智慧校园可视化管理系统设计

宗静

甘肃省金昌市龙门学校信息科技教师。目前已从教25年，多次获得甘肃省科技创新大赛、甘肃省科普创新大赛、甘肃省学生信息素养提升实践活动、甘肃省青少年创意编程与智能设计大赛、全国青少年科学影像节比赛活动等多项赛事的一、二、三等奖。主持多次科技相关的省级课题，发表过多篇省级论文。入围金昌市信息学科的专家库，为金昌市信息科技学科自学考试库评委。

设计灵感

全球变暖、冰川消融、海平面上升、臭氧层空洞、灾害频发，人类正面临着能源耗竭和气候变暖的生存危机。保护地球人人有责，我们每个人都应该积极行动起来，而减少温室气体，特别是二氧化碳的排放又被称为其中一个拯救地球的“治本”之举。

在信息化时代，人们对科技改变生活有了更高的要求，而校园的信息化建设和智慧化管理也被提上了日程。作为地球家园的一分子，学生们产生了思考：我们该如何保护我们赖以生存的地球，如何使我们的学校成为低碳智慧的校园呢？于是在本项目中，学生们根据之前所学习的人工智能相关知识，设计出一个符合我校实际需求的“智慧校园可视化管理系统”。

设计思路

了解基本需求—根据需求确定设计功能—根据功能需求确定传感器—选取合适的开源硬件和编程软件—搭建—编程—调试。最终的创意作品效果图如图1所示。

硬件清单

1.校门口的人脸识别系统：主板+扩展板、二哈识图、舵机、电池盒。

2.语音灯光控制系统：主板+扩展板、灯、语音识别模块、数据线、接口线、电池盒。

3.室内空气调节系统：主板+扩展板、液晶屏、空气质量传感器、温湿度传感器、风扇、电池盒。

4.校园自动清扫系统：中鸣机器人小车。

5.校园安全监控可视化管理系统：行空板、摄像头、温湿度传感器、舵机。

功能设计

1.校门口的人脸识别系统功能设计

本项目使用“蘑菇云”的二哈识图硬件来实现学生进入校门时的人脸识别。如果人脸是校内学生库中的人脸图像，那么校门口的舵机就会自动打开校门，让学生进入学校。如果人脸与校内学生库中的人脸图像不匹配，那么校门口的舵机就不会打开校门，校门口的人就无法进入学校。人脸识别系统中的硬件连接图如图2所示。

2.语音灯光控制系统功能设计

（1）在小学教学楼模型上，我们需要设置一个低碳环保的灯光控制系统。本项目使用了一个语音识别传感器，用它来控制学校的灯光设备。当上课的时候，教师说出“上课”，教室的灯就会调到最适合上课的亮度；当上完课后，教师说出“下课”，教室的灯就会调低亮度，使学生们可以休息一下眼睛。

（2）操场边上的路灯：当管理员说“开灯”的时候，就会亮起红灯；当管理员说“关灯”的时候，就会熄灭灯光。

（3）球场的灯光设备：当管理员说“打球”的时候，就会亮起绿灯；当管理员说“结束”的时候，就会熄灭全部灯光。

语音灯光控制系统硬件连接图如图3所示。

3.室内空气调节系统功能设计

在初中教学楼模型上，我们使用了一个空气质量传感器来测量教室中的二氧化碳浓度，用温湿度传感器来测量教室中的温度和湿度。当教室中的二氧化碳值大于400ppm时，教室中的风扇就会自动旋转，给教室进行换气。教室中还配有一个液晶显示屏，时刻显示教室中的温度、湿度和二氧化碳的值，便于我们了解教室内的空气质量。室内空气调节系统硬件连接图如图4所示。

4.校园自动清扫系统功能设计

本项目使用了一辆中鸣的机器人小车，学生们可将它改装成一辆自动垃圾车，此小车可通过手机遥控进行垃圾清理。

5.校园安全监控可视化管理系统功能设计

我们使用行空板和摄像头，通过物联网SIoT2.0实现可视化实时监控，同时还使用一个温湿度传感器来了解和掌握校园内的空气质量，并且利用物联网远程将这些信息全部展示给管理者。在校园安全监控可视化管理系统中，我们使用一个舵机和行空板中的按钮功能，实现了摄像头不同方位的视频监控功能。校园安全监控可视化管理系统硬件连接图如图5所示。

总功能设计图如图6所示。

研究阻碍

在项目研究过程中，学生们遇到了很多的难题，而且很多的领域都是他们未曾接触过的。为了解决这些问题，学生们需要查找很多的资料，并向相关专业教师进行咨询。在专业教师们的帮助下，学生们一一攻克了难关。

难题一：在搭建教学楼模型的过程中，如何将各种传感器设备合理地安装固定在模型中？学生们在教师的帮助下，学会了利用各种物理工具。

难题二：在搭建学校模型的围栏时，一开始使用的是方形小木棍，但是木棍并不容易被剪裁。学生们积极思考后改用雪糕棒做材料，制作效果大大改善。

难题三：在各种材料和硬件的连接过程中，学生们对物理接线相关知识不了解。这部分内容需要教师给学生进行示范操作。

难题四：在智能控制程序编写过程中，学生们出现了编程上的难题。教师及时给予指导和帮助。

难题五：在摄像头实时跟踪系统编程过程中，出现了物联网的库内存已满，无法更新的问题。最后学生们找到原因，因为摄像头要存的数据比较多，不用将数据都存入到库，占用内存空间。

难题六：摄像头跟随舵机旋转不到位。初期学生们对舵机的使用方法没有完全掌握，最后经过教师的指导，这个问题完美得到解决。

功能特点

本系统的所有功能设计都是从我们学校的实际需求出发的。

1.人脸识别系统可以解放门卫工作人员和校领导的每日校门安全值班工作，并且有效地保证了学生们的安全问题。

2.语音灯光控制系统是本项目的一个亮点功能，学生通过控制语音识别传感器，可实现不同灯光颜色的变换，并且由发出的语音指令来完成。

3.教室内的空气调节系统可以为学生们提供一个更加舒适的学习环境。

4.校园安全监控可视化管理系统是本项目的一个创新点，我们通过物联网完全实现了远程监控功能。我们运用了“蘑菇云”的行空板和一个摄像头，通过物联SIoT2.0实现了可视化实时监控，并且利用可视化大屏，实现了不同方位的视频监控功能以及展示功能。

项目小结

在本项目的创意设计中，学生们最大的收获之一是提高了自己的动手能力，并且通过利用各种不同的废旧材料来组装校园模型的环境设施，又提高了自己的创新能力。学生们通过咨询和请教物理学科教师，对简单的物理原理也有了初步的认识。在本项目中，学生设计的这个作品功能还不是很完善，还需要继续学习，了解不同的硬件原理，设计出更加完善的低碳智慧校园系统。