基于移動物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室設計與實現(xiàn)

何文樂 李杰玉

摘? ?要：隨著信息技術的發(fā)展，多媒體教室已經(jīng)逐漸取代了“黑板+粉筆”的傳統(tǒng)教室。然而，目前大多數(shù)多媒體教室局限性日趨明顯，表現(xiàn)為：多媒體教室里設備種類繁多，碎片化嚴重，只能手動單一控制;多媒體教室分布范圍廣，后期管理維護難度大;多媒體教室建設仍停留在只重視硬件設備投入階段，軟件應用交互平臺部署設計幾乎為零;信息化應用水平低，技術可拓展性和伸縮性弱。針對上述問題，本文提出了基于移動物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室實現(xiàn)方案，提高教室資源設備的利用率，實現(xiàn)教育教學管理的自動化與智能化。

關鍵詞：移動物聯(lián)網(wǎng);智慧教室;無線傳感網(wǎng);ZigBee;WiFi

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2019）01-0069-05

一、引言

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等下一代信息技術的日趨成熟，信息化教學納入我國新時代教育教學改革的重要發(fā)展戰(zhàn)略，其中《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》也明確提出加快教育信息化進程的要求，具體包括：①加快教育信息化基礎設施建設;②加強優(yōu)質教育資源開發(fā)與應用;③構建國家教育管理信息系統(tǒng)。

因此，“互聯(lián)網(wǎng)+教育”成為教育領域建設與改革的新趨勢，如智慧教育、智慧校園、智慧課堂等建設，已成為當下教育部門關注、研究及探討的新熱點。信息技術與學校教育教學業(yè)務的融合，將物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術引入校園教育領域，有效加快了信息技術促進新時代教育改革的進程。智慧教室環(huán)境的搭建，為適應新時代信息技術與課程教學有機整合，提高校園信息化教學水平，實現(xiàn)自動化、智能化校園管理提供了技術支持和保障。

二、總體架構設計

1.智慧教室的概念

智慧教室（Smart Classroom），在傳統(tǒng)多媒體教室的基礎上，運用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動通信等下一代信息技術，構建集人員門禁考勤、設備智能聯(lián)動、環(huán)境優(yōu)化調(diào)節(jié)、移動交互教學等應用于一體的現(xiàn)代化智能教學環(huán)境。

2.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室建設架構

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）實質上是利用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)“萬物互聯(lián)”，即“人-人”、“人-物”、“物-物”進行信息交互的信息物力系統(tǒng)（Cyber-Physics System，CPS）。基于物聯(lián)網(wǎng)結構，智能教室架構分別為：感知層、網(wǎng)絡層、應用層，另外為兼容各類終端設備接入，在物聯(lián)網(wǎng)三層架構上添加終端接入層，各層的部署具體如下：

（1）感知層

感知層主要負責感知教室環(huán)境設備的數(shù)據(jù)信息，基于本文設計，感知層相關技術部署于每間智能教室內(nèi)，包括各種無線傳感網(wǎng)絡感知節(jié)點、網(wǎng)絡攝像頭感知節(jié)點、硬件設備感知節(jié)點、射頻識別感知節(jié)點、智能設備電子標簽感知節(jié)點，實時采集教室生態(tài)環(huán)境、多媒體設備狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息，與網(wǎng)絡層、應用層動態(tài)交互。

（2）網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層是物聯(lián)網(wǎng)的大腦及神經(jīng)中樞，主要負責智慧教室數(shù)據(jù)信息的傳遞和處理，網(wǎng)絡層基于校園網(wǎng)設施，在每個智慧教室部署智能網(wǎng)關，利用通信組網(wǎng)技術包括有線技術（如CAN現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)、RS-485總線等）和無線技術（如ZigBee、WiFi、Thread、4G、LiFi等），把教室各種硬件設施設備通過組網(wǎng)技術連接，形成一個聯(lián)通的網(wǎng)絡系統(tǒng)，基于智能網(wǎng)關或無線路由器把感知層采集的數(shù)據(jù)傳輸處理，實現(xiàn)智能教室信息互聯(lián)互通、設備聯(lián)動控制等。

（3）應用層

應用層通過對感知層的數(shù)據(jù)信息進行處理并應用，實現(xiàn)智能教室的信息展示、信息交互并構建智能教學服務應用平臺，如教室門禁考勤系統(tǒng)、硬件設備控制系統(tǒng)、教室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、移動教育云平臺及智能教學管理系統(tǒng)。

（4）終端接入層

終端接入層是物聯(lián)網(wǎng)人機交互的接口，基于用戶（如教師、學生或校方）的需求，用戶可基于PC端及移動終端（智能手機或平板電腦）提供的可視化界面，對教室進行遠程線上控制或選擇控制策略。

三、智慧教室系統(tǒng)設計方案

1.智能門禁考勤系統(tǒng)

智慧教室的智慧生態(tài)環(huán)境是開放式、交互式、聯(lián)動式的。在日常教學中，門禁考勤也需要慎重考慮，目前，多媒體教室考勤沿用打卡式，這種“認卡不認人”的方式也給教學常規(guī)管理帶來一定局限性。本文基于模式識別與RFID一卡通，提出智能門禁考勤系統(tǒng)。

（1）RFID模塊

RFID模塊部分使用有源標簽，又稱主動標簽（Active Tag），采用超高頻915MHz、微波2.45GHz和5.8GHz工作頻段，遠距離自動識別，高頻系統(tǒng)的特點是標簽內(nèi)保存的數(shù)據(jù)量大、讀寫距離遠（可達幾米至十幾米），識別靜止及高速運行物體的性能一樣好。

（2）攝像采集模塊

依據(jù)大數(shù)據(jù)技術，對于進出教室的師生，調(diào)用校園資源數(shù)據(jù)庫，根據(jù)實際情況及時定期更新資源庫的信息，為門禁系統(tǒng)的模式識別提供最優(yōu)的信息匹配數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)門禁系統(tǒng)對識別目標的有效識別。

（3）模式識別模塊

人臉、車牌等信息具有唯一性，基于上文采用的超高頻RFID有源標簽識別，快速識別目標對象的特性。由于基于人臉識別算法，智能門禁系統(tǒng)只對人臉特征信息“感興趣”，其余干擾信息都“視而不見”。

本系統(tǒng)基于RFID超高頻有源標簽模式識別門禁考勤系統(tǒng)，通過高清攝像機自動截取人臉進行信息采集，同時傳輸網(wǎng)絡送至模式識別和RFID模塊，師生的人臉識別和RFID讀卡器自動進行人臉特征信息與校園數(shù)據(jù)庫匹配，作為身份認證。認證通過則“放行”，并記錄考勤時間;反之則“提醒”，師生的進出情況等信息通過校園網(wǎng)存儲于學校智能教學管理系統(tǒng)考勤模塊，系統(tǒng)管理員也能隨時通過移動終端查詢實時門禁管理系統(tǒng)的當前以及歷史數(shù)據(jù)。

2.硬件設備控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的多媒體教室硬件設備碎片化嚴重，各種品牌型號不一、通信協(xié)議兼容性差，以至各類硬件設備應用處于割裂狀態(tài)，只能單一控制，無法智能聯(lián)動。

為此，本文提出基于CAN的現(xiàn)場總線組網(wǎng)技術，采用“分布式部署，集中式管理”的方式，把智慧教室的各種硬件設備連接組網(wǎng)，實現(xiàn)硬件設備控制管理的智能化、網(wǎng)絡化、互動化、集成化。

（1）CAN現(xiàn)場總線關鍵技術

CAN是控制器局域網(wǎng)絡（Controller Area Network）的簡稱，CAN總線是一種支持分布式控制和實時控制的網(wǎng)絡總線，采用通信數(shù)據(jù)塊進行信道編碼，通信報文采用短幀結構，每個控制節(jié)點都有獨立的CAN控制器，因此當多個控制節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線根據(jù)控制數(shù)據(jù)的ID號自動比特位仲裁（Arbitration），避免造成數(shù)據(jù)阻塞及混亂。相比目前普遍應用的RS-485總線抗干擾能力差、傳輸可靠性差、通信傳輸速率低、每次只能接收并處理一個控制節(jié)點數(shù)據(jù)等不足，CAN總線采用循環(huán)冗余檢查（CRC），添加冗余檢查位保證通信的可靠性。CAN的數(shù)據(jù)傳輸速率范圍廣，介于5kbps～1Mbps之間，傳輸介質可采用雙絞線或光纖等，具有高性能、高可靠性、高穩(wěn)定性、實時性強、性價比高等優(yōu)勢，廣泛應用于不同領域。

（2）智能控制系統(tǒng)設計

每間智慧教室的教學設備，包括多媒體設備、投影幕布、傳感網(wǎng)絡、網(wǎng)絡攝像頭、照明、空調(diào)、音響、門禁、自動窗簾等電氣設備統(tǒng)一編碼。本文的設計基于82C50型驅動器CAN總線綜合布線技術，每一個硬件設備部署獨立的CAN控制器，構建一個控制節(jié)點，通過CAN總線結構簡單的總線網(wǎng)絡拓撲，各設備控制節(jié)點接收中心協(xié)調(diào)器（如智能網(wǎng)關）的控制指令，智能教室網(wǎng)路層的各節(jié)點根據(jù)總線訪問優(yōu)先級別，優(yōu)先級別取決于用戶需求設置，并通過報文標識符（Pan ID）區(qū)別響應，采用無損結構逐位仲裁方式競爭向總線發(fā)送控制數(shù)據(jù)。由于CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，取而代之對控制節(jié)點的通信數(shù)據(jù)實行編碼，每個控制節(jié)點單元都有唯一的地址編碼，通過這些地址編碼使不同的控制節(jié)點同時接收到指令數(shù)據(jù)。CAN總線網(wǎng)絡主要掛在CAN_H（CAN_High）和CAN_L（CAN_Low）上，由于雙絞線的特性阻抗，還需要在CAN_H和CAN_L之間接上120Ω的終端電阻，各個節(jié)點通過這兩條線實現(xiàn)信號的串行差分傳輸，使基于CAN總線構建的網(wǎng)絡控制節(jié)點之間信息通信實現(xiàn)較強的交互性。當用戶身處智慧教室時，基于智慧教室PC端控制設備;當用戶在教室戶外時，可以基于預定部署的異地PC端或個人移動終端，在線遠程控制教室設備，不受空間限制，均可實現(xiàn)設備高可靠性與靈活性的管理控制。

3.教室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

目前多媒體教室環(huán)境監(jiān)控主要依賴于攝像頭的視頻監(jiān)控，并且大多數(shù)攝像頭也依賴于人力干預，在監(jiān)控中心看監(jiān)控畫面，只實行“監(jiān)”，無法實現(xiàn)對突發(fā)事件的智能遠程處理，此外教室環(huán)境監(jiān)測設備（如PM2.5環(huán)境監(jiān)測、光照監(jiān)測、溫濕度監(jiān)測）部署基本沒有?；谏鲜鰡栴}，本文基于無線傳感網(wǎng)絡與WiFi、ZigBee、Thread等無線組網(wǎng)技術，實現(xiàn)了智慧教室環(huán)境實時監(jiān)測、智能遠程處理。

（1）無線組網(wǎng)關鍵技術介紹

①WiFi技術

WiFi是基于“IEEE 802.11”系列的無線網(wǎng)絡技術，工作特點：①覆蓋范圍廣，通信半徑30～100m;②傳輸速率高，一般傳輸速率可達數(shù)百Mbit/s，第六代WiFi無線傳輸速率達到7Gbps;③低輻射傳輸，IEEE 802.11規(guī)定的發(fā)射功率不超過100mW，實際發(fā)射功率為60～70mW，低于手機的發(fā)射功率200mW～1W，輻射安全性較好。WiFi 組網(wǎng)方式為近距離的星型拓撲，WiFi路由器起中心節(jié)點的作用，終端設備作為一般節(jié)點，其接入和斷開網(wǎng)絡不會影響網(wǎng)絡其他節(jié)點的工作，是目前人類生活中接入互聯(lián)網(wǎng)最為方便和應用最為廣泛的組網(wǎng)方式。

②ZigBee技術

ZigBee是一種基于“IEEE 802.15.4”通信協(xié)議的短距離無線通信技術，旨在構建一種低速率、低功耗、近距離傳輸?shù)膫€域網(wǎng)（Low Rate Wireless Personal Area Network， LRWPAN）。按照ZigBee組網(wǎng)方式，拓撲類型有星型（Star）、樹型（Tree）及網(wǎng)狀型（Mesh），網(wǎng)絡設備的節(jié)點由協(xié)調(diào)器節(jié)點（Coordinate）、路由器節(jié)點（Router）及終端節(jié)點（End Device）組成。ZigBee技術具有低功耗、低成本、延時短、自組織、自適應、高可靠性和安全性優(yōu)勢，廣泛應用于工業(yè)控制、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、智能家居等領域。

③Thread技術

Thread是一個基于開放標準構建的面向低功耗“IEEE802.15.4”網(wǎng)絡拓撲的下一代互聯(lián)協(xié)議IPv6的網(wǎng)絡標準，運行頻段2.4GHz，使用6LowPAN（Pv6 over Low power Wireless Personal Area Network）技術，能夠同時支持250個左右的智能設備（如傳感器、照明、智能開關等）相互連接并直接連接到云端。Thread組網(wǎng)是網(wǎng)狀拓撲，主要由設備節(jié)點、路由器節(jié)點和邊界路由器節(jié)點組成。第一個路由器節(jié)點自動作為Leader節(jié)點，主要負責執(zhí)行額外的網(wǎng)絡組建管理任務，并進行決策，在同一網(wǎng)絡同一時段，僅有一個Leader節(jié)點。

（2）智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計

智慧教室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)通過在感知層部署大量傳感器實時采集感知數(shù)據(jù)，傳感器與硬件設備通過聯(lián)動來實時動態(tài)調(diào)整教室環(huán)境最優(yōu)狀態(tài)，同時教室環(huán)境的監(jiān)測數(shù)據(jù)也及時反饋至硬件設備，對硬件設備進行通斷電決策，充分提高硬件設備的利用率并有效節(jié)約資源。環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)傳感器及聯(lián)動外設如表1所示。

針對小型智慧教室系統(tǒng)，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)感知層采用WiFi組網(wǎng)的星型拓撲結構。中心節(jié)點為智能網(wǎng)關設備（如無線路由器），教室其他傳感器設備節(jié)點都直接接入WiFi網(wǎng)絡進行通信，實現(xiàn)教室環(huán)境與硬件設備的聯(lián)動。

各聯(lián)動外設內(nèi)置采用基于“802.11n”通信標準的型號為“88W8801”的WiFi模塊芯片，其工作頻段為2.4GHz，最大傳輸速率為72Mbps，滿足小型智慧教室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)需求，實現(xiàn)智慧教室與硬件設備智能聯(lián)動，基于WiFi組網(wǎng)的小型智慧教室智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由信息感知、傳遞、處理及應用構成。

針對較大型的智慧教室系統(tǒng)，并非所有傳感器節(jié)點均與智能網(wǎng)關直接通信，鑒于傳統(tǒng)的ZigBee組網(wǎng)技術無法直接與互聯(lián)網(wǎng)連接，本文利用Thread應用層兼容ZigBee設備的特點，提出一種融合ZigBee終端設備節(jié)點的Thread新型組網(wǎng)方案（以下簡稱“ZigBee_Thread組網(wǎng)技術”），充分發(fā)揮了ZigBee和Thread組網(wǎng)技術的優(yōu)勢，由于Thread是基于IPv6網(wǎng)絡協(xié)議，因此其可以直接接入互聯(lián)網(wǎng)并訪問任何一個節(jié)點，不需要依賴復雜的智能網(wǎng)關。

各聯(lián)動外設內(nèi)置的ZigBee終端設備節(jié)點采用HFZ-CC2530EM-V2.0芯片開發(fā)，采用德州儀器（Texas Instruments，TI）的射頻芯片CC2530-F256，具備RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，增強型8051為處理器，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存為8-KB RAM，支持ZigBee2007/Pro協(xié)議棧?；赯igBee_Thread組網(wǎng)的大型智慧教室監(jiān)控系統(tǒng)，傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過串口通信至ZigBee終端節(jié)點，運用ZigBee應用層協(xié)議（ZigBee Cluster Library，ZCL）運行于Thread組網(wǎng)上，完成信息感知、傳遞、處理及應用。

4.移動終端后臺服務器與APP應用開發(fā)

在應用層的應用服務端與終端接入層的應用客戶端的處理過程中，需要開發(fā)一個移動終端后臺服務器，使用戶能夠基于移動終端運行智慧教室的各個子系統(tǒng)。應用層后臺服務器移動終端的構建，使用服務端構建的基于校園網(wǎng)智慧教室獨立的服務器端軟件平臺，具體包括：安裝處理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫管理軟件（如Oracle Database、SQL Server）;搭建IIS（Internet Information Server）信息服務器，與 Window Server完全集成在一起。用戶能夠利用Windows Server和NTFS（NT File System，NT的文件系統(tǒng)）內(nèi)置的安全特性，建立強大、靈活而安全的Internet和Intranet站點，為智能教室服務器配置固定的IP地址和域名。

至于客戶應用端APP應用的開發(fā)，本文基于Android部署與用戶APP通信的服務端程序， 在Java語言提供的核心軟件開發(fā)工具JDK（Java）與Android SDK軟件開發(fā)環(huán)境，通過軟件編程及界面設計，為用戶提供移動終端平臺可視化和友好的人機交互界面，使師生等人員在使用智慧教室時，體驗移動端的一站式服務。開發(fā)的APP可以包括移動交互學習平臺、智能教學管理客戶端、智慧教室多媒體設備遠程控制、電子門禁考勤等應用，實現(xiàn)用戶對智慧教室的“智能掌控”。

四、結束語

在“互聯(lián)網(wǎng)+教育”浪潮的推動下，智慧教室融合了物聯(lián)網(wǎng)、云平臺、移動互聯(lián)網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)等新興技術。本文提出融合移動物聯(lián)網(wǎng)與云平臺的智能教室，給師生提供了一個集智能教學、移動交互學習、環(huán)境智能監(jiān)測調(diào)節(jié)、設備聯(lián)動智能控制于一體的現(xiàn)代新型信息化教室系統(tǒng)，充分提高了教學資源的利用率，進一步提升了教師的信息化教學素養(yǎng)，增強了學生的自主學習意識，為開拓新時代智慧教育的新模式發(fā)揮了作用。

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（編輯：王曉明）