智能网络化教室管理系统的设计与开发

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(青岛大学自动化与电气工程学院，山东 青岛 266100)

0 引 言

教室是高校教学环节的重要组成部分，作为高等学校一项重要的教学资源，除在每学期开学前已安排有指令性的教学任务(课程表)之外，也必须承担课程表之外的各项学校工作。如何在各项工作中合理、安全的使用和安排教室资源，达到充分利用，成为了教室管理工作的主要任务[1]。高校教室的特点是一般采用开放式管理，学生基本无固定教室、固定座位，且清扫人员仅负责卫生和维护工作。

从对教室的日常使用可以发现，教室的管理存在诸如：冬季供暖的能源浪费[2]、照明用电浪费[3]、贵重设施安全保障[4]等一系列问题。针对这些问题，当前已经对如何解决展开了尝试，如ACME楼宇现场控制器和气候补偿节能控制器、SL8321时间照度节能控制开关、常规的门禁系统等等。但这些系统主要是针对楼宇等大型建筑主体，无法适应教室这种小型空间的日常管理。因此，涉及一套自主设计并开发的智能网络化教室管理系统，系统主要基于ZigBee技术(一种低价位、低功耗、自组网的近程无线通讯技术)，以解决教室管理中存在的诸多问题。

1 系统原理和硬件组成

1.1 ZigBee技术

Zigbee作为一种新兴的近程、低速率、低功耗的无线网络技术，主要用于近距离无线连接。具有低复杂度、低功耗、低速率、低成本、自组网、超视距、可靠性高的特点。ZigBee可以嵌入各种设备，主要应用于自动控制和远程控制等领域。简而言之，ZigBee就是一种便宜的、低功耗、自组网的近程无线通讯技术[5]。

ZigBee联盟把IEEE 802.15.4中定义的PAN协调器、协调器和一般设备分别称为：网络协调器、网络路由器和网络终端设备。其中网络协调者主要负责网络的建立，以及网络配置；路由器负责找寻、建立和修复网络报文信息，并负责转发；网络终端具有加入、退出功能，并可接收和发送报文，但终端设备不允许路由转发。

1.2 系统模块

该智能教室主要包含四个子系统，分别是供暖分时分温控制子系统、照明按需管理子系统、安全门禁子系统和多媒体设备智能控制子系统。其系统模块如图1所示。

图1 系统模块框图

智能教室采用星状网络结构，设备采用协调器和终端设备。且所有终端设备都直接与协调器通信，由协调器负责网络的建立和维护，以及与上位机的通信。子系统由传感器和终端节点组成，教室内的终端节点直接与协调器通讯，协调器与中心管理计算机之间则利用以太网转换模块，并通过已有的校园网接口与校园网内的中心管理计算机通讯。系统的无线网络拓扑结构如图2所示。

图2 智能教室无线网络拓扑结构框图

各子系统组成和功能包括：

(1)供暖分时分温控制子系统

根据实际需求，教室的供暖宜集中在开放时段，教室关闭时则采取小流量防冻方式，从而达到节能的目的[6]。为降低系统硬件成本，系统采用普通电磁阀，安装在教室供暖管道的进水管处。选用的电磁阀的开度有2个档位，分别是100%和20%。由于管道和散热器防冻的需要，系统需进行小流量循环，所以不能选用全关闭电磁阀。系统硬件由电源板、CC2530无线节点模块[7]、温度传感器模块和继电器输出模块等组成，如图3所示。

(2)照明按需管理子系统 教室照明和其它领域的照明不同，有着严格的照度要求。为此，国家专门颁布了《中小学校教室采光和照度卫生标准》，在《建筑照明设计标准》中，也专门为教室的采光、照明等制订了国家标准[8]。其核心就是要保证足够的光照度，减少晕光等不利因素的影响。依照国家相关标准规定，教室白天照度不低于200LUX，晚间照度不低于150LUX[8]。

图3 供暖分时分温控制子系统结构框图

图4 照明按需管理子系统结构框图

图5 中心节点主程序流程图

系统保持教室原有的4路照明电源回路，可不改变原有布局，简化布线。在回路中设置一个光照传感器和一个热释电传感器来检测室内光照和判断是否有人，然后根据设定的时间、照度值和是否有人，自动控制照明电源的开启和关闭。在开启时间段内，当自然光照度值低于设定值并区域有人时，照明电源开启，否则关闭电源。系统硬件由电源板、CC2530无线节点模块、光照度传感器模块、热释电传感器模块和继电器输出模块等组成如图4所示。

其中光照度传感器采用BPW34S光电二极管，并通过TLV2372运算放大器进行信号转换，变为电压信号后送到CCC2530模拟量输入端子AIN0进行A/D转换。

(3)安全门禁子系统

安全门禁系统能够接收中心管理计算机按课表安排而发出的教室门锁开、关指令，不需人工干预，降低了管理人员的劳动强度。由于教室门在使用过程中具有频繁开、关的特点，所以不能采用普通楼宇单元门经常采用的电控锁，而应该采用磁力锁，它具有吸力强，容易安装，耗电量低，自动消磁无残磁，低噪音，防腐蚀，使用寿命长，无机械故障等特点。系统硬件由电源板、CC2530无线节点模块和继电器输出模块等组成。

2 系统软件设计

系统上位机软件设计采用LabVIEW虚拟仪器方案和工业组态软件两种方案。选择了第一种方案来进行上位机软件开发。系统中心节点主程序流程如图5所示。

3 结 语

针对当前高校教室管理中存在的问题，基于物联网技术，在高校教室智能化、节能化等方面展开了探索和研究。设计并开发了一种基于ZigBee物联网技术的智能网络化教室管理系统。该系统包含硬件与软件两个方面，一方面通过硬件设备对教室具体情况加以调整，另一方面通过软件控制实现物联网基础上的教室智能化网络管理。本系统具有较好的教室管理能力，能够满足日常教学、管理、维护等要求，具有很好的应用前景。