高校智慧教室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周恩浩

摘 要： 為了充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，全面提升高校教室信息化水平，設(shè)計(jì)一種針對(duì)高校教室科學(xué)管理的專(zhuān)業(yè)信息系統(tǒng)。將現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)的高校教室管理模式進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建智能化課堂管理系統(tǒng)，即智慧教室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。分析高校智慧教室系統(tǒng)的可行性和系統(tǒng)功能需求，提出高校智慧教室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)系統(tǒng)的架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)計(jì)、功能模塊等進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，構(gòu)建全新的信息化管理模式和基于現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的信息化管理平臺(tái)。

關(guān)鍵詞： 高等院校； 智慧教室； 教室管理； 物聯(lián)網(wǎng)； 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)； 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN915?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）02?0030?04

Abstract： In order to give full play to the technology advantage of Internet of Things （IoT） and improve the information level for university classroom， a specialized information system for scientific management of university classrooms is designed. The modern Internet technology is organically combined with the traditional university classroom management mode to build the intelligent classroom management system， namely IoT intelligent classroom system. The feasibility and functional demand of the intelligent university classroom system are analyzed. The design scheme of IoT system for intelligent university classroom is proposed. The system architecture， network architecture and function module are designed in detail to construct the new information management mode and the information management platform based on modern IoT technology.

Keywords： college and university； intelligent classroom； classroom management； IoT； system architecture design； network architecture design

在物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的帶動(dòng)下，高校教室管理也逐漸呈現(xiàn)出信息化、系統(tǒng)化發(fā)展趨勢(shì)，高校教室信息化管理水平將直接影響和決定高校教育資源的利用水平，是高校教育多樣性、豐富性的重要基礎(chǔ)。智慧教室泛指一種全新的、增強(qiáng)型的教室模式，具體以高科技軟件與軟件技術(shù)的應(yīng)用為基礎(chǔ)，打造智能化課堂管理系統(tǒng)。為了充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，全面提升高校教室信息化水平，必須將現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)的高校教室管理模式進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，從而發(fā)揮二者融合優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建全新的、信息化管理模式，創(chuàng)造一種基于現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的信息化管理平臺(tái)，從而全面提升教室管理效率水平，真正發(fā)揮教室資源的綜合價(jià)值，為高校師生信息化應(yīng)用水平的提升創(chuàng)建良好的實(shí)踐環(huán)境。

1 高校智慧教室系統(tǒng)功能需求分析

智慧教室的核心要素集中體現(xiàn)為對(duì)現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容的科學(xué)優(yōu)化以及對(duì)課堂教學(xué)資源的綜合利用以及良好教學(xué)關(guān)系的創(chuàng)建與維護(hù)。在進(jìn)行智慧教室設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)，要重點(diǎn)突出如下三項(xiàng)基本需求：

1.1 物聯(lián)網(wǎng)軟件應(yīng)用需求特征涉及內(nèi)容

高校教室的智能化建設(shè)主要包括環(huán)境智能感知、智能采光控制、智能門(mén)禁、智能通風(fēng)調(diào)節(jié)、室內(nèi)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、管理系統(tǒng)兼容平臺(tái)等。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)硬件需求特征

1） 環(huán)境信息采集與傳輸終端。主要硬件設(shè)置包括攝像頭、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)硬盤(pán)、空氣組分監(jiān)測(cè)分析、光照強(qiáng)度監(jiān)測(cè)分析、環(huán)境溫度與濕度監(jiān)測(cè)。

2） 門(mén)窗、教學(xué)輔助工具等的自動(dòng)控制功能。

3） 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的集成控制系統(tǒng)。

4） 與其他軟件應(yīng)用的兼容控制平臺(tái)。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)綜合集成拓展

物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)綜合集成拓展具體可以從以下幾個(gè)環(huán)節(jié)入手，完成智慧教室系統(tǒng)與高校已有信息化管理應(yīng)用的融合與兼容，從而構(gòu)建功能完善的綜合管理系統(tǒng)：物聯(lián)網(wǎng)傳感器硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與部署應(yīng)當(dāng)與現(xiàn)有信息系統(tǒng)的功能需求綜合考慮，為數(shù)據(jù)信息的共享和互動(dòng)創(chuàng)造良好環(huán)境，進(jìn)而提高信息資源的利用率與系統(tǒng)的全面性。從高校現(xiàn)有的硬件與軟件建設(shè)狀況出發(fā)，在盡量不影響現(xiàn)有設(shè)備、系統(tǒng)運(yùn)行使用情況的前提下，重點(diǎn)把握以下內(nèi)容：現(xiàn)有電力線路的走線與布局；現(xiàn)有門(mén)窗的規(guī)劃與建設(shè)；通風(fēng)系統(tǒng)的電氣狀況、攝像終端與投影、顯示終端的建設(shè)情況。

基于上述硬件建設(shè)情況的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的建設(shè)要求，合理利用現(xiàn)有設(shè)備資源，并積極構(gòu)建智能化的物聯(lián)網(wǎng)信息管理系統(tǒng)。在上述工作的基礎(chǔ)上，明確高校智慧教室管理系統(tǒng)的核心功能及其架構(gòu)，如表1所示。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，上述各類(lèi)功能的具體表現(xiàn)以及相應(yīng)的技術(shù)要求如下：

1） 環(huán)境感知分析功能。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)與傳輸。室內(nèi)環(huán)境采集分析的主要內(nèi)容包括溫濕度、CO2濃度、光照水平、輻射情況等。endprint

2） 室內(nèi)采光控制系統(tǒng)。能夠智能采集識(shí)別環(huán)境光照情況，并智能控制教室燈光以及門(mén)窗的開(kāi)啟情況，從而實(shí)現(xiàn)最佳室內(nèi)光照。

3） 通風(fēng)透氣系統(tǒng)的智能控制。主要對(duì)空調(diào)、風(fēng)扇等系統(tǒng)進(jìn)行智能控制，根據(jù)教室使用情況以及空氣質(zhì)量狀況智能調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)，從而確保最佳空氣指數(shù)。

4） 顯示終端的智能監(jiān)控。顯示屏是智慧教室建設(shè)應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是教學(xué)現(xiàn)代化的重要體現(xiàn)。在進(jìn)行智慧教室建設(shè)中，要充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合課堂教學(xué)需要，針對(duì)不同的使用環(huán)境設(shè)計(jì)不同的顯示模式，從而最大限度地保障教學(xué)需求并提升教學(xué)效果。

2 高校智慧教室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)以數(shù)據(jù)分層、分布式功能理念為基礎(chǔ)，構(gòu)建功能多樣的信息化管理系統(tǒng)，為高校智慧教室的建設(shè)與運(yùn)行創(chuàng)造物聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)已有硬件與軟件功能的聯(lián)動(dòng)與融合，并充分保證系統(tǒng)的升級(jí)可能，預(yù)留充足的功能接口滿足系統(tǒng)今后的發(fā)展要求。本系統(tǒng)的具體構(gòu)造如圖1所示。

由上到下，本智能管理系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)可細(xì)分為四個(gè)不同的層次，具體內(nèi)容如下所述：

1） 終端層。終端層面向具體服務(wù)，針對(duì)用戶(hù)決策需求提供相應(yīng)的支持服務(wù)，并滿足用戶(hù)決策的數(shù)據(jù)與交互需求。在終端層的功能支持下，教室所擁有的各類(lèi)多媒體工具以及傳感器設(shè)備將全面連通，并在管理系統(tǒng)的控制下實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行，從而構(gòu)建其高效、便捷的智慧教室體系，創(chuàng)造一種全新的課堂教學(xué)模式。

2） 室內(nèi)監(jiān)控層。室內(nèi)監(jiān)控層面向應(yīng)用，其主要功能是為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供必要的室內(nèi)監(jiān)控支持，具體實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光、門(mén)窗、設(shè)備的智能檢測(cè)與控制，從而確保最佳的教室環(huán)境，營(yíng)造良好的教學(xué)環(huán)境，有效提升課堂教學(xué)質(zhì)量效果。

3） 中間層。中間層面向數(shù)據(jù)，其主要功能是為系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供必要的數(shù)據(jù)支持，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葦?shù)據(jù)管理服務(wù)，是系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

4） 硬件層。硬件層面向物理前端，其主要功能是滿足智慧教室管理的具體要求，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)設(shè)備之間的有機(jī)整合，從而構(gòu)建起完整的系統(tǒng)硬件體系，充分滿足管理系統(tǒng)運(yùn)行的硬件需求。

2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在智慧教室管理系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的正常運(yùn)行需要可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)為支撐。數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，并根據(jù)運(yùn)行需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的具體使用。在控制系統(tǒng)中，允許管理者根據(jù)使用需要對(duì)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)規(guī)則進(jìn)行設(shè)置，并為各類(lèi)終端設(shè)備的智能控制提供數(shù)據(jù)支持。

在本智慧教室管理系統(tǒng)中，不同的終端可以通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、校園網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)交互網(wǎng)絡(luò)通過(guò)分布式方案進(jìn)行部署，整體架構(gòu)詳見(jiàn)圖2。根據(jù)各個(gè)功能模塊的具體功能的不同，本管理系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程控制等功能模塊構(gòu)成。

在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)環(huán)節(jié)，經(jīng)過(guò)綜合分析應(yīng)用需求與設(shè)計(jì)規(guī)劃，本智能管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，網(wǎng)絡(luò)的具體類(lèi)型包含以下三類(lèi)：

1） 無(wú)線數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，主要為各類(lèi)傳感器的數(shù)據(jù)采集與傳輸通道。監(jiān)測(cè)對(duì)象以溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等為主。

2） 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

3） 數(shù)據(jù)路由器。主要功能是為各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)傳統(tǒng)提供一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)傳感器采集到的數(shù)據(jù)能夠集中傳輸給數(shù)據(jù)中心，由數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一負(fù)責(zé)分析和處理。

2.3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

1） 教學(xué)模塊。本功能模塊的基本內(nèi)容為觸控投影機(jī)、音箱、麥克風(fēng)、問(wèn)答器等教學(xué)用設(shè)備。通過(guò)各類(lèi)現(xiàn)代技術(shù)設(shè)備的使用來(lái)取代傳統(tǒng)的黑板教學(xué)模式，從而降低粉塵污染，避免師生健康受損，同時(shí)能夠幫助教師擺脫黑板的限制和制約，能夠根據(jù)需要在不同的區(qū)域進(jìn)行教學(xué)，提高了師生交互性，從而有利于提高課堂教學(xué)的互動(dòng)效果。

2） LED顯示模塊。本功能模塊由數(shù)量不等的LED面板構(gòu)成。根據(jù)教學(xué)需要選擇特定的構(gòu)成方式并作為顯示屏安放于原黑板上部區(qū)域，其主要功能是對(duì)課程名稱(chēng)、班級(jí)、教師、室內(nèi)環(huán)境參數(shù)等信息的滾動(dòng)式顯示。

3） 室內(nèi)環(huán)境智能感知模塊。本功能模塊是智慧教室管理系統(tǒng)的核心功能，能夠根據(jù)傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息對(duì)各類(lèi)設(shè)備進(jìn)行智能化控制，從而始終保持最佳的室內(nèi)環(huán)境狀況。本模塊的基礎(chǔ)構(gòu)件為各類(lèi)傳感器、數(shù)據(jù)傳輸通道以及數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，能夠?yàn)橹悄芟到y(tǒng)的正常運(yùn)行提供必要的數(shù)據(jù)支持。

4） 空調(diào)或換氣扇智能開(kāi)啟與調(diào)節(jié)。良好的室內(nèi)空氣質(zhì)量是課堂教學(xué)質(zhì)量的重要保證。因此，為了保持最佳課堂空氣質(zhì)量，一般教室都配備了相應(yīng)的通風(fēng)透氣系統(tǒng)。空調(diào)、風(fēng)扇、換氣扇等設(shè)備是通風(fēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)構(gòu)成，同時(shí)是智能化控制系統(tǒng)的主要控制對(duì)象。

對(duì)于通風(fēng)透氣系統(tǒng)的智能控制需要根據(jù)空氣參數(shù)信息進(jìn)行調(diào)節(jié)，主要參數(shù)為CO濃度、CO2濃度以及其他氣體組分濃度。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)空氣傳感器所采集到的實(shí)時(shí)室內(nèi)數(shù)據(jù)的分析，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而確保最佳的室內(nèi)空氣質(zhì)量。

5） 教室環(huán)境監(jiān)控評(píng)價(jià)質(zhì)量和系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示。本模塊的主要功能是將教室環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)反饋顯示在用戶(hù)終端，從而為用戶(hù)提供室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)參數(shù)，便于用戶(hù)對(duì)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的整體了解。各類(lèi)數(shù)據(jù)信息具體顯示在安裝于教室的顯示屏中，其主要內(nèi)容包括課程、班級(jí)、教師、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等。

此外，本功能模塊還能夠?yàn)橛脩?hù)終端的管理控制提供數(shù)據(jù)支持，并為各類(lèi)控制終端的安裝部署提供數(shù)據(jù)接口，有效滿足了系統(tǒng)的升級(jí)與擴(kuò)展需求。

3 高校智慧教室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

具體以華南農(nóng)業(yè)大學(xué)規(guī)劃容量為100人的教室為對(duì)象，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的管理系統(tǒng)具備如下功能作用：

1） 室內(nèi)環(huán)境智能感知。能夠?qū)崟r(shí)采集室內(nèi)環(huán)境參數(shù)信息，并將各類(lèi)參數(shù)信息以動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的形式顯示于各類(lèi)顯示終端上便于用戶(hù)的查看和了解。此外，傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息需安全存儲(chǔ)，從而為查詢(xún)、分析提供有效支持。在具體使用過(guò)程中，用戶(hù)可以根據(jù)使用需要對(duì)智能控制的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行修改和調(diào)節(jié)，從而可以滿足不同使用環(huán)境下的智慧教室各項(xiàng)設(shè)備的自動(dòng)控制，始終保持良好的環(huán)境質(zhì)量。在室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)感知模塊，主要借助DS18B20芯片完成室內(nèi)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與傳輸。endprint

2） 室內(nèi)燈光設(shè)備智能控制。光照強(qiáng)度將直接影響學(xué)生在課堂中的學(xué)習(xí)效果。在光照強(qiáng)度采集模塊中，具體通過(guò)光敏電阻完成光照強(qiáng)度的采集與分析工作，并將獲取到的光照強(qiáng)度信息進(jìn)行傳輸和分析，根據(jù)分析結(jié)果控制燈光，從而保證最佳光照效果。

光照傳感器采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將由系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)比分析預(yù)設(shè)值對(duì)燈光的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而有效保證了室內(nèi)光照的合理性與舒適度，也為課堂教學(xué)創(chuàng)造了良好的環(huán)境，從而有利于教學(xué)效果的提升。

3） 室內(nèi)門(mén)窗設(shè)備智能控制。根據(jù)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)結(jié)果，由系統(tǒng)自動(dòng)完成門(mén)窗的開(kāi)啟與關(guān)閉。在門(mén)窗開(kāi)關(guān)狀態(tài)的自動(dòng)控制環(huán)節(jié)，具體可以根據(jù)預(yù)設(shè)的時(shí)間參數(shù)以及教室內(nèi)是否有學(xué)生的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行智能控制。

4） 室內(nèi)空調(diào)或換氣扇智能控制。通風(fēng)系統(tǒng)主要由空調(diào)、換氣扇等設(shè)備構(gòu)成。根據(jù)傳感器采集到的氣體組分濃度結(jié)果，由系統(tǒng)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而保持良好的空氣質(zhì)量。

5） 多媒體教學(xué)設(shè)備智能控制。根據(jù)教學(xué)需要，由系統(tǒng)對(duì)教室內(nèi)各類(lèi)教學(xué)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而滿足各項(xiàng)教學(xué)工作的具體需要，充分發(fā)揮現(xiàn)代化教學(xué)設(shè)備的功能作用。

6） 軟硬件集成平臺(tái)。針對(duì)不同用戶(hù)實(shí)行權(quán)限管理，不同用戶(hù)的系統(tǒng)操作權(quán)限不同。

7） 借助攝像頭采集到的實(shí)時(shí)圖像完成學(xué)生人數(shù)統(tǒng)計(jì)分析工作，從而對(duì)出勤率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究具體以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一種針對(duì)高校教室科學(xué)管理的專(zhuān)業(yè)信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用同傳統(tǒng)教學(xué)資源的有機(jī)整合，為廣大師生創(chuàng)造最佳課堂教學(xué)環(huán)境，從而營(yíng)造良好的教學(xué)氛圍，為教學(xué)效果的提升做出顯著貢獻(xiàn)?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧教室管理系統(tǒng)，能夠顯著提升高校課堂教學(xué)的科學(xué)性、現(xiàn)代化與信息化水平。

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