基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室預(yù)警系統(tǒng)研究

李兆非 張健 陳浩 宿峰

摘要：將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)融入教室安全預(yù)警及消防等領(lǐng)域，建立教學(xué)場所安全預(yù)警系統(tǒng)，對教室、實訓(xùn)室等教學(xué)場所進行實時防火防盜檢測和預(yù)警，能夠最大限度地保障學(xué)生和教師的生命財產(chǎn)安全。通過煙感傳感器采集煙霧數(shù)據(jù)預(yù)防火情；通過釋熱傳感器檢測有人進入預(yù)防被盜；控制器采集數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，并且將數(shù)據(jù)上傳到云平臺，通過云平臺可以實時查看教學(xué)場所數(shù)據(jù)情況。

關(guān)鍵詞：預(yù)警系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；智慧教室

中圖分類號：TH139 文獻標識碼：A

0 引言

智慧教室預(yù)警系統(tǒng)是智慧教室的重要組成部分，預(yù)警系統(tǒng)可以幫助校園安保人員迅速鎖定緊急情況并第一時間做出有效反應(yīng)。將物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)應(yīng)用到學(xué)校安防領(lǐng)域，可以大幅降低事故發(fā)生率，保障師生生命財產(chǎn)安全，在大大降低安防人員工作強度的同時有效完成教室防火、實訓(xùn)室防火防盜等安防工作。

1 智慧教室預(yù)警系統(tǒng)的意義

1.1 有效預(yù)防環(huán)境的不安全因素

環(huán)境安全因素主要包括火情、有毒氣體或液體泄漏等，由于本文主要針對教室及實訓(xùn)室等普通場所，而非化學(xué)實驗室等高危場所，因此考慮的環(huán)境安全因素主要是火情。智慧教室預(yù)警系統(tǒng)采用高清攝像頭和煙感傳感器雙重檢測，可以有效預(yù)防火情發(fā)生[1]。

1.2 精準防護人的不安全因素

智慧教室預(yù)警系統(tǒng)對教室及實訓(xùn)室內(nèi)設(shè)備被盜有預(yù)警作用。采用釋熱傳感器，能夠檢測教室內(nèi)是否有人在現(xiàn)場。如果人以非正常途徑或在夜間進入教室實訓(xùn)室，系統(tǒng)判定為盜竊，就會發(fā)出報警信號。安保人員收到報警后可通過攝像頭查看具體情況，一旦情況落實則可聯(lián)系樓座分管安保人員第一時間做出反應(yīng)。

1.3 提高教室管理效率，降低工作強度

智慧教室預(yù)警系統(tǒng)大大降低了工作強度，而且將安全隱患降到最低，采用多重防護來保障教師學(xué)生的生命財產(chǎn)安全。校園安保和防護人員可以通過云平臺遠程查看教室及實訓(xùn)室的實景畫面，且在操控室即可完成。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實時預(yù)警，若有安全狀況會通過報警器報警，安保人員查看視頻實景畫面后，如果判定是真實情況，則可在第一時間采取措施。

2 智慧教室預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

智慧教室預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層。

2.1 感知層

感知層由各個傳感器組成，它將外界環(huán)境的變化轉(zhuǎn)化為電信號，然后通過網(wǎng)絡(luò)通信傳輸給控制器，控制器接收到信號之后控制設(shè)備做出動作。感知層相當于人體感覺器官，控制器相當于人類大腦，感覺器官把信號傳給大腦，大腦收到信號之后做出反應(yīng)，這個過程是一個有反饋的閉環(huán)活動，與感知層到控制器的傳輸鏈路是相似的。智慧教室預(yù)警系統(tǒng)的感知層主要是高清攝像頭、溫度傳感器和煙感傳感器，煙感傳感器可以感知煙的濃密稀疏，一旦超過一定濃度則認定為有火情，會傳輸信號給控制器，控制器發(fā)出警報，安保人員聽到警報聲后，可以通過視頻監(jiān)控查看現(xiàn)場情況，并進行遠程操控。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層的作用是傳輸感知層感知到的數(shù)據(jù)，相當于連接感覺神經(jīng)和大腦的鏈路，是預(yù)警系統(tǒng)必不可少的部分。網(wǎng)絡(luò)層的形式多種多樣，包括移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、無線寬帶網(wǎng)絡(luò)、藍牙有線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)等，智慧教室預(yù)警系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層采用有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)搭配的方式。感知層將感知到的環(huán)境參數(shù)信號轉(zhuǎn)換成電信號，但電信號不能直接傳輸給控制器，需要進行轉(zhuǎn)換和傳輸。有的傳感器輸出是模擬量，有的是數(shù)字量信號，但是控制器內(nèi)部直接處理的信號是數(shù)字量信號，因此有時候需要轉(zhuǎn)換。數(shù)字量信號只有高低電平兩種信號，即0 和1[2]。數(shù)字量信號的傳輸分為串行傳輸和并行傳輸。并行傳輸是若干條數(shù)據(jù)線同時傳輸信號，其優(yōu)點是各個傳輸線之間互不干擾，速度快，但是這非常占用輸入輸出口的資源，在采集量需求大的場合，輸入輸出口的資源是很有限的，這樣容易造成輸入輸出資源的浪費，因此出現(xiàn)了串行傳輸[3]。串行傳輸僅通過一條數(shù)據(jù)線進行發(fā)送和接收，按照先后順序?qū)?shù)據(jù)發(fā)送出去，一次傳送只能傳送一幀信息，一個完整的數(shù)據(jù)幀包括校驗、握手協(xié)議和數(shù)據(jù)等內(nèi)容。串行傳輸解決了并行傳輸占用資源多的缺點，因此在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，常用的串行通信有RS232 通信和RS485 通信，本文中智慧教室預(yù)警系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層就使用了串行傳輸。

在串行通信中，通信的兩端必須有同樣標準的接口，才能使得設(shè)備連接起來進行正常通信。

RS232 接口是目前最常用的串行通信標準之一，它是1970 年美國電子工業(yè)協(xié)會聯(lián)合調(diào)制解調(diào)器廠家等共同制定的標準。該標準起初規(guī)定采用一個25腳的DB25 連接器，后來簡化為9 腳的DB9 連接器，目前工業(yè)上使用RS232 通信只使用TXD、RXD 和GND 這3 條線。TXD 代表發(fā)送，RXD 代表接收，GND 是接地的意思，代表接收和發(fā)送的兩端要共地。

RS232 雖然使用方便、結(jié)構(gòu)簡單，但是它的傳輸距離僅有幾十米，而且工業(yè)現(xiàn)場一般環(huán)境比較嘈雜，各種電氣設(shè)備容易產(chǎn)生電磁干擾，RS232傳輸數(shù)據(jù)容易產(chǎn)生錯誤，因此出現(xiàn)了RS485 通信。

RS485 采用差分傳輸方式，差分傳輸電路可以有效抑制共模信號（干擾信號），抗干擾能力強，而且傳輸距離遠，可達1 200 m，適合用在長距離傳輸和工業(yè)場合環(huán)境復(fù)雜、干擾較強的場合。

2.3 數(shù)據(jù)層

為了方便采集來的數(shù)據(jù)后續(xù)接入控制層，需要對接入的數(shù)據(jù)進行標準化處理，以便統(tǒng)一進行存儲，這些相關(guān)處理就是數(shù)據(jù)層的工作[4]。該層主要起輔助作用，是連接網(wǎng)絡(luò)層和控制層的橋梁紐帶，能夠保證數(shù)據(jù)有效傳送。采集來的數(shù)據(jù)渠道有RS232 傳輸，也有無線傳輸，不同的設(shè)備與不同的協(xié)議標準，最終要統(tǒng)一傳送給控制層，必須對其進行統(tǒng)一規(guī)范化處理。

2.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層對于本系統(tǒng)來說是最高級別層，也是直接供操作者使用的一層，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。它具有人機操作界面，良好的人性化觸摸界面可以讓操作者快速便捷地操作和處理各種緊急情況與突發(fā)事件，可通過屏幕實時顯示各教室及實訓(xùn)室的參數(shù)與高清攝像。

應(yīng)用層提供實時查詢功能，可查詢每個教室及實訓(xùn)室的參數(shù)，包括是否有火情、是否有盜竊等。應(yīng)用層屬于軟件系統(tǒng)，需要利用計算機智能控制軟件才能監(jiān)測火情、盜竊等情況。

3 智慧教室預(yù)警系統(tǒng)硬件研究

智慧教室預(yù)警系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)包括監(jiān)控攝像頭、上位機、三菱FX3U-48MR 型可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）、昆侖通態(tài)觸摸屏TPC7062TI、煙感傳感器、報警器等。

其中FX3U-48MR 型PLC 可以使用配套的專用模擬量數(shù)字量模塊FX3U-3A-ADP，包含3 個通道：2 個輸入通道和1 個輸出通道。2 個輸入通道可以輸入電壓或者電流，電壓輸入范圍為0 ～ 10 V，對應(yīng)數(shù)字量數(shù)值為0 ～ 4 000；電流輸入范圍為4 ～ 20 mA，對應(yīng)數(shù)字量數(shù)值為0 ～ 3 200。1 個輸出通道可以輸出電壓和電流，其中電壓輸出0 ～ 10 V 對應(yīng)數(shù)值0 ～ 4 000；電流輸出4 ～ 20 mA 對應(yīng)數(shù)值0 ～ 4 000。

核心部分是上位機以及FX3U-48MR 型PLC，煙感傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過PLC 的模擬量輸入模塊輸送到PLC 進行比對，以此進行判斷。FX3U-48MR 型PLC 通過RS232 與觸摸屏進行通信，上位機軟件可以通過人機界面或觸摸屏顯示當前參數(shù)。例如，上位機可將判斷的結(jié)果傳送到PLC，通知PLC 是否有盜竊隱患，從而在觸摸屏上顯示出來。

在本文中，上位機作為主站，PLC 作為從站，主從站進行通信以實現(xiàn)功能。上位機軟件收到告警信號后在人機界面上告警，同時輸出信號給PLC，PLC 則發(fā)出信號給觸摸屏和報警器（圖2）。

4 智慧教室預(yù)警系統(tǒng)軟件研究

智慧教室預(yù)警系統(tǒng)軟件部分主要是控制器的程序設(shè)計?？刂破髟陔姀?fù)位之后接收煙感傳感器和釋熱傳感器傳輸來的數(shù)據(jù)，處理并在云平臺形成曲線，保存起來以便隨時查閱。將傳來的數(shù)據(jù)與標準閾值進行比較，如果不超過標準閾值則正常顯示，如果超過標準閾值則呈紅色顯示，并控制報警器報警[5]。與此同時，攝像頭將記錄的高清攝像視頻上傳到云平臺，消防安保人員收到報警信號查看現(xiàn)場視頻，如果是誤報警則取消報警，如果有真實火情則立即采取措施。此外，上位機軟件查看的數(shù)值還有釋熱傳感器的數(shù)值，如果釋熱值達到一定范圍則認定有人在教室場所，如果是在晚間或者以非門禁刷卡方式進入教室場所的情況，則認定為盜竊情況[6]，此時控制器發(fā)出信號，報警器報警，安保人員收到報警后立即查看監(jiān)控，如果確有盜竊情況發(fā)生則安排相關(guān)樓層人員立即采取措施，將教室財產(chǎn)安全損失降到最低。

5 結(jié)論

智慧教室預(yù)警系統(tǒng)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層。感知層主要由傳感器組成；網(wǎng)絡(luò)層負責信息傳輸；數(shù)據(jù)層將傳輸來的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一處理，并把最終數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層；應(yīng)用層為軟件系統(tǒng)，包括云平臺界面，是人查看數(shù)據(jù)的界面。通過實時比對傳送來的數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)以監(jiān)測火情，如果煙感傳感器的數(shù)值超過標準數(shù)據(jù)則表示出現(xiàn)火情，在屏幕上會顯示，同時控制器控制報警器發(fā)出警報及時通知相關(guān)樓層安保人員。通過釋熱傳感器則可以監(jiān)測盜竊，如果監(jiān)測到有人在夜間或者以非法手段進入教室則認定為盜竊，報警器報警。智慧教室預(yù)警系統(tǒng)的技術(shù)要點有兩個：一是元器件的選擇和硬件的搭建；二是軟件程序的編寫設(shè)計，后者也是本文的難點。智慧教室預(yù)警系統(tǒng)的研究對于智慧教室的實現(xiàn)是必不可少的，也豐富了智慧教室的功能和內(nèi)容，物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的使用使得校園安防系統(tǒng)更加可靠，在降低工作量的同時提高校園的安全系數(shù)，保障師生的生命財產(chǎn)安全，有很高的社會經(jīng)濟價值。

參考文獻

[1] 王剛，彭遠春，金雪梅，等. 石油企業(yè)生產(chǎn)安全智能預(yù)警系統(tǒng)研究[J]. 石化技術(shù)，2022，29（10）：72-74.

[2] 李冠君，姜國智，姚曉楠，等. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的井下智能預(yù)警系統(tǒng)[J]. 電子測量技術(shù)，2015（9）：89-92，97.

[3] 張會銘，葉仁春，雷志華. 多媒體教室設(shè)備故障及風險預(yù)警系統(tǒng)研究：以華中科技大學(xué)多媒體教室設(shè)備管理為例[J]. 中國現(xiàn)代教育裝備，2009（11）：6-7.

[4] 王建國. 煤礦瓦斯事故智能預(yù)警系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計[J].科技致富向?qū)В?014（22）：102.

[5] 崔健，胡懷偉，張敏. 電網(wǎng)智能預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 自動化博覽，2013（增刊2）：309-312.

[6] 潘榮杰. 輸電線路在線巡視系統(tǒng)的智能預(yù)警系統(tǒng)分析[J]. 企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2016，35（12）：89-90.