物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的智能教室實(shí)現(xiàn)方案

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摘要：針對(duì)校園信息化建設(shè)目標(biāo)，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能教室建設(shè)，能夠提高校園教室管理水平。系統(tǒng)通過傳感器實(shí)現(xiàn)教室環(huán)境數(shù)據(jù)采集，通過控制器芯片實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制，通過WiFi技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，通過藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)終端數(shù)據(jù)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)教室科學(xué)化、智能化管理。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能教室；信息化建設(shè)

引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，物聯(lián)網(wǎng)給人們的生活帶來了便利[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在校園信息化建設(shè)中發(fā)揮了重要的作用，能夠豐富教學(xué)方式、優(yōu)化教學(xué)管理、減少學(xué)校資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)教室智能化管理。本文針對(duì)校園信息化建設(shè)目標(biāo)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過微控制器實(shí)現(xiàn)智能控制和數(shù)據(jù)采集，通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)展示，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)新型的信息化教學(xué)和智能教室管理手段，旨在推進(jìn)學(xué)校信息化建設(shè)。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1系統(tǒng)需求

環(huán)境采集模塊：利用傳感器實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度、室外雨水強(qiáng)度等數(shù)據(jù)的采集，通過ZigBee、WiFi和藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與實(shí)時(shí)展示。設(shè)備控制模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)教室智能鎖、電燈、投影儀、空調(diào)、窗戶和窗簾的智能控制。對(duì)于終端控制智能鎖的開閉，電燈能夠根據(jù)教室是否有人實(shí)時(shí)開閉，終端能夠控制投影儀的開閉，空調(diào)能夠根據(jù)室溫自動(dòng)制冷或制熱，窗戶能夠根據(jù)室外天氣自動(dòng)開閉，窗簾能夠根據(jù)外界光線強(qiáng)度自動(dòng)開閉。能耗監(jiān)測模塊：對(duì)教室電器設(shè)備用電數(shù)量進(jìn)行檢測，記錄電器使用能耗，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備的安全管理，防止電器長時(shí)間運(yùn)行對(duì)電路造成負(fù)載。

1.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案

系統(tǒng)涉及的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過傳感器自帶協(xié)議獲取，對(duì)于需要在LCD顯示屏或終端上實(shí)時(shí)顯示的數(shù)據(jù)，傳感器與控制器間通過串口、I2C和SPI等協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，終端通過藍(lán)牙或WiFi實(shí)現(xiàn)與控制器間的數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于歷史數(shù)據(jù)的查詢與分析，本系統(tǒng)利用傳感器和電表通過組態(tài)軟件將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫中，由終端通過HTTP協(xié)議或WebService協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的操作。

1.3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制器根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)控制教室設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，利用控制器將采集到的數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示屏，利用串口協(xié)議、C#語言將傳感器采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中供上位機(jī)或APP查詢與分析，利用WiFi模塊實(shí)現(xiàn)終端的實(shí)時(shí)控制。系統(tǒng)硬件總體框如圖1所示。

1.3.1空調(diào)控制硬件電路控制器選用51系列單片機(jī)，溫度檢測部分包含數(shù)字溫度傳感器DS18B20和RTC時(shí)鐘S35190A，采用24LC02實(shí)現(xiàn)溫度存儲(chǔ)，利用LCD顯示實(shí)時(shí)溫度，控制器編寫程序?qū)崿F(xiàn)根據(jù)溫度控制空調(diào)的制冷或制熱。空調(diào)控制電路如圖2所示。

1.3.2窗戶控制硬件電路通過窗戶外雨滴傳感器獲取模擬量數(shù)據(jù)，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換芯片送入處理器，處理器根據(jù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字量識(shí)別窗外的情況，通過控制器控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)窗戶的自動(dòng)打開與關(guān)閉，由LCD顯示屏顯示當(dāng)前雨滴傳感器的數(shù)據(jù)。窗戶控制電路如圖3所示。

1.3.3窗簾控制硬件電路通過光敏電阻在外界光線強(qiáng)度變化下的阻值改變情況，使得輸出電壓發(fā)生變化，變化的電壓信號(hào)通過AD轉(zhuǎn)換芯片，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，進(jìn)而輸入到單片機(jī)處理器，控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)窗簾的打開與關(guān)閉，由LCD顯示屏顯示當(dāng)前窗簾的狀態(tài)。窗簾控制電路如圖4所示。

1.3.4無線數(shù)據(jù)傳輸智能終端通過藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，采用HC-06嵌入式藍(lán)牙串口通信模塊，通過該模塊實(shí)現(xiàn)與終端設(shè)備的連接，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)互通，終端編寫程序控制協(xié)議，設(shè)置對(duì)應(yīng)波特率、工作方式等。數(shù)據(jù)傳輸硬件電路如圖4所示。

1.3.5終端數(shù)據(jù)分析終端通過HTTP協(xié)議獲取遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，通過終端實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境、設(shè)備參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)查詢，實(shí)現(xiàn)對(duì)電表用電數(shù)據(jù)分析，通過智能分析實(shí)時(shí)保護(hù)設(shè)備運(yùn)行和教室用電安全。

1.4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.4.1單片機(jī)程序設(shè)計(jì)單片機(jī)程序設(shè)計(jì)采用Keil5平臺(tái)，使用C語言編程實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備的控制。

1.4.2終端程序設(shè)計(jì)使用C#語言編程開發(fā)上位機(jī)，通過上位機(jī)將傳感器獲得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫中，使用Java語言編程實(shí)現(xiàn)Android平臺(tái)的開發(fā)，通過Android平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢與分析，對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。

2結(jié)語

綜上所述，利用傳感器模塊、控制器模塊和終端模塊實(shí)現(xiàn)智能教室，能夠提升學(xué)校的信息化管理水平。本文使用單片機(jī)作為控制器，并結(jié)合多種傳感器及硬件模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集并實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)電燈、投影儀和空調(diào)等設(shè)備的控制，將WiFi和藍(lán)牙模塊作為數(shù)據(jù)傳輸載體，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的傳輸和終端對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。由于ZigBee具有低成本、低耗電和支持大量網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)整個(gè)學(xué)校智能教室互聯(lián)，可以通過ZigBee無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸與整合?？傊?，學(xué)校智能教室的實(shí)現(xiàn)為學(xué)校信息化發(fā)展及學(xué)校安全管理等方面提供了有力的支持。

參考文獻(xiàn)

[1]韓宇翃,林蜜蜜,寇一菲.AIED趨勢下智能教室設(shè)計(jì)及教學(xué)模式探索與構(gòu)建[J].藝術(shù)教育,2019(3):172-174.

作者：陳浩 胡兆鵬 楊雨薇 李秀靜 單位：南通理工學(xué)院