智慧校園可視化管理系統(tǒng)設(shè)計

宗靜

甘肅省金昌市龍門學(xué)校信息科技教師。目前已從教25年，多次獲得甘肅省科技創(chuàng)新大賽、甘肅省科普創(chuàng)新大賽、甘肅省學(xué)生信息素養(yǎng)提升實踐活動、甘肅省青少年創(chuàng)意編程與智能設(shè)計大賽、全國青少年科學(xué)影像節(jié)比賽活動等多項賽事的一、二、三等獎。主持多次科技相關(guān)的省級課題，發(fā)表過多篇省級論文。入圍金昌市信息學(xué)科的專家?guī)?，為金昌市信息科技學(xué)科自學(xué)考試庫評委。

設(shè)計靈感

全球變暖、冰川消融、海平面上升、臭氧層空洞、災(zāi)害頻發(fā)，人類正面臨著能源耗竭和氣候變暖的生存危機(jī)。保護(hù)地球人人有責(zé)，我們每個人都應(yīng)該積極行動起來，而減少溫室氣體，特別是二氧化碳的排放又被稱為其中一個拯救地球的“治本”之舉。

在信息化時代，人們對科技改變生活有了更高的要求，而校園的信息化建設(shè)和智慧化管理也被提上了日程。作為地球家園的一分子，學(xué)生們產(chǎn)生了思考：我們該如何保護(hù)我們賴以生存的地球，如何使我們的學(xué)校成為低碳智慧的校園呢？于是在本項目中，學(xué)生們根據(jù)之前所學(xué)習(xí)的人工智能相關(guān)知識，設(shè)計出一個符合我校實際需求的“智慧校園可視化管理系統(tǒng)”。

設(shè)計思路

了解基本需求—根據(jù)需求確定設(shè)計功能—根據(jù)功能需求確定傳感器—選取合適的開源硬件和編程軟件—搭建—編程—調(diào)試。最終的創(chuàng)意作品效果圖如圖1所示。

硬件清單

1.校門口的人臉識別系統(tǒng)：主板+擴(kuò)展板、二哈識圖、舵機(jī)、電池盒。

2.語音燈光控制系統(tǒng)：主板+擴(kuò)展板、燈、語音識別模塊、數(shù)據(jù)線、接口線、電池盒。

3.室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)：主板+擴(kuò)展板、液晶屏、空氣質(zhì)量傳感器、溫濕度傳感器、風(fēng)扇、電池盒。

4.校園自動清掃系統(tǒng)：中鳴機(jī)器人小車。

5.校園安全監(jiān)控可視化管理系統(tǒng)：行空板、攝像頭、溫濕度傳感器、舵機(jī)。

功能設(shè)計

1.校門口的人臉識別系統(tǒng)功能設(shè)計

本項目使用“蘑菇云”的二哈識圖硬件來實現(xiàn)學(xué)生進(jìn)入校門時的人臉識別。如果人臉是校內(nèi)學(xué)生庫中的人臉圖像，那么校門口的舵機(jī)就會自動打開校門，讓學(xué)生進(jìn)入學(xué)校。如果人臉與校內(nèi)學(xué)生庫中的人臉圖像不匹配，那么校門口的舵機(jī)就不會打開校門，校門口的人就無法進(jìn)入學(xué)校。人臉識別系統(tǒng)中的硬件連接圖如圖2所示。

2.語音燈光控制系統(tǒng)功能設(shè)計

（1）在小學(xué)教學(xué)樓模型上，我們需要設(shè)置一個低碳環(huán)保的燈光控制系統(tǒng)。本項目使用了一個語音識別傳感器，用它來控制學(xué)校的燈光設(shè)備。當(dāng)上課的時候，教師說出“上課”，教室的燈就會調(diào)到最適合上課的亮度；當(dāng)上完課后，教師說出“下課”，教室的燈就會調(diào)低亮度，使學(xué)生們可以休息一下眼睛。

（2）操場邊上的路燈：當(dāng)管理員說“開燈”的時候，就會亮起紅燈；當(dāng)管理員說“關(guān)燈”的時候，就會熄滅燈光。

（3）球場的燈光設(shè)備：當(dāng)管理員說“打球”的時候，就會亮起綠燈；當(dāng)管理員說“結(jié)束”的時候，就會熄滅全部燈光。

語音燈光控制系統(tǒng)硬件連接圖如圖3所示。

3.室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)功能設(shè)計

在初中教學(xué)樓模型上，我們使用了一個空氣質(zhì)量傳感器來測量教室中的二氧化碳濃度，用溫濕度傳感器來測量教室中的溫度和濕度。當(dāng)教室中的二氧化碳值大于400ppm時，教室中的風(fēng)扇就會自動旋轉(zhuǎn)，給教室進(jìn)行換氣。教室中還配有一個液晶顯示屏，時刻顯示教室中的溫度、濕度和二氧化碳的值，便于我們了解教室內(nèi)的空氣質(zhì)量。室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)硬件連接圖如圖4所示。

4.校園自動清掃系統(tǒng)功能設(shè)計

本項目使用了一輛中鳴的機(jī)器人小車，學(xué)生們可將它改裝成一輛自動垃圾車，此小車可通過手機(jī)遙控進(jìn)行垃圾清理。

5.校園安全監(jiān)控可視化管理系統(tǒng)功能設(shè)計

我們使用行空板和攝像頭，通過物聯(lián)網(wǎng)SIoT2.0實現(xiàn)可視化實時監(jiān)控，同時還使用一個溫濕度傳感器來了解和掌握校園內(nèi)的空氣質(zhì)量，并且利用物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程將這些信息全部展示給管理者。在校園安全監(jiān)控可視化管理系統(tǒng)中，我們使用一個舵機(jī)和行空板中的按鈕功能，實現(xiàn)了攝像頭不同方位的視頻監(jiān)控功能。校園安全監(jiān)控可視化管理系統(tǒng)硬件連接圖如圖5所示。

總功能設(shè)計圖如圖6所示。

研究阻礙

在項目研究過程中，學(xué)生們遇到了很多的難題，而且很多的領(lǐng)域都是他們未曾接觸過的。為了解決這些問題，學(xué)生們需要查找很多的資料，并向相關(guān)專業(yè)教師進(jìn)行咨詢。在專業(yè)教師們的幫助下，學(xué)生們一一攻克了難關(guān)。

難題一：在搭建教學(xué)樓模型的過程中，如何將各種傳感器設(shè)備合理地安裝固定在模型中？學(xué)生們在教師的幫助下，學(xué)會了利用各種物理工具。

難題二：在搭建學(xué)校模型的圍欄時，一開始使用的是方形小木棍，但是木棍并不容易被剪裁。學(xué)生們積極思考后改用雪糕棒做材料，制作效果大大改善。

難題三：在各種材料和硬件的連接過程中，學(xué)生們對物理接線相關(guān)知識不了解。這部分內(nèi)容需要教師給學(xué)生進(jìn)行示范操作。

難題四：在智能控制程序編寫過程中，學(xué)生們出現(xiàn)了編程上的難題。教師及時給予指導(dǎo)和幫助。

難題五：在攝像頭實時跟蹤系統(tǒng)編程過程中，出現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的庫內(nèi)存已滿，無法更新的問題。最后學(xué)生們找到原因，因為攝像頭要存的數(shù)據(jù)比較多，不用將數(shù)據(jù)都存入到庫，占用內(nèi)存空間。

難題六：攝像頭跟隨舵機(jī)旋轉(zhuǎn)不到位。初期學(xué)生們對舵機(jī)的使用方法沒有完全掌握，最后經(jīng)過教師的指導(dǎo)，這個問題完美得到解決。

功能特點(diǎn)

本系統(tǒng)的所有功能設(shè)計都是從我們學(xué)校的實際需求出發(fā)的。

1.人臉識別系統(tǒng)可以解放門衛(wèi)工作人員和校領(lǐng)導(dǎo)的每日校門安全值班工作，并且有效地保證了學(xué)生們的安全問題。

2.語音燈光控制系統(tǒng)是本項目的一個亮點(diǎn)功能，學(xué)生通過控制語音識別傳感器，可實現(xiàn)不同燈光顏色的變換，并且由發(fā)出的語音指令來完成。

3.教室內(nèi)的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以為學(xué)生們提供一個更加舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境。

4.校園安全監(jiān)控可視化管理系統(tǒng)是本項目的一個創(chuàng)新點(diǎn)，我們通過物聯(lián)網(wǎng)完全實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。我們運(yùn)用了“蘑菇云”的行空板和一個攝像頭，通過物聯(lián)SIoT2.0實現(xiàn)了可視化實時監(jiān)控，并且利用可視化大屏，實現(xiàn)了不同方位的視頻監(jiān)控功能以及展示功能。

項目小結(jié)

在本項目的創(chuàng)意設(shè)計中，學(xué)生們最大的收獲之一是提高了自己的動手能力，并且通過利用各種不同的廢舊材料來組裝校園模型的環(huán)境設(shè)施，又提高了自己的創(chuàng)新能力。學(xué)生們通過咨詢和請教物理學(xué)科教師，對簡單的物理原理也有了初步的認(rèn)識。在本項目中，學(xué)生設(shè)計的這個作品功能還不是很完善，還需要繼續(xù)學(xué)習(xí)，了解不同的硬件原理，設(shè)計出更加完善的低碳智慧校園系統(tǒng)。