基于物聯(lián)網(wǎng)的教室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

殷建

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。文章針對(duì)教室管理存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的教室管理系統(tǒng)，旨在通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能控制提高教室管理效率和安全性。該系統(tǒng)采用ARM Cortex-M系列微控制器作為主控芯片，結(jié)合DHT22溫濕度傳感器和MQ-2煙霧傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)教室環(huán)境和設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在軟件部分，該系統(tǒng)利用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理，開發(fā)了一個(gè)Web應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)顯示教室的環(huán)境數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)用戶友好的控制界面允許遠(yuǎn)程控制設(shè)備。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效地提高教室管理的效率和安全性，具有很高的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；教室管理系統(tǒng)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；設(shè)備控制

中圖分類號(hào)：TP393? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，為人們的生活和工作帶來(lái)了極大的便利。傳統(tǒng)教室管理在靈活性、個(gè)性化教學(xué)以及技術(shù)運(yùn)用等方面都存在明顯的缺陷，需要進(jìn)行改革和創(chuàng)新，以適應(yīng)新時(shí)代的教育需求?；谖锫?lián)網(wǎng)的教室管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)教室環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、設(shè)備控制以及教學(xué)資源管理等功能，提高教室管理的效率和質(zhì)量。本文旨在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的教室管理系統(tǒng)，為教室管理提供智能化的解決方案。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Internet of Things，IoT）是信息科技產(chǎn)業(yè)的第三次革命，它通過(guò)信息傳感設(shè)備，如射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描儀等，按約定的協(xié)議將任何物體與網(wǎng)絡(luò)相連接，實(shí)現(xiàn)物體與物體之間、物體與人之間的信息交換和通信，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能。物聯(lián)網(wǎng)從架構(gòu)上面可以分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的教室管理系統(tǒng)主要分為監(jiān)測(cè)模塊、IoT終端模塊、繼電器模塊、監(jiān)測(cè)服務(wù)器及智能決策管理單元。其中，監(jiān)測(cè)模塊包括煙霧監(jiān)測(cè)模塊、溫濕監(jiān)測(cè)模塊；監(jiān)測(cè)模塊、繼電器模塊與IoT終端模塊連接。監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)室內(nèi)煙霧濃度、溫濕度、電磁門狀態(tài)、電燈狀態(tài)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)IoT終端模塊上傳至監(jiān)測(cè)服務(wù)器。其中，智能決策管理單元工作流程，如圖1所示。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：通過(guò)IoT終端模塊，將繼電器模塊和智能監(jiān)測(cè)模塊采集的數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測(cè)服務(wù)器。

火災(zāi)報(bào)警：智能決策管理單元分析，當(dāng)檢測(cè)到室內(nèi)煙霧以及溫濕度處于異常的情況下，系統(tǒng)則將異常情況通過(guò)手機(jī)通知到相關(guān)負(fù)責(zé)人。

智能控制：智能管理決策單元通過(guò)分析實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)回來(lái)的教室數(shù)據(jù)與從教室管理處獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)在使用教室時(shí)，則自動(dòng)開啟電磁門、電燈等設(shè)備，當(dāng)不在使用教室時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉電磁門、電燈等設(shè)備。

2.2 功能模塊設(shè)計(jì)

功能模塊設(shè)計(jì)是物聯(lián)網(wǎng)教室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，它直接決定了系統(tǒng)的實(shí)用性和效率。本系統(tǒng)主要包括監(jiān)測(cè)模塊和設(shè)備控制模塊，旨在通過(guò)精確的數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)化的設(shè)備控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)教室環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能管理，提高教室管理的效率和質(zhì)量。

2.2.1 監(jiān)測(cè)模塊

在基于物聯(lián)網(wǎng)的教室管理系統(tǒng)中，監(jiān)測(cè)模塊扮演至關(guān)重要的角色。它主要負(fù)責(zé)對(duì)教室環(huán)境以及教室內(nèi)的各種設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)、持續(xù)的監(jiān)測(cè)，確保這些環(huán)境和設(shè)備的狀態(tài)處于可控范圍內(nèi)［1］。具體來(lái)說(shuō)，監(jiān)測(cè)模塊的作用體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)模塊可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)教室內(nèi)的溫度、濕度、光照等環(huán)境參數(shù)。這些數(shù)據(jù)不僅可以讓教室管理人員直觀地看到當(dāng)前教室環(huán)境的實(shí)時(shí)參數(shù)，還可以通過(guò)對(duì)歷史參數(shù)的分析，找出條件閾值，為后期與電控設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制提供參考值，使教室管理更加智能化。

異常事件監(jiān)測(cè)：當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，監(jiān)測(cè)模塊立即發(fā)出警報(bào)，通知管理人員進(jìn)行處理。這有助于及時(shí)應(yīng)對(duì)各種突發(fā)情況，保障教室內(nèi)的安全和穩(wěn)定。

提供數(shù)據(jù)支持：監(jiān)測(cè)模塊收集的大量數(shù)據(jù)還可以為教室管理提供數(shù)據(jù)支持。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析，管理人員可以了解教室的使用情況，優(yōu)化資源配置，提高教室的利用率。

綜上所述，監(jiān)測(cè)模塊在基于物聯(lián)網(wǎng)的教室管理系統(tǒng)中起到了至關(guān)重要的作用，它不僅是實(shí)現(xiàn)教室智能化管理的基礎(chǔ)，也是保障教學(xué)順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

2.2.2 設(shè)備控制模塊

在基于物聯(lián)網(wǎng)的教室管理系統(tǒng)中，設(shè)備控制模塊作用顯著。它支持遠(yuǎn)程操作，管理員可遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)控制教室設(shè)備，提高管理便捷性并降低成本［2］。同時(shí)，實(shí)時(shí)設(shè)備操作確保教學(xué)準(zhǔn)備充分，節(jié)約能源。此外，通過(guò)與環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化和智能化管理，維持舒適教學(xué)環(huán)境。

2.3 安全性設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用多種安全措施保障數(shù)據(jù)的安全性，包括數(shù)據(jù)加密傳輸、訪問(wèn)控制機(jī)制、用戶身份驗(yàn)證等。同時(shí)，系統(tǒng)定期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行備份和恢復(fù)，確保數(shù)據(jù)的完整性和可用性［3］。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)階段，本研究關(guān)注硬件部分的設(shè)計(jì)和選型，以確保系統(tǒng)能夠有效地采集數(shù)據(jù)和執(zhí)行控制任務(wù)。本階段主要包括硬件和軟件2個(gè)部分，硬件部分負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)物理設(shè)備的選擇和連接，而軟件部分則負(fù)責(zé)編寫和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能和算法。

3.1 硬件部分

硬件是物聯(lián)網(wǎng)教室管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在硬件部分，本研究主要關(guān)注主控芯片、溫濕度傳感器和煙霧傳感器等關(guān)鍵元器件的選型和設(shè)計(jì)。

3.1.1 主控芯片

系統(tǒng)主控芯片模塊選用ESP32-S2，該芯片具備高集成度、低功耗及廣泛應(yīng)用等特點(diǎn)。它專為物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)設(shè)備、可穿戴設(shè)備及智能家居等設(shè)計(jì)，高度集成減少了外圍電路和元件，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品微型化和輕量化。其低功耗WiFi子系統(tǒng)確保設(shè)備長(zhǎng)續(xù)航，支持多種低功耗工作狀態(tài)，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。在智能家居領(lǐng)域，ESP32-S2可作為核心處理器，實(shí)現(xiàn)設(shè)備連接和智能控制，提升生活便捷性。此外，它還具有高安全性和高性價(jià)比，滿足市場(chǎng)需求，競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)。

3.1.2 溫濕度傳感器

本系統(tǒng)選用TH10S-B溫濕度傳感器，因?yàn)槠鋼碛懈呔?、防水高溫防塵以及方便的通信方式等特點(diǎn)，成為本系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景下溫濕度監(jiān)測(cè)的理想選擇。TH10S-B溫濕度傳感器都能夠提供穩(wěn)定、可靠的性能表現(xiàn)。

3.1.3 煙霧傳感器

本系統(tǒng)選用MQ-2煙霧傳感器，其具有高靈敏度，能迅速響應(yīng)環(huán)境變化并發(fā)出警報(bào)。同時(shí)，它具備良好的抗干擾能力，可排除非可燃性煙霧干擾，確保穩(wěn)定準(zhǔn)確檢測(cè)。此外，MQ-2傳感器使用壽命長(zhǎng)，性能穩(wěn)定，減少誤報(bào)或漏報(bào)。價(jià)格適中，使用方便，為系統(tǒng)提供可靠保障。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)硬件設(shè)備的時(shí)候，考慮實(shí)際使用場(chǎng)景和線路連接問(wèn)題，機(jī)箱應(yīng)具備防靜電功能，機(jī)箱設(shè)計(jì)如圖2所示。

3.3 軟件部分

除了硬件部分的設(shè)計(jì)外，軟件部分也是物聯(lián)網(wǎng)教室管理系統(tǒng)的重要組成部分。在軟件方面，本研究主要關(guān)注數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看和控制模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。這些軟件模塊是系統(tǒng)的核心功能，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理和應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)教室環(huán)境的智能監(jiān)測(cè)和管理。

3.3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)

MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)因其成熟穩(wěn)定、性能卓越、開源免費(fèi)、易于擴(kuò)展、豐富的功能和工具以及社區(qū)支持等特點(diǎn)，成為本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理的理想選擇。通過(guò)合理利用MySQL的特性，本系統(tǒng)可以構(gòu)建穩(wěn)定、高效、可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和數(shù)據(jù)處理提供有力保障。

本系統(tǒng)采用的是Python語(yǔ)言，通過(guò)代碼與MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、讀取、修改等操作。

3.3.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看

在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看中，用戶可以選擇不同的教室號(hào)，對(duì)不同教室的狀態(tài)進(jìn)行查看，若未選擇，則會(huì)根據(jù)時(shí)間對(duì)所有房間實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行顯示。查看功能如圖3所示。

3.3.3 控制模塊

在控制模塊中，用戶可以選擇不同的教室號(hào)，對(duì)不同教室的不同設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，也可以對(duì)同一教室的所有設(shè)備進(jìn)行同時(shí)控制，還可以對(duì)不同教室的所有設(shè)備進(jìn)行同時(shí)控制。控制模塊功能，如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本次基于物聯(lián)網(wǎng)的教室管理系統(tǒng)項(xiàng)目，成功整合物聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了功能完善、操作便捷的智能化管理。系統(tǒng)提升了教室使用效率和管理水平，優(yōu)化了教學(xué)環(huán)境。在設(shè)計(jì)方面，筆者針對(duì)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了環(huán)境監(jiān)測(cè)、設(shè)備監(jiān)控與控制等功能模塊，利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確安全。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，本研究克服數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸與處理、設(shè)備集成與控制等技術(shù)挑戰(zhàn)，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。

雖然本次基于物聯(lián)網(wǎng)的教室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目取得了一定的成果，但仍然存在一些改進(jìn)和拓展的空間。筆者將從系統(tǒng)功能的優(yōu)化與擴(kuò)展、系統(tǒng)性能的提升、數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)等多方面持續(xù)研究?？傊?，基于物聯(lián)網(wǎng)的教室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是一個(gè)具有廣闊前景和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的項(xiàng)目。通過(guò)不斷地技術(shù)創(chuàng)新和功能優(yōu)化，本研究可以為師生提供更加智能、便捷的教學(xué)環(huán)境，推動(dòng)教育信息化的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

［1］譚云月.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2024（2）：97-99.

［2］陳浩，胡兆鵬，楊雨薇，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能教室實(shí)現(xiàn)方案［J］.信息與電腦（理論版），2020（19）：182-183.

［3］楊明潔.物聯(lián)網(wǎng)中的信息安全風(fēng)險(xiǎn)分析［J］.網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2024（2）：19-21.

（編輯 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