《基于OneNET云平台的智慧教室系统设计和实现》
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摘 要：针对传统教学环境存在诸如学生考勤耗费时间、教室空闲资源利用率不高等问题,利用物联网技术设计并实现了一套“智慧教室”解决方案.方案采用Arduino开源硬件,基于OneNET物联网云平台搭建设备网络,以微信小程序为前端面向全校师生提供实时签到、迟到早退检测、教室舒适度查询以及预约占座等服务.最后对系统试点运行,发现该方案可为师生提供开放式便捷应用服务,极大地提高了教室的智能化水平.
关键词：Arduino;物联网;OneNET;微信小程序;智能化;智慧教室
中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）05-00-03
0 引 言
智慧教室[1]在获取温湿度或光照强度等智能感知的硬件设计上已趋近成熟,但对于这些数据的利用率低,并未提供远程查询教室信息的途径,并且部分智能教室提供的占座服务并不完善,无法实现“一对一”占座,即只有占座人能使用该预定座位.物联网（Internet of Things,IoT）[2-3]由物理对象与用于收集和交换数据的网络连接而成,物联网的发展使得传感器的应用愈加广泛.针对以上问题,本文提出了以微信小程序为前端,面向全校师生的在线教室环境实时查询功能,为教师提供利用人体红外传感器和超声波传感器双重检测保障的实时签到检测服务,为学生提供微信小程序预约控制座椅的占座服务[4].解决了之前信息采集后利用率不高、占座功能不完善等问题,提高了智慧教室的实用性.
1 系统结构设计
本系统由四部分组成,分别为硬件设备、物联网云平台、后台服务器和微信小程序前端.系统架构如图1所示.
（1）硬件设备：该模块是智慧教室的感知层,实时收集教室的各项数值,通过HTTP协议上报云端,同时也接收并执行物联网平台下发的命令.
（2）硬件设备与物联网云平台数据交互：该模块是硬件设备与后台服务器的中转部分,硬件设备上传的数据点会缓存在该平台上,后台服务器只需调用平台提供的API（Application Programming Interface）接口即可读取已缓存的数据点,后台服务器有命令下发需求时只需通过API接口将具体命令内容发送至平台上,平台确认硬件设备在线时自动将命令转发至硬件设备.
（3）后台服务器：该模块用于处理硬件设备上传的数据并存储,通过调用物联网云平台提供的API接口可实现与硬件设备的间接通信.同时后台服务器需要给微信小程序前端提供后台支持,是智慧教室功能实现的重要环节.
（4）微信小程序前端：该模块为用户前端,智慧教室将用户分为教师与学生两种角色,面对教师提供智能签到、迟到早退情况统计、教室锁定等服务（即在特定时间段该教室被标记为非可用状态,禁止占座并且会在教室总览中标记备注,如班级班会、考试、教室设备维修等）;对学生提供教室信息查询以及常态时的占座服务.
2 模块设计
2.1 硬件设备设计
硬件设备要求具有较高的采样频率,能实时监测教室各项数值的变动,同时可以接入互联网向物联网云平台上传数据点,故该系统采用有开源库的物联网开发硬件.
2.1.1 WeMos D1開发板
WeMos D1是基于ESP-8266EX微处理器的Arduino UNO兼容WiFi板,其自身集成WiFi单元,相比其他系列的Arduino开发板,其优势在于无需外接WiFi,在物联网开发方面其丰富的I/O口能够支持大部分传感器及执行器,且能够与Arduino IDE兼容丰富的第三方库,开发成本低,灵活性好.
2.1.2 座椅传感单元及程序流程
硬件设备主要集中在教室的座椅上,座椅靠背正中心装有型号为HC-SR04的超声波测距传感器,同时座椅前方正对座椅的桌面装有人体红外传感器,每个座椅上的超声波传感器和人体红外传感器为一组,只有两种传感器共同符合判定条件才能判定该位置有人,判定条件如图2所示.该设计方案可以有效避免其他因素引起的误判（如人体晃动引起旁边椅子的人体红外触发）.超声波测距传感器在距离传感器脉冲口2 cm内存在盲区,在盲区内不会检测到物体,故也可以排除人为贴上遮挡物干扰监测的情况.
2.2 硬件设备与物联网云平台数据交互模块
本节为硬件设备与物联网云平台通信环节,包括硬件设备数据点的上传与物联网云平台下发命令的解析.硬件设备采用WeMos D1开发板作为控制器,物联网云平台使用中国移动物联网开放平台—OneNET云平台.
2.2.1 OneNET物联网云平台
OneNET物联网云平台由中国移动开发,面向物联网开发者提供丰富的API接口,作为连接和数据的中心,OneNET平台能够适应各种传感网络和通信网络,支持众多类型的传输协议,并且在云端提供数据存储功能,平台上规范化的产品管理应用能够满足大场景下的设备互联以及远程调度需求.
2.2.2 HTTP数据点上报以及EDP命令下发
硬件设备需要实时更新数据给用户,对数据刷新的频率要求较高,利用EPS8266库的client.print（）函数可将事先组合好的满足HTTP协议的数据打包发送给OneNET云平台,其组合规则可查阅OneNET开发手册.
在占座功能设计中会出现用户需要锁定座椅的场景,并且用户下发指令的时间离散不可预计,同时一个教室中座椅的数量较多,故命令下发过程要求连接具有高可靠和低延时特性,即需要设备与设备平台的长链接.OneNET中的EDP（Enhance Device Protocol）协议可以保证硬件与设备平台的长链接,并且可即时下发控制指令.主程序流程如图3所示.
EDP协议的消息体是一系列十六进制字串,硬件设备接收到命令消息后需要将十六进制字串转化成字符,译码还原成命令内容,之后硬件设备再执行相应命令.
2.3 后台服务器处理模块
本系统共有两类用户,即教师与学生.系统的签到功能需要学生在签到时登录微信,在微信小程序中选中自己所坐的座位号,然后后台服务器将该同学与硬件设备的座椅号绑定,由硬件设备上报该座位是否有人正常使用,并刷新后台服务器中与该同学相对应的数据库表内信息.教师会在第一次使用签到时从教务处录入修读该课程的同学名单,签到时后台会筛选出未绑定座椅和绑定后座椅返回异常值的同学并告知教师.
考虑到教学课程中同学可能会有暂时离开座位的情况,故签到成功后如同学在下课之前暂时离开座位,座椅会检测到该座位无人使用,同时服务器接收到硬件设备发来的信号,此信号持续发送5 min后服务器会将该同学列入早退名单.
本系统需要从教室中采集到的详细信息见表1、表2所列.这些信息主要分为两类,即座位相关信息与教室相关信息.
2.4 微信小程序
本系统的数据库主要用于储存两类信息,即静态的基本信息和动态的教室信息.基本信息包括用户、权限、座位、教室等,多为结构化数据,主要用于联表查询.监控信息多为海量连续的数据信息,信息的数据存储格式如下：
update_at：2019-06-19 15：35：35
unit：
id：student1
current_value：1
程序中：update_at表示获取数据的时间;unit表示该触发器所属的单元;id表示触发器名称;current_value表示当前最新的数据值.
系统各项功能如图4所示.
个人中心：用户实现注册、登录、修改和绑定微信号等功能,在完成第一次注册登录后可以选择绑定微信号,绑定微信号后,用户无需通过即可直接登录.
教室信息管理：用户在教室信息主页查询到教室的相关环境信息及教室状态,可通过以上信息判断教室环境.
用户权限：学生可以占用座位,教师可以占用教室,教室一旦被占用,该教室内的座位即无法被占用.教师可以在上课时间发布签到,学生在本系统通过输入座位号完成签到,签到结束后,教师可以在系统上查询签到详情.
3 数据Web展示
教室中的温湿度、嘈杂度、人体检测信号将通过WiFi模块上传到OneNET平台,每种数据各对应一个数据流,平台接收到数据点后会即时更新.图5所示为OneNET平台上数据流形成的图表.同时,通过nodejs的HTTP请求获取OneNET平台数据,请求的body中需要OneNET平台的URL、请求类型和API-Key.API-Key是OneNET平臺对每个工程设置的密钥,外界访问该工程中的数据如传入API-Key参数等.服务器获取到数据包后对数据包进行Json解析,最终将数据存入MySQL数据库.
4 结 语
本文根据智慧教室的需求,设计了基于OneNET平台的微信小程序,采用多种传感器检测教室内的环境参数,同时,教室的各种数据会被上传到OneNET平台,一方面可以随时随地查看某个教室的数据,另一方面也可以对这些数据进行统计分析,特别是在签到系统的监测合理性方面,考虑到应用场景的多样化而采用双重监测机制.程序设计人性化,考虑了教师与学生在课堂中可能出现的各种情况.经测试,智慧教室系统运行正常,功耗低,实用性强.
参考文献
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上文总结:该文是适合系统设计论文写作的大学硕士及关于系统设计和onenet本科毕业论文，相关系统设计和onenet开题报告范文和学术职称论文参考文献.
系统设计和onenet引用文献:
[1] 系统设计和onenet论文写作技巧范文 系统设计和onenet方面在职研究生论文范文2万字
[2] 最新超市管理系统设计论文选题参考 超市管理系统设计论文题目选什么比较好
[3] 优秀计算机控制系统设计论文选题 计算机控制系统设计论文题目怎样定
