基于物聯網的智慧校園集群控制系統(tǒng)的設計與實現

摘? 要：隨著物聯網技術的不斷發(fā)展，其在智慧校園建設中扮演著越來越重要的角色。文章旨在建立一個基于物聯網的智慧校園集群控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可控制智慧教室設備管理系統(tǒng)、智能綠色能源管理系統(tǒng)和智能安防報警系統(tǒng)等，而且能夠根據用戶需求，進行個性化定制，使得學校的運轉更高效，服務更人性化。該系統(tǒng)已經在某中學使用，學校反映功能齊全，性能穩(wěn)定，操作方便，界面友好，拓展性能佳，經濟實惠。

關鍵詞：物聯網;智慧校園;集群控制系統(tǒng);ZigBee

中圖分類號：TP391.44;TN929.5? ? ? 文獻標識碼：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

校園事務繁雜，若采用分散式管理會導致管理效率低下，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，容易造成嚴重后果。鑒于此，基于物聯網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的智慧校園集群控制系統(tǒng)設計為例，學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、風扇和空調等設備，在使用基于物聯網的智慧校園集群控制系統(tǒng)前每個設備或電器只能獨立控制不能聯控，操作繁瑣;在使用基于物聯網的智慧校園集群控制系統(tǒng)后能實現對所有教室的統(tǒng)一控制，下面介紹該系統(tǒng)的設計與實現情況。

1? 概念解釋

智慧校園集群控制系統(tǒng)是一套針對學校定制的權限管理化、管理數據化、數據邏輯化、邏輯可視化的集群控制系統(tǒng)。

2? 設計理念

本設計方案結合目前該領域最新技術，同時根據用戶需求采取個性化與人性化設計，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)設計目標

3.1? 智慧教室設備管理系統(tǒng)

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

3.1.1? 組網方式

關于智能控制系統(tǒng)的組網及搭建方式，其核心設備采用配電箱式的安裝方式，無須重新配置機柜，采用平常使用的配電箱即可。與現有設備之間的通訊，可以通過對每間教室內的有線局域網升級改造來實現，當教室的有線局域網不具備改造環(huán)境時，可以通過無線ZigBee通訊方式實現對現有教室內已有設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)，均可以通過人機交互面板上的客戶端進行控制。開啟客戶端，就可以對教室的所有設備進行控制，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、現場交流模式和下課模式等模式控制，當然，這些模式也可以根據用戶需求進行個性化定制。當開啟了這些模式時，控制主機就會發(fā)送指令給相關設備，進行開啟和關閉。

擴展功能：結合課表管理系統(tǒng)和權限系統(tǒng)，課表管理系統(tǒng)授權的教師，還可以通過個人手機上安裝的控制應用APP，在授權的教室以掃描二維碼的方式獲取對教室的控制權限，并對教室內的設備進行控制。

3.2? 智能綠色能源管理系統(tǒng)

隨著用電負荷的持續(xù)增長，用電排放也日益增多。但學校的教學用電是必要的，為了合理用電、節(jié)約能源，系統(tǒng)對教室進行用電管理，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，是在不影響教學質量又能提高對能耗管理的前提下，根據實際教室內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。在教室被授權使用時，可通過集群控制系統(tǒng)人機交互面板的客戶端進行控制，在無須開啟燈光的時間段內，可選擇是否允許照明開啟。在下課教室門關閉后，燈光會自動關閉，實現節(jié)能環(huán)保的照明控制。

每間教室配置環(huán)境狀態(tài)感應器，當教室內的亮度足夠時，系統(tǒng)會禁止開啟燈光;當教室內的亮度不夠時，系統(tǒng)會自動開啟照明設備。這樣既保護師生的眼睛，又保障教學效果。再配置電能感應器，可以實現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

將教室內的插座供電通過集中控制強電繼電器進行管理，并配置電能感應器，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備的實時用電量，實現對整棟教學樓的用電統(tǒng)一管理。

3.2.3? 空調能耗管理

配置溫度感應器，可實現對教室環(huán)境溫度的調節(jié)。通過集群控制系統(tǒng)，可通過自動或手動方式，對教室內的空調進行開關以及對溫度、模式的調節(jié)。譬如，系統(tǒng)設定當教室內的溫度未達到額定值如26 ℃，系統(tǒng)會禁止開啟空調，同樣，系統(tǒng)可設定當溫度高于26 ℃時，自動將空調打開并調整至26 ℃。當教室停止使用時，空調會自動關閉。

另外給每間教室窗戶配置接觸感應器，當教室的空調開啟時，如果窗戶沒有及時關閉，系統(tǒng)會發(fā)出提示。當教室停止使用、系統(tǒng)檢測出窗戶未關閉時，系統(tǒng)也會發(fā)出提示。整套系統(tǒng)既保證了教學環(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，實現總系統(tǒng)的統(tǒng)一調度控制功能。

3.3? 智能安防報警系統(tǒng)

電腦室或會議室都會有電腦、投影機等貴重設備，因此需要給這些教室或會議室設置門禁。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;當門鎖被破壞，管理員沒辦法在第一時間知曉，可能造成資產的嚴重損失。

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，實現對教室大門的實時監(jiān)管。結合智能課表管理系統(tǒng)，實現對教室門禁的權限管理功能。智能門禁系統(tǒng)具有指紋、密碼、刷卡、人臉識別等功能，在教室授權使用期間，可以通過指紋、密碼、刷卡、人臉識別等方式進入使用。在非課表排課的其他時間，即便有權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)可以實現對教室內窗戶的管理，采用了接觸式感應器與智慧校園集群控制系統(tǒng)對接，并對窗戶進行狀態(tài)采集，當窗戶需要關閉但并未關閉時，系統(tǒng)會禁止一些連帶功能的使用（如空調開啟）或發(fā)出系統(tǒng)警報提醒管理員關閉。

3.3.3? 非常規(guī)預警系統(tǒng)

當非上課時間或教室并未授權使用時，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，并配合擴展的信息推送系統(tǒng)，根據需要或權限將消息推送給相關人員，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)設計與實現

根據上述主要控制系統(tǒng)及子系統(tǒng)的設計目標，以某中學為例，進行基于物聯網的智慧校園集群控制系統(tǒng)的設計與實現。該中學共有80間教室和3間會議室，學校為了合理用電、節(jié)約能源，希望對所有教室和會議室的燈光、空調、風扇都能統(tǒng)一管理。根據校方要求，設置一套物聯網控制總控系統(tǒng)（以下簡稱總控制系統(tǒng)）對80套教室和3套會議室進行集中控制。該系統(tǒng)在校園局域網內搭建，每套系統(tǒng)的具體功能如下。

總控制系統(tǒng)通過校園局域網可以實現對80間教室和3間會議室的燈光、空調、風扇集中控制，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，物聯網控制總控系統(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）內的燈光、風扇、空調等邏輯管理控制，可通過配置的人機交互面板完成對相關開關或模式的控制。同時，80間教室和3間會議室均可通過校園局域網與總控制系統(tǒng)通訊，可以實現對每間教室（或會議室）使用狀態(tài)的實時反饋。

具體實現方式為，從總控室布置光纖至各個樓棟（接入總控室的控制主機的樓層），再細分至每個教室和會議室，學校網絡布線圖如圖2所示。

采用校園局域網，搭建物聯網控制內部通訊獨立統(tǒng)一網段，總控室設置1臺總控制主機和1臺管理總控用的人機交互面板，管理員可在控制主機專用網段內，在總控室通過有線或無線網絡進行通訊控制，實現對所有教室物聯網智能化管理控制。每間教室設置1臺控制主機和1臺人機交互面板，教師們可通過校園網絡對教室系統(tǒng)設備進行控制。

同時對所有教室進行權限設定，分為總控權限、年級分控權限、單間教室控制權限。如需在校園內進行無線控制則需要添加無線網絡，后期如用上智慧校園管理服務器系統(tǒng)，則需要升級服務器功能。

根據上述功能，除了設置總控制主機外，還要按照年級劃分設置分控權限，每個年級設定1臺年級控制主機，年級控制主機可控制本年級內所有教室的控制主機，物聯網控制主機連線示意圖如圖3所示。

（1）總管理員的手機號申請一個主賬號;（2）主賬號綁定總控制主機;（3）主賬號綁定年級控制主機：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）主賬號根據年級邀請年級管理員管理年級控制主機的權限;（6）主賬號可隨時撤銷年級管理員的權限;（7）各年級管理員可以通過手機端或人機交互面板客戶端對各管轄教室進行控制;（8）各教室通過配置的人機交互面板實現本地控制;（9）總控制系統(tǒng)人機交互面板共分為三級控制界面。

根據權限劃分，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;二級界面設定為各個年級所有班級（假設有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;再點擊進入初一（1）班時，可以看到三級界面即這個教室所有設備的控制界面，人機交互面板控制界面架構圖如圖4所示。

5? 達到的效果

根據某中學實際需求，給學校設立了物聯網智慧校園集群控制系統(tǒng)，通過校園局域網實現了總控制系統(tǒng)的控制功能，實現了年級分組控制功能，實現了對80間教室和3間會議室的控制功能，并實現總控制系統(tǒng)可任意控制每個年級以及每個教室和會議室設備的開啟或關閉，年級分控系統(tǒng)可控制本年級任意教室設備的開啟或關閉，單間教室的控制系統(tǒng)可單獨控制本教室設備的開啟或關閉。物聯網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? 論

本系統(tǒng)自2018年實施以來已運行兩年，運行狀態(tài)穩(wěn)定。本系統(tǒng)解決了學校教室和會議室設備一直以來由于控制鍵過多、管理分散導致工作效率低下的問題，減少了學校工作人員管理這些設備的時間，大大提高了工作效率。同時，本系統(tǒng)為學校提供的一整套可視化人機交互界面，技術先進，使用簡便，使得學校的智能化教學和智能化管理更加規(guī)范、高效、智能以及人性化，真正意義上實現了權限管理化、管理數據化、數據邏輯化和邏輯可視化的智能控制目標。另外，本系統(tǒng)拓展性較強，不僅能控制智慧教室設備管理系統(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備，而且受控設備的數量和種類不受限制，只要受控設備有相對應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。