智慧教室3D模型的設(shè)計與實現(xiàn)

張世城，翟嘉琪

（鄭州輕工業(yè)大學(xué)計算機與通信工程學(xué)院，鄭州450002）

隨著信息時代的到來，物聯(lián)網(wǎng)和3D模型技術(shù)的興起，各大高校開始進行信息化、可視化校園教室建設(shè)。提出并實現(xiàn)一種智慧教室的設(shè)計方案及成果，借力物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)模型和ThingJS3D模型可視化技術(shù)，給出智慧教室的整體策略和體系架構(gòu)，在智慧教室硬件布局、網(wǎng)絡(luò)通信和教室系統(tǒng)的平面構(gòu)造、3D模型進行設(shè)計與實現(xiàn)。

智慧教室；ThingJS；物聯(lián)網(wǎng)；3D；IPv6

0 引言

目前大部分高校仍普遍采用傳統(tǒng)的上課模式，隨著國家大力推進教育，以及近些年來我國的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)的飛快發(fā)展[1]，智慧教室應(yīng)運而生，它是借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建起來的新型教室。智慧教室的建設(shè)通過互聯(lián)網(wǎng)計算機技術(shù)，來增強教師對教室教學(xué)資源的利用和改善教師的教學(xué)手段并且能夠提高效率，為學(xué)生提供更好的教學(xué)環(huán)境。智慧教室不僅可以更好地服務(wù)于教學(xué)，而且對推進現(xiàn)代化教學(xué)的進行有深遠的意義。

本文在實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)硬件的基礎(chǔ)上，使用ThingJS 3D模型技術(shù)，建立可視化智慧教室感知系統(tǒng)，實現(xiàn)對教室信息化、三維可視化、智能化的智能管理平臺，設(shè)計包含第一視角漫游教室、溫濕度監(jiān)測、在線視頻監(jiān)控等全方位智能感知的安全教室。

1 ThingJS簡介

ThingJS是一個物聯(lián)網(wǎng)可視化PaaS[2]開發(fā)平臺，可以高效地輔助開發(fā)者集成3D可視化的界面。ThingJS是基于JavaScript語言進行開發(fā)的在線開發(fā)平臺。它不僅可以針對單棟或多棟建筑組成的園區(qū)進行場景可視化開發(fā)，當搭載豐富插件后，它也可以針對城市級別的場景進行設(shè)計與開發(fā)。ThingJS可以應(yīng)用于數(shù)據(jù)控制中心、倉庫存儲、學(xué)校、醫(yī)院、消防等多種領(lǐng)域。

物聯(lián)網(wǎng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，其中3D界面的開發(fā)主要運行在應(yīng)用層。ThingJS可以極大地降低3D界面開發(fā)的成本。

2 智慧教室的需求與設(shè)計

2.1 智慧教室的設(shè)計理念

智慧教室是一個教室動態(tài)發(fā)展過程中的一個概念，其設(shè)計與建設(shè)和社會的整體信息科學(xué)技術(shù)水平密不可分。根據(jù)智慧教室的主要功能需求，智慧教室重點要突出“智慧”上面，教室需要采用各種先進的軟硬件設(shè)備，對教室進行智能化管理，實時可視化的檢測教室動態(tài)。使老師和學(xué)生可以在一個舒適的環(huán)境中輕松的訪問和獲取資源，同時也方便教室管理者清晰地了解教室情況[3]。

2.2 智慧教室的設(shè)計要點

（1）信息化

智慧教室應(yīng)與學(xué)校的教務(wù)管理系統(tǒng)、一卡通系統(tǒng)，以及學(xué)校的教學(xué)資源和校外的有用資源相結(jié)合，實現(xiàn)智慧教室與學(xué)校資源系統(tǒng)的對接[4]。達到信息共享和信息的互通互聯(lián)。

（2）三維可視化

教室管理者能清晰可視化的看到教室的使用情況，能遠程查看并控制教室內(nèi)設(shè)備，對教室資源有一個充分的利用[5]。

（3）智能化

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)對教學(xué)設(shè)備教室本地和控制中心的雙管理，遠程、自動化的控制有效成本降低管理成本；無線投射技術(shù)方便移動終端等信息的交互，方便學(xué)習(xí)者的分享與交流。

2.3 智慧教室的開發(fā)流程設(shè)計

該智慧教室智能感知平臺的設(shè)計主要分為五個部分。首先，由（模模搭）搭建工具對教室的場景進行搭建，然后上傳至ThingJS平臺進行在線開發(fā)，經(jīng)由STM32開發(fā)板采集所需要的數(shù)據(jù)信息后通過OneNET[6]物聯(lián)網(wǎng)平臺對所采集到的數(shù)據(jù)進行儲存和轉(zhuǎn)發(fā)，最后對數(shù)據(jù)進行可視化展示。開發(fā)流程示意圖如圖1所示。

圖1 開發(fā)流程示意圖

3 智慧教室3D模型的實現(xiàn)

3.1 場景搭建

智慧教室的物理空間布局要在充分體現(xiàn)信息化、三維可視化、智能化的基礎(chǔ)下，對傳統(tǒng)教室里進行改造。智慧教室基礎(chǔ)布局如圖2所示。教學(xué)設(shè)施布局：根據(jù)教研需求和教學(xué)安排，課堂要體現(xiàn)互動交流性，桌子可擺成圓桌型，智慧教室在教室四面墻配有一個主屏幕（大尺寸觸控液晶屏）和三個輔屏幕；實現(xiàn)常態(tài)化錄播功能，自動跟蹤教師行為，采用不同的攝像頭跟蹤錄播，自動生成教學(xué)資源；實現(xiàn)人臉識別簽到或者記錄學(xué)生上課狀態(tài)（如抬頭率、舉手率），在智慧教室黑板上裝置高清攝像頭，生成行為數(shù)據(jù)[7]。

圖2 智慧教室2D硬件布局

本次設(shè)計的校園智能感知平臺就是通過Cam-Builder來搭建的。CamBuilder搭建的3D場景會自動同步到ThingJS平臺，用戶可直接在ThingJS網(wǎng)站引用這些3D場景進行基于Web的3D可視化應(yīng)用開發(fā)。這里根據(jù)教室實際所需構(gòu)建模型，圖3為教室3D可視化場景構(gòu)建效果圖。

圖3 教室3D可視化場景

此外，在場景搭建中，要對場景內(nèi)所用的到的物體進行屬性設(shè)置，以便于下一步應(yīng)用的在線開發(fā)，例如，UserID、Name、是否預(yù)覽隱藏、是否預(yù)覽時可選、是否接收數(shù)據(jù)，等等。如圖4所示為課桌的屬性設(shè)置信息示例。

圖4 課桌的屬性設(shè)置信息示例

3.2 在線開發(fā)

場景搭建完成后，保存教室的場景實時同步到ThingJS平臺，通過其提供的API進行開發(fā)。

當啟動ThingJS系統(tǒng)時，通過app.create創(chuàng)建教室物體，加載搭建好的場景?！癮pp”作為ThingJS功能庫的入口，提供了該教室智能感知平臺的功能：

（1）地圖定位：通過app.addControl()添加小地圖控件；

（2）教室漫游：通過“第一人稱行走”控件，對其進行交互模式控制，如前進、后退、左右移動、跳躍、碰撞檢測等；

（3）在線監(jiān)控：將視頻頁面作2D界面元素，通過快捷界面庫panel的iframe組件進行添加。

3.3 數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)發(fā)

這里智慧教室的數(shù)據(jù)的采集由STM32開發(fā)板和DHT11溫濕度傳感器來完成[8]。STM32開發(fā)板是在含有Wi-Fi單元的基礎(chǔ)上封裝好的開源IoT開發(fā)板；DHT11是一個與8位單片機相連接，內(nèi)含電阻式感濕元件和NTC測溫元件的復(fù)合傳感器。為保證各個技術(shù)設(shè)施都能正常的進行通信，智慧教室的所有功能都是搭建云端上的，智慧教室的感知數(shù)據(jù)傳輸、處理、使用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)功能，如圖5所示。

STM32采集DHT11溫濕度傳感器數(shù)值完成后，需要將其發(fā)送到云端的MQTT云服務(wù)。MQTT[9]協(xié)議是一個即時通信協(xié)議，可以實現(xiàn)設(shè)備之間的消息單播以及組播。智慧教室智能感知平臺選擇的是支持該協(xié)議的中國移動OneNET云平臺。由于采用的是STM32[10]加Wi-Fi的開發(fā)板，可以分配IPv6的地址，也方便過渡下一代互聯(lián)網(wǎng)。

圖5 網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)圖

3.4 展示數(shù)據(jù)

該部分主要是通過CamBuilder搭建出的教室場景對數(shù)據(jù)進行可視化展示。場景接入ThingJS功能庫后，將一系列傳感器所獲取的數(shù)據(jù)，通過“URL”將OneNET的數(shù)據(jù)展示在3D教室內(nèi)部。數(shù)據(jù)的主體為實時監(jiān)測所得的教室內(nèi)溫濕度，此外，還可以對該環(huán)境下的歷史數(shù)據(jù)進行查看。如圖6所示為教室內(nèi)溫濕度展示數(shù)據(jù)主面板。

圖6 展示數(shù)據(jù)主面板

同時還可以查看或開關(guān)智慧教室內(nèi)的監(jiān)控，可通過左上角打開關(guān)閉畫面。圖7為實時監(jiān)控視頻畫面。

圖7 實時監(jiān)控畫面

4 結(jié)語

本文利用物聯(lián)網(wǎng)萬物互聯(lián)的理念，以JavaScript和Lua為基礎(chǔ)語言，以ThingJS和OneNET為物聯(lián)網(wǎng)PaaS開發(fā)平臺，通過Web3D技術(shù)實現(xiàn)對教室信息化、三維可視化、智能化的智能管理平臺，設(shè)計并成功實現(xiàn)了包含第一視角漫游教室、溫濕度監(jiān)測、在線視頻監(jiān)控等全方位智能感知的智慧教室系統(tǒng)。