智慧校園可視化管理系統設計

宗靜

甘肅省金昌市龍門學校信息科技教師。目前已從教25年，多次獲得甘肅省科技創新大賽、甘肅省科普創新大賽、甘肅省學生信息素養提升實踐活動、甘肅省青少年創意編程與智能設計大賽、全國青少年科學影像節比賽活動等多項賽事的一、二、三等獎。主持多次科技相關的省級課題，發表過多篇省級論文。入圍金昌市信息學科的專家庫，為金昌市信息科技學科自學考試庫評委。

設計靈感

全球變暖、冰川消融、海平面上升、臭氧層空洞、災害頻發，人類正面臨著能源耗竭和氣候變暖的生存危機。保護地球人人有責，我們每個人都應該積極行動起來，而減少溫室氣體，特別是二氧化碳的排放又被稱為其中一個拯救地球的“治本”之舉。

在信息化時代，人們對科技改變生活有了更高的要求，而校園的信息化建設和智慧化管理也被提上了日程。作為地球家園的一分子，學生們產生了思考：我們該如何保護我們賴以生存的地球，如何使我們的學校成為低碳智慧的校園呢？于是在本項目中，學生們根據之前所學習的人工智能相關知識，設計出一個符合我校實際需求的“智慧校園可視化管理系統”。

設計思路

了解基本需求—根據需求確定設計功能—根據功能需求確定傳感器—選取合適的開源硬件和編程軟件—搭建—編程—調試。最終的創意作品效果圖如圖1所示。

硬件清單

1.校門口的人臉識別系統：主板+擴展板、二哈識圖、舵機、電池盒。

2.語音燈光控制系統：主板+擴展板、燈、語音識別模塊、數據線、接口線、電池盒。

3.室內空氣調節系統：主板+擴展板、液晶屏、空氣質量傳感器、溫濕度傳感器、風扇、電池盒。

4.校園自動清掃系統：中鳴機器人小車。

5.校園安全監控可視化管理系統：行空板、攝像頭、溫濕度傳感器、舵機。

功能設計

1.校門口的人臉識別系統功能設計

本項目使用“蘑菇云”的二哈識圖硬件來實現學生進入校門時的人臉識別。如果人臉是校內學生庫中的人臉圖像，那么校門口的舵機就會自動打開校門，讓學生進入學校。如果人臉與校內學生庫中的人臉圖像不匹配，那么校門口的舵機就不會打開校門，校門口的人就無法進入學校。人臉識別系統中的硬件連接圖如圖2所示。

2.語音燈光控制系統功能設計

（1）在小學教學樓模型上，我們需要設置一個低碳環保的燈光控制系統。本項目使用了一個語音識別傳感器，用它來控制學校的燈光設備。當上課的時候，教師說出“上課”，教室的燈就會調到最適合上課的亮度；當上完課后，教師說出“下課”，教室的燈就會調低亮度，使學生們可以休息一下眼睛。

（2）操場邊上的路燈：當管理員說“開燈”的時候，就會亮起紅燈；當管理員說“關燈”的時候，就會熄滅燈光。

（3）球場的燈光設備：當管理員說“打球”的時候，就會亮起綠燈；當管理員說“結束”的時候，就會熄滅全部燈光。

語音燈光控制系統硬件連接圖如圖3所示。

3.室內空氣調節系統功能設計

在初中教學樓模型上，我們使用了一個空氣質量傳感器來測量教室中的二氧化碳濃度，用溫濕度傳感器來測量教室中的溫度和濕度。當教室中的二氧化碳值大于400ppm時，教室中的風扇就會自動旋轉，給教室進行換氣。教室中還配有一個液晶顯示屏，時刻顯示教室中的溫度、濕度和二氧化碳的值，便于我們了解教室內的空氣質量。室內空氣調節系統硬件連接圖如圖4所示。

4.校園自動清掃系統功能設計

本項目使用了一輛中鳴的機器人小車，學生們可將它改裝成一輛自動垃圾車，此小車可通過手機遙控進行垃圾清理。

5.校園安全監控可視化管理系統功能設計

我們使用行空板和攝像頭，通過物聯網SIoT2.0實現可視化實時監控，同時還使用一個溫濕度傳感器來了解和掌握校園內的空氣質量，并且利用物聯網遠程將這些信息全部展示給管理者。在校園安全監控可視化管理系統中，我們使用一個舵機和行空板中的按鈕功能，實現了攝像頭不同方位的視頻監控功能。校園安全監控可視化管理系統硬件連接圖如圖5所示。

總功能設計圖如圖6所示。

研究阻礙

在項目研究過程中，學生們遇到了很多的難題，而且很多的領域都是他們未曾接觸過的。為了解決這些問題，學生們需要查找很多的資料，并向相關專業教師進行咨詢。在專業教師們的幫助下，學生們一一攻克了難關。

難題一：在搭建教學樓模型的過程中，如何將各種傳感器設備合理地安裝固定在模型中？學生們在教師的幫助下，學會了利用各種物理工具。

難題二：在搭建學校模型的圍欄時，一開始使用的是方形小木棍，但是木棍并不容易被剪裁。學生們積極思考后改用雪糕棒做材料，制作效果大大改善。

難題三：在各種材料和硬件的連接過程中，學生們對物理接線相關知識不了解。這部分內容需要教師給學生進行示范操作。

難題四：在智能控制程序編寫過程中，學生們出現了編程上的難題。教師及時給予指導和幫助。

難題五：在攝像頭實時跟蹤系統編程過程中，出現了物聯網的庫內存已滿，無法更新的問題。最后學生們找到原因，因為攝像頭要存的數據比較多，不用將數據都存入到庫，占用內存空間。

難題六：攝像頭跟隨舵機旋轉不到位。初期學生們對舵機的使用方法沒有完全掌握，最后經過教師的指導，這個問題完美得到解決。

功能特點

本系統的所有功能設計都是從我們學校的實際需求出發的。

1.人臉識別系統可以解放門衛工作人員和校領導的每日校門安全值班工作，并且有效地保證了學生們的安全問題。

2.語音燈光控制系統是本項目的一個亮點功能，學生通過控制語音識別傳感器，可實現不同燈光顏色的變換，并且由發出的語音指令來完成。

3.教室內的空氣調節系統可以為學生們提供一個更加舒適的學習環境。

4.校園安全監控可視化管理系統是本項目的一個創新點，我們通過物聯網完全實現了遠程監控功能。我們運用了“蘑菇云”的行空板和一個攝像頭，通過物聯SIoT2.0實現了可視化實時監控，并且利用可視化大屏，實現了不同方位的視頻監控功能以及展示功能。

項目小結

在本項目的創意設計中，學生們最大的收獲之一是提高了自己的動手能力，并且通過利用各種不同的廢舊材料來組裝校園模型的環境設施，又提高了自己的創新能力。學生們通過咨詢和請教物理學科教師，對簡單的物理原理也有了初步的認識。在本項目中，學生設計的這個作品功能還不是很完善，還需要繼續學習，了解不同的硬件原理，設計出更加完善的低碳智慧校園系統。