物聯(lián)網技術下的智能教室實現(xiàn)方案

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摘要：針對校園信息化建設目標，本文提出基于物聯(lián)網技術的智能教室建設，能夠提高校園教室管理水平。系統(tǒng)通過傳感器實現(xiàn)教室環(huán)境數(shù)據(jù)采集，通過控制器芯片實現(xiàn)設備控制，通過WiFi技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，通過藍牙技術實現(xiàn)終端數(shù)據(jù)監(jiān)測，實現(xiàn)教室科學化、智能化管理。

關鍵詞：物聯(lián)網；智能教室；信息化建設

引言

隨著信息技術的不斷發(fā)展，物聯(lián)網技術應運而生，物聯(lián)網給人們的生活帶來了便利[1]。物聯(lián)網技術在校園信息化建設中發(fā)揮了重要的作用，能夠豐富教學方式、優(yōu)化教學管理、減少學校資源浪費，實現(xiàn)教室智能化管理。本文針對校園信息化建設目標，運用物聯(lián)網技術，通過微控制器實現(xiàn)智能控制和數(shù)據(jù)采集，通過上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)展示，通過物聯(lián)網技術實現(xiàn)新型的信息化教學和智能教室管理手段，旨在推進學校信息化建設。

1系統(tǒng)設計方案

1.1系統(tǒng)需求

環(huán)境采集模塊：利用傳感器實現(xiàn)室內溫濕度、CO2濃度、光照強度、室外雨水強度等數(shù)據(jù)的采集，通過ZigBee、WiFi和藍牙技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲與實時展示。設備控制模塊：實現(xiàn)對教室智能鎖、電燈、投影儀、空調、窗戶和窗簾的智能控制。對于終端控制智能鎖的開閉，電燈能夠根據(jù)教室是否有人實時開閉，終端能夠控制投影儀的開閉，空調能夠根據(jù)室溫自動制冷或制熱，窗戶能夠根據(jù)室外天氣自動開閉，窗簾能夠根據(jù)外界光線強度自動開閉。能耗監(jiān)測模塊：對教室電器設備用電數(shù)量進行檢測，記錄電器使用能耗，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)實現(xiàn)用電設備的安全管理，防止電器長時間運行對電路造成負載。

1.2數(shù)據(jù)存儲方案

系統(tǒng)涉及的基礎數(shù)據(jù)通過傳感器自帶協(xié)議獲取，對于需要在LCD顯示屏或終端上實時顯示的數(shù)據(jù)，傳感器與控制器間通過串口、I2C和SPI等協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，終端通過藍牙或WiFi實現(xiàn)與控制器間的數(shù)據(jù)傳輸。對于歷史數(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)傳送到遠程數(shù)據(jù)庫中，由終端通過HTTP協(xié)議或WebService協(xié)議實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的操作。

1.3系統(tǒng)硬件設計

控制器根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)實時控制教室設備的運行狀態(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)存儲在數(shù)據(jù)庫中供上位機或APP查詢與分析，利用WiFi模塊實現(xiàn)終端的實時控制。系統(tǒng)硬件總體框如圖1所示。

1.3.1空調控制硬件電路控制器選用51系列單片機，溫度檢測部分包含數(shù)字溫度傳感器DS18B20和RTC時鐘S35190A，采用24LC02實現(xiàn)溫度存儲，利用LCD顯示實時溫度，控制器編寫程序實現(xiàn)根據(jù)溫度控制空調的制冷或制熱?？照{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)，經過AD轉換芯片送入處理器，處理器根據(jù)轉換的數(shù)字量識別窗外的情況，通過控制器控制步進電機實現(xiàn)窗戶的自動打開與關閉，由LCD顯示屏顯示當前雨滴傳感器的數(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，變化的電壓信號通過AD轉換芯片，將模擬量轉換為數(shù)字量，進而輸入到單片機處理器，控制步進電機的正轉與反轉，實現(xiàn)窗簾的打開與關閉，由LCD顯示屏顯示當前窗簾的狀態(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牙模塊實現(xiàn)與單片機之間的數(shù)據(jù)傳輸，采用HC-06嵌入式藍牙串口通信模塊，通過該模塊實現(xiàn)與終端設備的連接，實現(xiàn)兩個模塊之間的數(shù)據(jù)互通，終端編寫程序控制協(xié)議，設置對應波特率、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)議獲取遠程數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，通過終端實現(xiàn)對環(huán)境、設備參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)查詢，實現(xiàn)對電表用電數(shù)據(jù)分析，通過智能分析實時保護設備運行和教室用電安全。

1.4系統(tǒng)軟件設計

1.4.1單片機程序設計單片機程序設計采用Keil5平臺，使用C語言編程實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集和設備的控制。

1.4.2終端程序設計使用C#語言編程開發(fā)上位機，通過上位機將傳感器獲得的數(shù)據(jù)轉存到遠程數(shù)據(jù)庫中，使用Java語言編程實現(xiàn)Android平臺的開發(fā)，通過Android平臺對數(shù)據(jù)進行查詢與分析，對設備進行控制。

2結語

綜上所述，利用傳感器模塊、控制器模塊和終端模塊實現(xiàn)智能教室，能夠提升學校的信息化管理水平。本文使用單片機作為控制器，并結合多種傳感器及硬件模塊，實現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)的采集并實時顯示，實現(xiàn)對電燈、投影儀和空調等設備的控制，將WiFi和藍牙模塊作為數(shù)據(jù)傳輸載體，實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的傳輸和終端對設備的遠程控制。由于ZigBee具有低成本、低耗電和支持大量網上節(jié)點等優(yōu)點，要實現(xiàn)整個學校智能教室互聯(lián)，可以通過ZigBee無線通信技術實現(xiàn)各個節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸與整合?？傊瑢W校智能教室的實現(xiàn)為學校信息化發(fā)展及學校安全管理等方面提供了有力的支持。

參考文獻

[1]韓宇翃,林蜜蜜,寇一菲.AIED趨勢下智能教室設計及教學模式探索與構建[J].藝術教育,2019(3):172-174.

作者：陳浩 胡兆鵬 楊雨薇 李秀靜 單位：南通理工學院