無線傳感網(wǎng)技術在智慧教室系統(tǒng)中的應用

山東華宇工學院信息工程學院 李國良

在優(yōu)化智慧教室系統(tǒng)的過程中，需要對智慧教室系統(tǒng)功能、遠程控制、智能化設備管理、無線通信等方面進行綜合分析，通過信息數(shù)據(jù)傳輸與信息處理，提升智慧教室系統(tǒng)的無線傳輸水平。結合無線傳感網(wǎng)的特點，對智慧教室系統(tǒng)的運行狀態(tài)、故障檢測、設備應用等方面進行綜合分析，在數(shù)據(jù)加密與傳輸處理的基礎上，提升智慧教室系統(tǒng)的應用價值。

1 智慧教室介紹

智慧教室系統(tǒng)可以通過PST框架進行設計，將學習空間、信息技術與教育教學融合在一起，這對實現(xiàn)探究式教學、小班教學、混合式教學、翻轉課堂與遠程化教學等方面有積極作用。智慧教室系統(tǒng)的概念是以內容呈現(xiàn)、環(huán)境管理、資源獲取、及時交互、情境感知等為中心，并建立智慧管理模塊，提高智慧教室系統(tǒng)的實際應用水平。智慧教室系統(tǒng)可以通過視覺、聽覺兩種形式，提高學生對教學信息的理解水平。環(huán)境管理則是對教室所有設備、環(huán)境等進行分析，例如：針對監(jiān)控、空調、燈光、溫度、濕度、二氧化碳濃度等進行網(wǎng)絡化、智能化管控。資源獲取可獲得本地資源、網(wǎng)絡資源、云端資源等相關數(shù)據(jù)，在進行數(shù)據(jù)交互與信息處理的基礎上，提高教學的智慧化發(fā)展水平。

2 智慧教室系統(tǒng)的框架設計

在對智慧教室系統(tǒng)進行框架設計與分析中，由大數(shù)據(jù)分析、集中管理平臺智慧教學與教學環(huán)境管理等功能構成；在實際操作中，可以通過學習軟件與教育硬件構成的方式，提高智慧教學服務水平。在智慧教室系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構設計中，以教室層、網(wǎng)絡層、管理層為中心，通過集中管理平臺，對教室的設備、環(huán)境等方面進行控制，優(yōu)化智能化教學系統(tǒng)，提高智慧教室的綜合發(fā)展水平。

3 智慧教室系統(tǒng)的硬件設計

無線傳感網(wǎng)下的智慧教室系統(tǒng)設計包含傳感節(jié)點的硬件設計、控制節(jié)點等內容，在對環(huán)境變化進行優(yōu)化的基礎上，可提升硬件監(jiān)控與信息處理水平。在智慧教室系統(tǒng)的功能設計中以CC2530F256為核心，并通過ZigBee協(xié)議，提高節(jié)點密度管理與數(shù)據(jù)的負荷管理水平。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡的工作環(huán)境下，可通過ADC0809轉換器將信息數(shù)據(jù)轉化為數(shù)字量，通過ZigBee數(shù)據(jù)終端可以將數(shù)字量傳輸?shù)娇刂破脚_，其轉換結構如圖1所示。

圖1 ADC0809轉換時序

在對網(wǎng)關節(jié)點數(shù)據(jù)進行分析處理的過程中，可通過網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)據(jù)匯總與信息處理對信息數(shù)據(jù)進行整合，以幀的方式對數(shù)據(jù)信息進行傳輸與控制。智慧教室系統(tǒng)在優(yōu)化的過程中可以通過無線網(wǎng)對節(jié)點數(shù)據(jù)信息進行整合，并對教育教學信息反饋、數(shù)據(jù)整合過程等方面進行優(yōu)化，在對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行有效處理的基礎上，可提升教育教學相關數(shù)據(jù)信息的處理水平。

4 智慧教室系統(tǒng)的構成與功能分析

在智慧教室系統(tǒng)設計中包含智能教學系統(tǒng)、精品錄播系統(tǒng)、智慧考勤系統(tǒng)、智慧學情分析系統(tǒng)、智慧設備管控系統(tǒng)、智慧溫濕度環(huán)境控制系統(tǒng)、智慧空氣環(huán)境質量控制系統(tǒng)、智慧護眼光環(huán)境控制系統(tǒng)等，在數(shù)據(jù)分析與功能模塊設計的基礎上，可提升數(shù)據(jù)信息處理水平。無線網(wǎng)的智慧教室系統(tǒng)優(yōu)化與功能設計，考慮智慧考試的實際需求，對教室環(huán)境、課堂準備、教學過程等方面進行優(yōu)化，通過教學設計與教學方式拓展，達到提高教學水平的目的。

智能教學系統(tǒng)。以智能化教學系統(tǒng)為中心，以多點觸控、高清液晶顯示等集成化設計，對數(shù)據(jù)交互過程、信息處理等方面進行完善。通過智慧教室系統(tǒng)完成板書、PPT演示、課堂提問等相關操作，學生可以自主、快速加入到小組討論中，并進行畫面投屏、動態(tài)預覽、動態(tài)批注等操作，這對形象化展示知識以及提高學生的學習興趣等方面有積極作用。

錄播功能。利用智慧教室系統(tǒng)，教師可以對課堂內容進行跟蹤拍攝與錄制，并對授課板書、學習交互等教學場景進行切換與教學資源調度，這對教學創(chuàng)新與教學資源優(yōu)化等方面有積極作用。在支持接入電腦信號進行錄制的過程中，可對教學內容進行編輯與處理，從而滿足教學反思與教學反饋的實際需求。

智慧考勤系統(tǒng)。結合智慧教室系統(tǒng)的功能設計，以深度學習算法為主要手段，利用無線網(wǎng)以及信息識別技術實現(xiàn)智慧考勤，并對課堂考勤進行優(yōu)化，提高教室日常管理水平。

智慧學情分析。通過智慧教室系統(tǒng)抓拍學生課堂行為，并對學生的課堂行為進行分析，充分了解學生的學習狀態(tài)，從而實現(xiàn)多元化、個性化教學拓展。

智慧設備管控系統(tǒng)。在智慧教室系統(tǒng)中建立集控管理平臺，對遠程管控、信息搜集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、故障報警等相關功能進行設計。利用大數(shù)據(jù)平臺，對教室信息設備的運行、數(shù)據(jù)、狀態(tài)等方面進行綜合分析，提高設備的可視化管理水平。

智慧溫濕度環(huán)境控制系統(tǒng)。根據(jù)教室的環(huán)境測量值，在智慧教室系統(tǒng)中設置目標參數(shù)對空調的運行進行調控，在對溫濕度環(huán)境變化進行統(tǒng)計與控制的基礎上，改善教室的環(huán)境。

空氣環(huán)境質量控制。建立CO2智能感知模塊、PM2.5感知模塊以及環(huán)境控制終端等，在對空氣環(huán)境進行質量檢驗與環(huán)境評估的基礎上，可實現(xiàn)空氣數(shù)據(jù)的檢驗與數(shù)據(jù)處理。

智慧護眼光環(huán)境控制。在對智慧調光過程進行優(yōu)化中，可通過自動調節(jié)設備功率，提高教室的護眼管理水平。

5 智慧教室系統(tǒng)的應用

5.1 工作模式優(yōu)化

基于無線網(wǎng)的智慧教室系統(tǒng)工作模式優(yōu)化，需要以智慧教學模式為中心，并建立智慧互動課堂。智慧教室系統(tǒng)的工作模式具有可選擇性，在對教學場景進行優(yōu)化中，可以通過通用型、協(xié)作型、分享型、遠程型、巨屏型等方式進行操作處理。通用型是通過云平臺與多端設備的應用，可實現(xiàn)單雙投影的教學方式，滿足智慧教室教學的創(chuàng)新需求。協(xié)作型智慧教室系統(tǒng)的實際應用是以教學小組為單位，建立合作性學習教學方案，在對學習環(huán)境以及TBL/PBL教學方式等進行優(yōu)化的基礎上，提升協(xié)作教學在智慧課堂中的應用效果。分享型的教學系統(tǒng)是通過計算機實訓優(yōu)化智慧教學場景，通過多屏互動、數(shù)據(jù)共享的方式，對智慧教室系統(tǒng)的工作模式進行優(yōu)化，提升互動教學水平。

5.2 智慧教室系統(tǒng)的維護與管理

在對智慧教室系統(tǒng)的實際應用進行分析中，則是從智慧教室系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源與核心聯(lián)動的角度來進行控制。例如，在進行環(huán)境監(jiān)控的過程中，可以利用溫度、濕度、二氧化碳等相關傳感器對環(huán)境進行監(jiān)控。通過無線網(wǎng)絡與通信技術對通信數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲等方面進行優(yōu)化，在通信組網(wǎng)與智能監(jiān)控的基礎上，提升監(jiān)控數(shù)據(jù)的處理水平。在對智慧教室系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸過程、數(shù)據(jù)信息處理等方面進行優(yōu)化中，可通過智慧教室系統(tǒng)對出勤率、教室的環(huán)境數(shù)據(jù)以及課件準備等方面進行集成化管理，在系統(tǒng)運行控制與數(shù)據(jù)操作的基礎上，可通過無線網(wǎng)絡提升智慧教室系統(tǒng)下的課堂教學水平。

5.3 智慧教室系統(tǒng)的智慧化設計

在建立智慧教室系統(tǒng)的過程中，可通過智慧教室系統(tǒng)改善智能教學環(huán)境，優(yōu)化智能管理過程，在利用傳感器的基礎上，可對教室環(huán)境、智慧管理等方面進行優(yōu)化，提高教室的智慧管理水平。例如，利用光線識別系統(tǒng)判斷是否啟動照明；溫度感應則可以通過環(huán)境檢驗，控制空調的開啟狀態(tài)；人臉識別技術則是通過多媒體設備，對教師、學生的實際出勤情況、教學維護等方面進行綜合控制。在此基礎上，可通過智慧教室系統(tǒng)完善學生學習生活系統(tǒng)，對學生的日常生活、出勤、安全等方面進行監(jiān)管，在進行無線傳輸與信息處理的基礎上，可提升智慧教室系統(tǒng)的操作與控制水平。

結束語：在無線傳感網(wǎng)視角下，智慧教室系統(tǒng)的設計與應用以提高智慧教學水平為核心目標，并通過控制系統(tǒng)對教室環(huán)境、教學設備管控等方面進行優(yōu)化，提升智慧教室系統(tǒng)的實際應用水平。智慧教室系統(tǒng)通過無線傳感網(wǎng)絡，通過多種終端，覆蓋教學空間。