途徑或在夜間進入教室實訓室，系統判定為盜竊，就會發出報警信號。安保人員收到報警后可通過攝像頭查看具體情況，一旦情況落實則可聯系樓座分管安保人員第一時間做出反應。

1.3 提高教室管理效率，降低工作強度

智慧教室預警系統大大降低了工作強度，而且將安全隱患降到最低，采用多重防護來保障教師學生的生命財產安全。校園安保和防護人員可以通過云平臺遠程查看教室及實訓室的實景畫面，且在操控室即可完成。該系統能夠實現實時預警，若有安全狀況會通過報警器報警，安保人員查看視頻實景畫面后，如果判定是真實情況，則可在第一時間采取措施。

2 智慧教室預警系統架構

智慧教室預警系統架構包括感知層、網絡層、數據層和應用層。

2.1 感知層

感知層由各個傳感器組成，它將外界環境的變化轉化為電信號，然后通過網絡通信傳輸給控制器，控制器接收到信號之后控制設備做出動作。感知層相當于人體感覺器官，控制器相當于人類大腦，感覺器官把信號傳給大腦，大腦收到信號之后做出反應，這個過程是一個有反饋的閉環活動，與感知層到控制器的傳輸鏈路是相似的。智慧教室預警系統的感知層主要是高清攝像頭、溫度傳感器和煙感傳感器，煙感傳感器可以感知煙的濃密稀疏，一旦超過一定濃度則認定為有火情，會傳輸信號給控制器，控制器發出警報，安保人員聽到警報聲后，可以通過視頻監控查看現場情況，并進行遠程操控。

2.2 網絡層

網絡層的作用是傳輸感知層感知到的數據，相當于連接感覺神經和大腦的鏈路，是預警系統必不可少的部分。網絡層的形式多種多樣，包括移動數據網絡、無線寬帶網絡、藍牙有線互聯網絡、工業網絡等，智慧教室預警系統的網絡層采用有線網絡和無線網絡搭配的方式。感知層將感知到的環境參數信號轉換成電信號，但電信號不能直接傳輸給控制器，需要進行轉換和傳輸。有的傳感器輸出是模擬量，有的是數字量信號，但是控制器內部直接處理的信號是數字量信號，因此有時候需要轉換。數字量信號只有高低電平兩種信號，即0 和1[2]。數字量信號的傳輸分為串行傳輸和并行傳輸。并行傳輸是若干條數據線同時傳輸信號，其優點是各個傳輸線之間互不干擾，速度快，但是這非常占用輸入輸出口的資源，在采集量需求大的場合，輸入輸出口的資源是很有限的，這樣容易造成輸入輸出資源的浪費，因此出現了串行傳輸[3]。串行傳輸僅通過一條數據線進行發送和接收，按照先后順序將數據發送出去，一次傳送只能傳送一幀信息，一個完整的數據幀包括校驗、握手協議和數據等內容。串行傳輸解決了并行傳輸占用資源多的缺點，因此在工業上應用廣泛，常用的串行通信有RS232 通信和RS485 通信，本文中智慧教室預警系統的網絡層就使用了串行傳輸。

在串行通信中，通信的兩端必須有同樣標準的接口，才能使得設備連接起來進行正常通信。

RS232 接口是目前最常用的串行通信標準之一，它是1970 年美國電子工業協會聯合調制解調器廠家等共同制定的標準。該標準起初規定采用一個25腳的DB25 連接器，后來簡化為9 腳的DB9 連接器，目前工業上使用RS232 通信只使用TXD、RXD 和GND 這3 條線。TXD 代表發送，RXD 代表接收，GND 是接地的意思，代表接收和發送的兩端要共地。

RS232 雖然使用方便、結構簡單，但是它的傳輸距離僅有幾十米，而且工業現場一般環境比較嘈雜，各種電氣設備容易產生電磁干擾，RS232傳輸數據容易產生錯誤，因此出現了RS485 通信。

RS485 采用差分傳輸方式，差分傳輸電路可以有效抑制共模信號（干擾信號），抗干擾能力強，而且傳輸距離遠，可達1 200 m，適合用在長距離傳輸和工業場合環境復雜、干擾較強的場合。

2.3 數據層

為了方便采集來的數據后續接入控制層，需要對接入的數據進行標準化處理，以便統一進行存儲，這些相關處理就是數據層的工作[4]。該層主要起輔助作用，是連接網絡層和控制層的橋梁紐帶，能夠保證數據有效傳送。采集來的數據渠道有RS232 傳輸，也有無線傳輸，不同的設備與不同的協議標準，最終要統一傳送給控制層，必須對其進行統一規范化處理。

2.4 應用層

應用層對于本系統來說是最高級別層，也是直接供操作者使用的一層，其結構如圖1 所示。它具有人機操作界面，良好的人性化觸摸界面可以讓操作者快速便捷地操作和處理各種緊急情況與突發事件，可通過屏幕實時顯示各教室及實訓室的參數與高清攝像。

應用層提供實時查詢功能，可查詢每個教室及實訓室的參數，包括是否有火情、是否有盜竊等。應用層屬于軟件系統，需要利用計算機智能控制軟件才能監測火情、盜竊等情況。

3 智慧教室預警系統硬件研究

智慧教室預警系統的硬件結構包括監控攝像頭、上位機、三菱FX3U-48MR 型可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）、昆侖通態觸摸屏TPC7062TI、煙感傳感器、報警器等。

其中FX3U-48MR 型PLC 可以使用配套的專用模擬量數字量模塊FX3U-3A-ADP，包含3 個通道：2 個輸入通道和1 個輸出通道。2 個輸入通道可以輸入電壓或者電流，電壓輸入范圍為0 ～ 10 V，對應數字量數值為0 ～ 4 000；電流輸入范圍為4 ～ 20 mA，對應數字量數值為0 ～ 3 200。1 個輸出通道可以輸出電壓和電流，其中電壓輸出0 ～ 10 V 對應數值0 ～ 4 000；電流輸出4 ～ 20 mA 對應數值0 ～ 4 000。

核心部分是上位機以及FX3U-48MR 型PLC，煙感傳感器采集到的數據通過PLC 的模擬量輸入模塊輸送到PLC 進行比對，以此進行判斷。FX3U-48MR 型PLC 通過RS232 與觸摸屏進行通信，上位機軟件可以通過人機界面或觸摸屏顯示當前參數。例如，上位機可將判斷的結果傳送到PLC，通知PLC 是否有盜竊隱患，從而在觸摸屏上顯示出來。

在本文中，上位機作為主站，PLC 作為從站，主從站進行通信以實現功能。上位機軟件收到告警信號后在人機界面上告警，同時輸出信號給PLC，PLC 則發出信號給觸摸屏和報警器（圖2）。

4 智慧教室預警系統軟件研究

智慧教室預警系統軟件部分主要是控制器的程序設計。控制器在電復位之后接收煙感傳感器和釋熱傳感器傳輸來的數據，處理并在云平臺形成曲線，保存起來以便隨時查閱。將傳來的數據與標準閾值進行比較，如果不超過標準閾值則正常顯示，如果超過標準閾值則呈紅色顯示，并控制報警器報警[5]。與此同時，攝像頭將記錄的高清攝像視頻上傳到云平臺，消防安保人員收到報警信號查看現場視頻，如果是誤報警則取消報警，如果有真實火情則立即采取措施。此外，上位機軟件查看的數值還有釋熱傳感器的數值，如果釋熱值達到一定范圍則認定有人在教室場所，如果是在晚間或者以非門禁刷卡方式進入教室場所的情況，則認定為盜竊情況[6]，此時控制器發出信號，報警器報警，安保人員收到報警后立即查看監控，如果確有盜竊情況發生則安排相關樓層人員立即采取措施，將教室財產安全損失降到最低。

5 結論

智慧教室預警系統包括感知層、網絡層、數據層和應用層。感知層主要由傳感器組成；網絡層負責信息傳輸；數據層將傳輸來的數據進行統一處理，并把最終數據傳輸到應用層；應用層為軟件系統，包括云平臺界面，是人查看數據的界面。通過實時比對傳送來的數據與標準數據以監測火情，如果煙感傳感器的數值超過標準數據則表示出現火情，在屏幕上會顯示，同時控制器控制報警器發出警報及時通知相關樓層安保人員。通過釋熱傳感器則可以監測盜竊，如果監測到有人在夜間或者以非法手段進入教室則認定為盜竊，報警器報警。智慧教室預警系統的技術要點有兩個：一是元器件的選擇和硬件的搭建；二是軟件程序的編寫設計，后者也是本文的難點。智慧教室預警系統的研究對于智慧教室的實現是必不可少的，也豐富了智慧教室的功能和內容，物聯網等新一代信息技術的使用使得校園安防系統更加可靠，在降低工作量的同時提高校園的安全系數，保障師生的生命財產安全，有很高的社會經濟價值。

參考文獻

[1] 王剛，彭遠春，金雪梅，等. 石油企業生產安全智能預警系統研究[J]. 石化技術，2022，29（10）：72-74.

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[3] 張會銘，葉仁春，雷志華. 多媒體教室設備故障及風險預警系統研究：以華中科技大學多媒體教室設備管理為例[J]. 中國現代教育裝備，2009（11）：6-7.

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[5] 崔健，胡懷偉，張敏. 電網智能預警系統的設計與實現[J]. 自動化博覽，2013（增刊2）：309-312.

[6] 潘榮杰. 輸電線路在線巡視系統的智能預警系統分析[J]. 企業技術開發，2016，35（12）：89-90.