智慧教室物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

李國良

（山東華宇工學(xué)院信息工程學(xué)院 山東省德州市 253034）

自從“智慧地球”這一概念提出之后，“智慧校園”便成為了學(xué)校信息化發(fā)展的主要方向之一。雖然當(dāng)前很多學(xué)校都認(rèn)識(shí)到了“智慧化校園”建設(shè)的重要性，但是當(dāng)前很多信息化教室系統(tǒng)一般都是構(gòu)架在整個(gè)校園網(wǎng)上的巨大分式系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要分布廣泛、數(shù)量眾多的設(shè)備支撐，并且對(duì)軟件硬件的匹配程度要求較高，促使在當(dāng)前信息化教師系統(tǒng)維護(hù)的過程中，需要耗費(fèi)大量的人力物力財(cái)力資源。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支撐之下開展智慧教室構(gòu)建，可以充分展現(xiàn)出物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，引入云計(jì)算技術(shù)手段，便可以實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)管設(shè)備+基本套接字通信能力”的通信模式，這就不需要使用繁復(fù)的協(xié)議與后端服務(wù)器聯(lián)通，這樣一來便可以有效降低系統(tǒng)構(gòu)建與維護(hù)成本，為智慧教室構(gòu)建做出強(qiáng)大基礎(chǔ)保障。本文將針對(duì)智慧教室物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 智慧教室“系統(tǒng)”構(gòu)架

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支撐下，構(gòu)建智慧教室系統(tǒng)，必須要結(jié)合智慧教室的實(shí)際功能需求，對(duì)系統(tǒng)構(gòu)架層次進(jìn)行明確。在物聯(lián)網(wǎng)智慧教室系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)當(dāng)中，主要由四個(gè)層次搭建起的框架，分別是“終端層、室內(nèi)監(jiān)控層、中間層、硬件層”，其主要原理如圖1所示。在分布式功能理念與數(shù)據(jù)分層理念的框架之下，滿足多樣化的信息管理功能，并實(shí)現(xiàn)硬件與軟件之間的高效率聯(lián)動(dòng)。

圖1：智慧教室系統(tǒng)構(gòu)架圖

1.1 終端層

在智慧教室系統(tǒng)構(gòu)架當(dāng)中，終端層是最基礎(chǔ)框架層次。終端層主要負(fù)責(zé)直接與用戶指令連接，可以結(jié)合用戶們的指令需求，有針對(duì)性的提供個(gè)性化服務(wù)。借助終端層，可以將不同多媒體設(shè)備，借助傳感器進(jìn)行連接。教師在應(yīng)用智慧教室時(shí)，便可以控制智能統(tǒng)一化系統(tǒng)控制中心，對(duì)各個(gè)多媒體設(shè)備進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)管理、參數(shù)調(diào)控，切實(shí)為教師教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)帶來便捷的體驗(yàn)，有效節(jié)約每個(gè)設(shè)備調(diào)試的時(shí)間精力，增強(qiáng)教育教學(xué)效率。

1.2 室內(nèi)監(jiān)控層

針對(duì)室內(nèi)監(jiān)控層來說，該層次構(gòu)建目的便是將各個(gè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，有效確保各個(gè)系統(tǒng)正常、高效運(yùn)轉(zhuǎn)。針對(duì)智慧教室來說，在室內(nèi)監(jiān)控層構(gòu)架之下，便可以將教室門窗、教室燈光等相關(guān)設(shè)備開展智能化監(jiān)測(cè)控制，這樣有效確保室內(nèi)溫度、光線的柔和舒適，有效幫助廣大教師和學(xué)生們提供一個(gè)舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境，杜絕光污染對(duì)學(xué)生教室造成的身心健康，提升學(xué)生們的學(xué)習(xí)效率。

1.3 中間層

中間層構(gòu)架的主要作用，便是為智慧教室系統(tǒng)提供相關(guān)數(shù)據(jù)支撐，對(duì)智慧教室當(dāng)中各個(gè)設(shè)備的使用數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、傳輸。中間層承擔(dān)著整個(gè)智慧教室的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管控功能，可以借助中間層構(gòu)架的數(shù)據(jù)信息分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)智慧教室系統(tǒng)構(gòu)架存在不科學(xué)的內(nèi)容，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)架。

1.4 硬件層

硬件層與軟件層是相互對(duì)應(yīng)存在的，硬件層是智慧教室構(gòu)建當(dāng)中不可或缺的重要構(gòu)架層次，是智慧教室系統(tǒng)運(yùn)行不可忽視的關(guān)鍵。在硬件層當(dāng)中涵蓋了驅(qū)動(dòng)智慧教室系統(tǒng)正常運(yùn)行的所有硬件設(shè)備，是智慧教室系統(tǒng)當(dāng)中不可或缺的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。如圖1所示。

2 智慧教室“網(wǎng)絡(luò)”構(gòu)架

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支撐下進(jìn)行智慧教室網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架時(shí)，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架是不可或缺的重要基礎(chǔ)。智慧教師運(yùn)行是在網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)之下對(duì)各個(gè)多媒體設(shè)備進(jìn)行控制，網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于智慧教室的“血脈”，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示。開展物聯(lián)網(wǎng)智慧教室網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架時(shí)，應(yīng)該結(jié)合不同模塊的作用、功能的差異化特點(diǎn)，將智慧教室網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)規(guī)劃為三個(gè)層次，分別是“無線數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)、無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)路由器”。

圖2：智慧教室網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)架

2.1 無線數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)

結(jié)合無線數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)來說，該層次主要是借助傳感器手段，對(duì)智能教室系統(tǒng)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集、傳輸。在智慧教室當(dāng)中的數(shù)據(jù)信息主要涵蓋了溫度數(shù)據(jù)信息、濕度數(shù)據(jù)信息、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)信息、空氣污染情況數(shù)據(jù)信息。

2.2 無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

針對(duì)無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架層次，主要便是用來設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)和局域網(wǎng)，借助此種手段來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳輸。

2.3 數(shù)據(jù)路由器

在智慧教室網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架當(dāng)中，數(shù)據(jù)信息來源于各個(gè)傳感器。數(shù)據(jù)路由器構(gòu)架層次的目標(biāo)便是對(duì)各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集，并且將其數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一提供到既定的數(shù)據(jù)信息處理模塊當(dāng)中，對(duì)這些數(shù)據(jù)信息開展統(tǒng)一化的處理分析，并且給出最終的控制制定。

3 智慧教室“功能模塊”構(gòu)架

3.1 教學(xué)模塊

在智慧教室教學(xué)模塊當(dāng)中的硬件設(shè)備主要涵蓋了音響、投影設(shè)備、麥克風(fēng)等諸多設(shè)備。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支撐下，構(gòu)建出教學(xué)模塊統(tǒng)一控制系統(tǒng)，能夠在統(tǒng)一系統(tǒng)之下，對(duì)各項(xiàng)設(shè)備進(jìn)行控制。在教學(xué)模塊系統(tǒng)當(dāng)中，教師可以自動(dòng)投放教學(xué)課件，有效拜托傳統(tǒng)黑板和粉筆對(duì)知識(shí)傳授的制約。通過多媒體投影設(shè)備將與教學(xué)內(nèi)容有關(guān)的視頻、圖片引入到課堂當(dāng)中，能夠更加便于學(xué)生們對(duì)知識(shí)理解。在答題提醒器、音響設(shè)備的支撐下，還可以第一時(shí)間與學(xué)生們進(jìn)行互動(dòng)，切實(shí)活躍了課堂教學(xué)氛圍，有效提升了教學(xué)效率。

3.2 LED模塊

在智慧教室當(dāng)中，LED 模塊則是借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段，在智慧教室系統(tǒng)構(gòu)架中引入LED 模塊，實(shí)現(xiàn)LED 面板鎖組成，其主要的功能便是直接顯示教師內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)信息參數(shù)，這樣便可以為教學(xué)工作提供更多便捷。

3.3 智能感知模塊

在智慧教室當(dāng)中，室內(nèi)環(huán)境感知是該系統(tǒng)當(dāng)中不可忽視的重要模塊，直接影響著智慧教室的舒適程度。在室內(nèi)環(huán)境智能模塊當(dāng)中，最為主要的系統(tǒng)構(gòu)成便是“數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、傳感器”等諸多體系，以便于為系統(tǒng)提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)信息支撐。借助傳感器設(shè)備來吸收教室環(huán)境當(dāng)中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，借助數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)來對(duì)室內(nèi)環(huán)境相關(guān)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸，通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)智能教室的數(shù)據(jù)信息開展深入分析探究。將處理好的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)街行目刂葡到y(tǒng)當(dāng)中，從而借助數(shù)據(jù)來發(fā)出相應(yīng)的指令，從而對(duì)教室內(nèi)部各個(gè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化控制。

3.4 遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)模塊。

為了實(shí)現(xiàn)教育教學(xué)工作深入開展，智慧教室應(yīng)該滿足遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)的需求，借助遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)模塊，可以切實(shí)有效的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)工作互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)信息化教學(xué)工作發(fā)展。在開展遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)模塊構(gòu)建的過程中，作為一種跨系統(tǒng)、夸平臺(tái)的高清遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)系統(tǒng)，一般是由遠(yuǎn)程音頻互動(dòng)服務(wù)器、互動(dòng)客戶終端所構(gòu)成。在引入遠(yuǎn)程互動(dòng)教學(xué)模塊的過程中，互動(dòng)終端可以支持教學(xué)網(wǎng)關(guān)、錄播主機(jī)、計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)、平板電腦等諸多設(shè)備的聯(lián)合應(yīng)用，切實(shí)滿足了遠(yuǎn)程教學(xué)工作互動(dòng)的實(shí)際需求。

3.5 空余教學(xué)模塊

智慧教室已經(jīng)在社會(huì)各個(gè)學(xué)校當(dāng)中廣泛運(yùn)用，針對(duì)高等院校來說，智慧教室往往需要滿足學(xué)生們?nèi)粘Ｗ灾鲗W(xué)習(xí)的需求，很多高校學(xué)生也因?yàn)檎易粤?xí)室浪費(fèi)了大量的時(shí)間，這也直接降低了廣大學(xué)生們的學(xué)習(xí)積極性，浪費(fèi)了學(xué)生們大量的時(shí)間精力，并且浪費(fèi)了學(xué)校的資源利用效率。那么在智慧教室當(dāng)中引入空余教學(xué)模塊，便可以在APP 當(dāng)中，動(dòng)態(tài)化對(duì)空余教室進(jìn)行查詢。在智慧教室傳感器的作用和智慧教室監(jiān)控系統(tǒng)的作用下，實(shí)現(xiàn)智慧教室影像視頻動(dòng)態(tài)化傳輸，在此基礎(chǔ)上學(xué)生們便可以動(dòng)態(tài)化的在手機(jī)APP 上查看每個(gè)自習(xí)室的影像視頻和人數(shù)情況，明確哪個(gè)教師有空余座位，切實(shí)在提升教師資源利用效率的基礎(chǔ)上，為廣大學(xué)生教師們自主學(xué)習(xí)提供便利。

3.6 筆記管理模塊

智慧教師的功能模塊應(yīng)該隨著教學(xué)需求，不斷優(yōu)化創(chuàng)新。在人們對(duì)智慧教室系統(tǒng)日益依賴的當(dāng)下，智慧教室不僅需要支持教師的課前云端備課，而且還應(yīng)該實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化的課堂教學(xué)評(píng)價(jià)。借助筆記管理模塊，對(duì)學(xué)生們?cè)谡n堂當(dāng)中的反應(yīng)、反饋情況進(jìn)行分析，了解學(xué)生們當(dāng)前學(xué)習(xí)當(dāng)中潛在的困難，為課后復(fù)習(xí)、教學(xué)工作提供強(qiáng)大的基礎(chǔ)保障。在筆記管理模塊當(dāng)中，能夠動(dòng)態(tài)化的對(duì)教師教學(xué)、學(xué)生探討、師生互動(dòng)、教學(xué)氛圍等各項(xiàng)環(huán)節(jié)開展實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)記錄。這樣教師便可以借助實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的記錄內(nèi)容，對(duì)本堂課存在的問題和不足進(jìn)行分析，及時(shí)優(yōu)化教學(xué)策略。此外，在筆記管理模塊當(dāng)中，教師還可以將預(yù)設(shè)好的課件內(nèi)容、重點(diǎn)知識(shí)、課堂筆記傳輸?shù)街腔劢淌夜P記管理模塊當(dāng)中，學(xué)生們便可以在家借助手機(jī)APP 隨時(shí)隨地的復(fù)習(xí)知識(shí)，切實(shí)在提升教師們的教學(xué)效率的基礎(chǔ)上，為教學(xué)工作可持續(xù)發(fā)展與優(yōu)化做出基礎(chǔ)保障，并且能夠?yàn)閷W(xué)生們復(fù)習(xí)知識(shí)、預(yù)習(xí)知識(shí)、家長了解學(xué)生在校情況提供便捷。

4 結(jié)束語

總而言之，物聯(lián)網(wǎng)作為一種科學(xué)創(chuàng)新的技術(shù)手段，能夠?yàn)椤爸腔劢淌摇睒?gòu)建提供強(qiáng)大知識(shí)保障。在進(jìn)行智慧教室搭建的過程中，應(yīng)該從智慧教室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、智慧教室網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、智慧教室應(yīng)用模塊結(jié)構(gòu)等層次上進(jìn)行科學(xué)合理分析，切實(shí)有效的保障智慧教室構(gòu)建的完善性、科學(xué)性，為教育教學(xué)工作的信息化發(fā)展、智慧化建設(shè)作出貢獻(xiàn)。