基于物联网的智慧校园集群控制系统的设计与实现

摘  要：随着物联网技术的不断发展，其在智慧校园建设中扮演着越来越重要的角色。文章旨在建立一个基于物联网的智慧校园集群控制系统，该系统可控制智慧教室设备管理系统、智能绿色能源管理系统和智能安防报警系统等，而且能够根据用户需求，进行个性化定制，使得学校的运转更高效，服务更人性化。该系统已经在某中学使用，学校反映功能齐全，性能稳定，操作方便，界面友好，拓展性能佳，经济实惠。

关键词：物联网;智慧校园;集群控制系统;ZigBee

中图分类号：TP391.44;TN929.5      文献标识码：A 文章编号：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

校園事务繁杂，若采用分散式管理会导致管理效率低下，信息无法实时知晓，特别是面对突发事件往往无法及时处理，延误时机，容易造成严重后果。鉴于此，基于物联网的智慧校园集群控制系统孕育而生，该系统可以解决分散式管理中存在的诸多问题。本文以笔者参与的某中学的智慧校园集群控制系统设计为例，学校有初中和高中共有80间教室和3间会议室，教室里有灯具、风扇和空调等设备，在使用基于物联网的智慧校园集群控制系统前每个设备或电器只能独立控制不能联控，操作繁琐;在使用基于物联网的智慧校园集群控制系统后能实现对所有教室的统一控制，下面介绍该系统的设计与实现情况。

1  概念解释

智慧校园集群控制系统是一套针对学校定制的权限管理化、管理数据化、数据逻辑化、逻辑可视化的集群控制系统。

2  设计理念

本设计方案结合目前该领域最新技术，同时根据用户需求采取个性化与人性化设计，做到功能齐全、性能稳定、操作方便、界面友好、拓展性能佳。

3  主要控制系统及子系统设计目标

3.1  智慧教室设备管理系统

每间教室均配置一套独立的智能控制系统，用来实现对整间教室的智能化管理，配置后可以对教室现有电子设备进行智能化的统一集中控制。

3.1.1  组网方式

关于智能控制系统的组网及搭建方式，其核心设备采用配电箱式的安装方式，无须重新配置机柜，采用平常使用的配电箱即可。与现有设备之间的通讯，可以通过对每间教室内的有线局域网升级改造来实现，当教室的有线局域网不具备改造环境时，可以通过无线ZigBee通讯方式实现对现有教室内已有设备的逻辑管理及控制。

3.1.2  管理控制

每间教室的管理系统，均可以通过人机交互面板上的客户端进行控制。开启客户端，就可以对教室的所有设备进行控制，并完成个性化的操作。还可以通过模式按钮切换授课环节模式、师生互动环节模式、现场交流模式和下课模式等模式控制，当然，这些模式也可以根据用户需求进行个性化定制。当开启了这些模式时，控制主机就会发送指令给相关设备，进行开启和关闭。

扩展功能：结合课表管理系统和权限系统，课表管理系统授权的教师，还可以通过个人手机上安装的控制应用APP，在授权的教室以扫描二维码的方式获取对教室的控制权限，并对教室内的设备进行控制。

3.2  智能绿色能源管理系统

随着用电负荷的持续增长，用电排放也日益增多。但学校的教学用电是必要的，为了合理用电、节约能源，系统对教室进行用电管理，推出了智能绿色能源管理系统。智能绿色能源管理系统是智慧校园集群控制系统的一个重要组成部分，涉及到照明能耗管理、用电能耗管理、空调能耗管理等方面。

3.2.1  照明能耗管理

系统对每间教室的灯光控制，是在不影响教学质量又能提高对能耗管理的前提下，根据实际教室内照明电源的布线情况，选择有线配电箱集中管理或无线控制管理。在教室被授权使用时，可通过集群控制系统人机交互面板的客户端进行控制，在无须开启灯光的时间段内，可选择是否允许照明开启。在下课教室门关闭后，灯光会自动关闭，实现节能环保的照明控制。

每间教室配置环境状态感应器，当教室内的亮度足够时，系统会禁止开启灯光;当教室内的亮度不够时，系统会自动开启照明设备。这样既保护师生的眼睛，又保障教学效果。再配置电能感应器，可以实现对教室照明能耗的可视化实时监管。

3.2.2  用电能耗管理

将教室内的插座供电通过集中控制强电继电器进行管理，并配置电能感应器，对于过大的非常规用电实施报警或断电控制。同时通过总系统可以查询到每间教室的设备的实时用电量，实现对整栋教学楼的用电统一管理。

3.2.3  空调能耗管理

配置温度感应器，可实现对教室环境温度的调节。通过集群控制系统，可通过自动或手动方式，对教室内的空调进行开关以及对温度、模式的调节。譬如，系统设定当教室内的温度未达到额定值如26 ℃，系统会禁止开启空调，同样，系统可设定当温度高于26 ℃时，自动将空调打开并调整至26 ℃。当教室停止使用时，空调会自动关闭。

另外给每间教室窗户配置接触感应器，当教室的空调开启时，如果窗户没有及时关闭，系统会发出提示。当教室停止使用、系统检测出窗户未关闭时，系统也会发出提示。整套系统既保证了教学环境的舒适度，又做到了绿色能源管理的功能。

以上均可以通过智慧校园集群控制系统总平台随时监测，实现总系统的统一调度控制功能。

3.3  智能安防报警系统

电脑室或会议室都会有电脑、投影机等贵重设备，因此需要给这些教室或会议室设置门禁。传统的做法采用物理门锁，的确起到了基本的防盗作用。但这样的方式也有局限性，譬如当管理员遇到突发事件不能及时开门，这间电脑室或会议室就无法使用;当门锁被破坏，管理员没办法在第一时间知晓，可能造成资产的严重损失。

3.3.1  智能门禁系统

在每间教室门口配置一到两套智能门禁系统，并与智慧校园集群控制系统对接，实现对教室大门的实时监管。结合智能课表管理系统，实现对教室门禁的权限管理功能。智能门禁系统具有指纹、密码、刷卡、人脸识别等功能，在教室授权使用期间，可以通过指纹、密码、刷卡、人脸识别等方式进入使用。在非课表排課的其他时间，即便有权限的教师也无法开启教室。

3.3.2  窗户管理系统

该系统可以实现对教室内窗户的管理，采用了接触式感应器与智慧校园集群控制系统对接，并对窗户进行状态采集，当窗户需要关闭但并未关闭时，系统会禁止一些连带功能的使用（如空调开启）或发出系统警报提醒管理员关闭。

3.3.3  非常规预警系统

当非上课时间或教室并未授权使用时，如果教室大门被人以非常规方式打开或教室窗户被非法打开时，系统会自动打开该教室灯光，同时通知楼层管理员及保安前去查看，并配合扩展的信息推送系统，根据需要或权限将消息推送给相关人员，便于对突发事件的及时处理。

4  智慧校园集群控制系统设计与实现

根据上述主要控制系统及子系统的设计目标，以某中学为例，进行基于物联网的智慧校园集群控制系统的设计与实现。该中学共有80间教室和3间会议室，学校为了合理用电、节约能源，希望对所有教室和会议室的灯光、空调、风扇都能统一管理。根据校方要求，设置一套物联网控制总控系统（以下简称总控制系统）对80套教室和3套会议室进行集中控制。该系统在校园局域网内搭建，每套系统的具体功能如下。

总控制系统通过校园局域网可以实现对80间教室和3间会议室的灯光、空调、风扇集中控制，通过总控制系统可控制单套教室（或会议室）的控制系统，也可实现对教室（或会议室）的分级分组控制。总控制系统具有对教室（或会议室）使用状态的查询功能，物联网控制总控系统及各楼栋控制系统连接图如图1所示。

单间教室（或会议室）内的灯光、风扇、空调等逻辑管理控制，可通过配置的人机交互面板完成对相关开关或模式的控制。同时，80间教室和3间会议室均可通过校园局域网与总控制系统通讯，可以实现对每间教室（或会议室）使用状态的实时反馈。

具体实现方式为，从总控室布置光纤至各个楼栋（接入总控室的控制主机的楼层），再细分至每个教室和会议室，学校网络布线图如图2所示。

采用校园局域网，搭建物联网控制内部通讯独立统一网段，总控室设置1台总控制主机和1台管理总控用的人机交互面板，管理员可在控制主机专用网段内，在总控室通过有线或无线网络进行通讯控制，实现对所有教室物联网智能化管理控制。每间教室设置1台控制主机和1台人机交互面板，教师们可通过校园网络对教室系统设备进行控制。

同时对所有教室进行权限设定，分为总控权限、年级分控权限、单间教室控制权限。如需在校园内进行无线控制则需要添加无线网络，后期如用上智慧校园管理服务器系统，则需要升级服务器功能。

根据上述功能，除了设置总控制主机外，还要按照年级划分设置分控权限，每个年级设定1台年级控制主机，年级控制主机可控制本年级内所有教室的控制主机，物联网控制主机连线示意图如图3所示。

（1）总管理员的手机号申请一个主账号;（2）主账号绑定总控制主机;（3）主账号绑定年级控制主机：初一、初二、初三、高一、高二、高三;（4）各年级管理员各自申请年级账号;（5）主账号根据年级邀请年级管理员管理年级控制主机的权限;（6）主账号可随时撤销年级管理员的权限;（7）各年级管理员可以通过手机端或人机交互面板客户端对各管辖教室进行控制;（8）各教室通过配置的人机交互面板实现本地控制;（9）总控制系统人机交互面板共分为三級控制界面。

根据权限划分，总管理员的操作界面分为三级界面，一级界面为所有年级总控页面，二级界面为单个年级总控页面，三级界面为单个教室控制页面。

一级界面设定为初一年级、初二年级、初三年级、高一年级、高二年级和高三年级;二级界面设定为各个年级所有班级（假设有6个班），点击初一年级按钮后，可以看到初一年级所有班级教室的控制页面;再点击进入初一（1）班时，可以看到三级界面即这个教室所有设备的控制界面，人机交互面板控制界面架构图如图4所示。

5  达到的效果

根据某中学实际需求，给学校设立了物联网智慧校园集群控制系统，通过校园局域网实现了总控制系统的控制功能，实现了年级分组控制功能，实现了对80间教室和3间会议室的控制功能，并实现总控制系统可任意控制每个年级以及每个教室和会议室设备的开启或关闭，年级分控系统可控制本年级任意教室设备的开启或关闭，单间教室的控制系统可单独控制本教室设备的开启或关闭。物联网智慧校园集群控制系统界面图如图5所示（以初一（1）班为例）。

6  结  论

本系统自2018年实施以来已运行两年，运行状态稳定。本系统解决了学校教室和会议室设备一直以来由于控制键过多、管理分散导致工作效率低下的问题，减少了学校工作人员管理这些设备的时间，大大提高了工作效率。同时，本系统为学校提供的一整套可视化人机交互界面，技术先进，使用简便，使得学校的智能化教学和智能化管理更加规范、高效、智能以及人性化，真正意义上实现了权限管理化、管理数据化、数据逻辑化和逻辑可视化的智能控制目标。另外，本系统拓展性较强，不仅能控制智慧教室设备管理系统，还能控制智能绿色能源管理系统和智能安防报警系统等，同样也适用于其他需要集中控制的设备，而且受控设备的数量和种类不受限制，只要受控设备有相对应的接口并能与本系统对接即可。

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作者简介：林书句（1979.09—），男，汉族，广东饶平人，讲师，本科，研究方向：电路与系统、智能控制。