基于物联网的教室管理系统设计与实现

殷建

摘要：随着物联网技术的飞速发展，其在教育领域的应用日益广泛。文章针对教室管理存在的问题，设计并实现了一个基于物联网的教室管理系统，旨在通过实时监测和智能控制提高教室管理效率和安全性。该系统采用ARM Cortex-M系列微控制器作为主控芯片，结合DHT22温湿度传感器和MQ-2烟雾传感器，实现对教室环境和设备的实时监测。在软件部分，该系统利用MySQL数据库进行数据存储和管理，开发了一个Web应用程序实时显示教室的环境数据，设计了一个用户友好的控制界面允许远程控制设备。研究结果表明，该系统能够有效地提高教室管理的效率和安全性，具有很高的应用价值和市场前景。

关键词：物联网；教室管理系统；实时监测；设备控制

中图分类号：TP393  文献标志码：A

0 引言

随着信息技术的不断发展，物联网技术已经广泛应用于各个领域，为人们的生活和工作带来了极大的便利。传统教室管理在灵活性、个性化教学以及技术运用等方面都存在明显的缺陷，需要进行改革和创新，以适应新时代的教育需求。基于物联网的教室管理系统能够实现教室环境的实时监测、设备控制以及教学资源管理等功能，提高教室管理的效率和质量。本文旨在设计和实现一个基于物联网的教室管理系统，为教室管理提供智能化的解决方案。

1 物联网技术概论

物联网技术（Internet of Things，IoT）是信息科技产业的第三次革命，它通过信息传感设备，如射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描仪等，按约定的协议将任何物体与网络相连接，实现物体与物体之间、物体与人之间的信息交换和通信，实现智能化识别、定位、跟踪、监管等功能。物联网从架构上面可以分为感知层、网络层和应用层。

2 系统设计

2.1 系统架构设计

基于物联网的教室管理系统主要分为监测模块、IoT终端模块、继电器模块、监测服务器及智能决策管理单元。其中，监测模块包括烟雾监测模块、温湿监测模块；监测模块、继电器模块与IoT终端模块连接。监测模块监测室内烟雾浓度、温湿度、电磁门状态、电灯状态等实时数据，通过IoT终端模块上传至监测服务器。其中，智能决策管理单元工作流程，如图1所示。

实时监测：通过IoT终端模块，将继电器模块和智能监测模块采集的数据上传至监测服务器。

火灾报警：智能决策管理单元分析，当检测到室内烟雾以及温湿度处于异常的情况下，系统则将异常情况通过手机通知到相关负责人。

智能控制：智能管理决策单元通过分析实时监测回来的教室数据与从教室管理处获得数据进行比较，当在使用教室时，则自动开启电磁门、电灯等设备，当不在使用教室时，自动关闭电磁门、电灯等设备。

2.2 功能模块设计

功能模块设计是物联网教室管理系统设计的核心内容，它直接决定了系统的实用性和效率。本系统主要包括监测模块和设备控制模块，旨在通过精确的数据采集和自动化的设备控制，实现对教室环境的实时监测和智能管理，提高教室管理的效率和质量。

2.2.1 监测模块

在基于物联网的教室管理系统中，监测模块扮演至关重要的角色。它主要负责对教室环境以及教室内的各种设备进行实时、持续的监测，确保这些环境和设备的状态处于可控范围内［1］。具体来说，监测模块的作用体现在以下几个方面。

环境参数监测：监测模块可以实时监测教室内的温度、湿度、光照等环境参数。这些数据不仅可以让教室管理人员直观地看到当前教室环境的实时参数，还可以通过对历史参数的分析，找出条件阈值，为后期与电控设备的联动控制提供参考值，使教室管理更加智能化。

异常事件监测：当监测数据出现异常时，监测模块立即发出警报，通知管理人员进行处理。这有助于及时应对各种突发情况，保障教室内的安全和稳定。

提供数据支持：监测模块收集的大量数据还可以为教室管理提供数据支持。通过对这些数据的分析，管理人员可以了解教室的使用情况，优化资源配置，提高教室的利用率。

综上所述，监测模块在基于物联网的教室管理系统中起到了至关重要的作用，它不仅是实现教室智能化管理的基础，也是保障教学顺利进行的关键。

2.2.2 设备控制模块

在基于物联网的教室管理系统中，设备控制模块作用显著。它支持远程操作，管理员可远程、实时控制教室设备，提高管理便捷性并降低成本［2］。同时，实时设备操作确保教学准备充分，节约能源。此外，通过与环境监测模块联动，实现设备自动化和智能化管理，维持舒适教学环境。

2.3 安全性设计

系统采用多种安全措施保障数据的安全性，包括数据加密传输、访问控制机制、用户身份验证等。同时，系统定期对数据进行备份和恢复，确保数据的完整性和可用性［3］。

3 系统实现

在系统实现阶段，本研究关注硬件部分的设计和选型，以确保系统能够有效地采集数据和执行控制任务。本阶段主要包括硬件和软件2个部分，硬件部分负责实现物理设备的选择和连接，而软件部分则负责编写和实现系统的各项功能和算法。

3.1 硬件部分

硬件是物联网教室管理系统的基础，它直接关系到系统的稳定性和可靠性。在硬件部分，本研究主要关注主控芯片、温湿度传感器和烟雾传感器等关键元器件的选型和设计。

3.1.1 主控芯片

系统主控芯片模块选用ESP32-S2，该芯片具备高集成度、低功耗及广泛应用等特点。它专为物联网、移动设备、可穿戴设备及智能家居等设计，高度集成减少了外围电路和元件，实现产品微型化和轻量化。其低功耗WiFi子系统确保设备长续航，支持多种低功耗工作状态，延长设备寿命。在智能家居领域，ESP32-S2可作为核心处理器，实现设备连接和智能控制，提升生活便捷性。此外，它还具有高安全性和高性价比，满足市场需求，竞争力强。

3.1.2 温湿度传感器

本系统选用TH10S-B温湿度传感器，因为其拥有高精度、防水高温防尘以及方便的通信方式等特点，成为本系统应用场景下温湿度监测的理想选择。TH10S-B温湿度传感器都能够提供稳定、可靠的性能表现。

3.1.3 烟雾传感器

本系统选用MQ-2烟雾传感器，其具有高灵敏度，能迅速响应环境变化并发出警报。同时，它具备良好的抗干扰能力，可排除非可燃性烟雾干扰，确保稳定准确检测。此外，MQ-2传感器使用寿命长，性能稳定，减少误报或漏报。价格适中，使用方便，为系统提供可靠保障。

3.2 硬件设计

在设计硬件设备的时候，考虑实际使用场景和线路连接问题，机箱应具备防静电功能，机箱设计如图2所示。

3.3 软件部分

除了硬件部分的设计外，软件部分也是物联网教室管理系统的重要组成部分。在软件方面，本研究主要关注数据库、实时数据查看和控制模块的设计与实现。这些软件模块是系统的核心功能，能够实现数据的存储、处理和应用，从而实现教室环境的智能监测和管理。

3.3.1 数据库

MySQL数据库因其成熟稳定、性能卓越、开源免费、易于扩展、丰富的功能和工具以及社区支持等特点，成为本系统数据库管理的理想选择。通过合理利用MySQL的特性，本系统可以构建稳定、高效、可扩展的数据库环境，为系统的稳定运行和数据处理提供有力保障。

本系统采用的是Python语言，通过代码与MySQL数据库进行连接，实现数据的实时存储、读取、修改等操作。

3.3.2 实时数据查看

在实时数据查看中，用户可以选择不同的教室号，对不同教室的状态进行查看，若未选择，则会根据时间对所有房间实时状态进行显示。查看功能如图3所示。

3.3.3 控制模块

在控制模块中，用户可以选择不同的教室号，对不同教室的不同设备进行实时控制，也可以对同一教室的所有设备进行同时控制，还可以对不同教室的所有设备进行同时控制。控制模块功能，如图4所示。

4 结语

本次基于物联网的教室管理系统项目，成功整合物联网与数据库技术，实现了功能完善、操作便捷的智能化管理。系统提升了教室使用效率和管理水平，优化了教学环境。在设计方面，笔者针对实际需求，设计了环境监测、设备监控与控制等功能模块，利用数据库技术确保数据准确安全。在实现过程中，本研究克服数据实时传输与处理、设备集成与控制等技术挑战，积累了丰富经验。

虽然本次基于物联网的教室管理系统设计与实现项目取得了一定的成果，但仍然存在一些改进和拓展的空间。笔者将从系统功能的优化与扩展、系统性能的提升、数据安全与隐私保护等多方面持续研究。总之，基于物联网的教室管理系统设计与实现是一个具有广阔前景和实际应用价值的项目。通过不断地技术创新和功能优化，本研究可以为师生提供更加智能、便捷的教学环境，推动教育信息化的发展。

参考文献

［1］谭云月.基于物联网技术的教室管理系统设计［J］.电脑知识与技术，2024（2）：97-99.

［2］陈浩，胡兆鹏，杨雨薇，等.基于物联网技术的智能教室实现方案［J］.信息与电脑（理论版），2020（19）：182-183.

［3］杨明洁.物联网中的信息安全风险分析［J］.网络安全技术与应用，2024（2）：19-21.

（编辑 王永超）

Design and implementation of classroom management system based on Internet of Things

YIN  Jian

（Nanning College of Technology， Guilin 541006， China）

Abstract：  With the rapid development of the Internet of Things （IoT） technology， its application in the field of education is becoming more and more widespread. This study designs and realizes an IoT-based classroom management system for the problems of classroom management， aiming to improve the efficiency and safety of classroom management through real-time monitoring and intelligent control. The system adopts ARM Cortex-M series microcontroller as the main control chip， combined with DHT22 temperature and humidity sensor and MQ-2 smoke sensor to realize real-time monitoring of classroom environment and equipment. In the software part， a MySQL database is utilized for data storage and management， a C/S architecture application is developed to display the classroom environment data in real time， and a user-friendly control interface is designed to allow remote control of the equipment. The results show that the system can effectively improve the efficiency and safety of classroom management， and has high application value and market prospect.

Key words： Internet of Things; classroom management system; real-time monitoring; equipment control