無線傳感網(wǎng)技術(shù)在智慧教室系統(tǒng)中的應(yīng)用

景 琪

(山西工程科技職業(yè)大學(xué)，山西 晉中 030619)

0 引言

智慧教室是日后教學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，通過對智慧教室系統(tǒng)的構(gòu)建，將極大地提高教學(xué)效率與管理水平，為現(xiàn)代化教育理念落實(shí)奠定基礎(chǔ)。新時(shí)期，考慮到無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案成熟，將無線傳感網(wǎng)技術(shù)與智慧教室系統(tǒng)結(jié)合起來，充分發(fā)揮智慧教室系統(tǒng)的使用性能具有可行性。鑒于此，有必要對智慧教室系統(tǒng)進(jìn)行說明，并做好系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

1 智慧教室與智慧教室系統(tǒng)簡述

1.1 智慧教室

智慧教室是通過先進(jìn)的無線傳感技術(shù)，將學(xué)習(xí)空間、信息技術(shù)與教學(xué)資源整合起來，為學(xué)生營造便利化的學(xué)習(xí)環(huán)境。在智慧教室的建設(shè)中，也考慮探究式學(xué)習(xí)、混合學(xué)習(xí)、翻轉(zhuǎn)課堂、遠(yuǎn)程教學(xué)模塊，對系統(tǒng)功能進(jìn)行深度開發(fā)，構(gòu)建集中管理、交流與互動(dòng)為一體的教學(xué)系統(tǒng)。

1.2 智慧教室系統(tǒng)

智慧教室系統(tǒng)也需要以內(nèi)容優(yōu)化作為核心，對教育資源獲取途徑進(jìn)行拓展，并做好教學(xué)環(huán)境管理，滿足學(xué)生實(shí)時(shí)溝通交流需求。在實(shí)際的教學(xué)過程中，教師應(yīng)利用智慧教師，提高學(xué)生情感體驗(yàn)度。目前，在教學(xué)領(lǐng)域使用的智慧教室模式，能夠提供視覺、聽覺兩種感受，通過對各種智慧化方案的應(yīng)用，能夠顯著提升教學(xué)工作開展水平，增加學(xué)生對信息化技術(shù)的理解能力[1]。

在教學(xué)環(huán)境的管理中，基于智慧教室系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠?qū)淌噎h(huán)境信息進(jìn)行主動(dòng)識別，并根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)方案，做好數(shù)據(jù)信息的交互與處理。在對智慧教室系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮大數(shù)據(jù)技術(shù)與智慧管理平臺的應(yīng)用價(jià)值。在對教學(xué)環(huán)境資源進(jìn)行管理時(shí)，與需要明確系統(tǒng)的構(gòu)成要素，通過做好各種軟件與硬件設(shè)施的升級。在智慧教室系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)關(guān)注應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層與管理層，通過對集中管理平臺的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對各種設(shè)備與教學(xué)環(huán)境資源的優(yōu)化，為智慧化教室系統(tǒng)的可靠應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2 智慧教室系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

2.1 先進(jìn)性與實(shí)用性

在智慧教室系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)使用先進(jìn)無線傳感網(wǎng)技術(shù)，并增加計(jì)算機(jī)存儲技術(shù)應(yīng)用，做好服務(wù)端設(shè)計(jì)。系統(tǒng)應(yīng)提供課堂視頻錄制功能，在前端設(shè)計(jì)中，需要增加編碼器，并充分考慮系統(tǒng)開發(fā)成本和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在設(shè)計(jì)過程中，也需要確保系統(tǒng)方案符合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸協(xié)議，將最新的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與視頻交互技術(shù)應(yīng)用在系統(tǒng)模塊中，使得系統(tǒng)功能更加先進(jìn)完善。

此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要符合教學(xué)實(shí)際要求，為系統(tǒng)配置最新的設(shè)備與管理方案，并對系統(tǒng)之間的搭配方案進(jìn)行優(yōu)化，以確保系統(tǒng)開發(fā)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益[2]。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)將管理智能化技術(shù)、錄播技術(shù)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在集中管控中，以減少對不同模塊的多次操作，使得系統(tǒng)操作更加便利，降低系統(tǒng)使用成本。

2.2 兼容性與可拓展性

在系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)中，有關(guān)人員需要充分考慮其兼容性。例如，在視頻點(diǎn)播功能的設(shè)計(jì)上，要求系統(tǒng)支持各種PC瀏覽器，同時(shí)能夠在Android與IOS系統(tǒng)終端中應(yīng)用，為相關(guān)人員的及時(shí)查看提供便利。系統(tǒng)應(yīng)最大限度支持各種視頻編碼種類，使得前端音頻設(shè)備的兼容性良好，能夠在多種場景模式下應(yīng)用。

對系統(tǒng)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，有關(guān)人員考慮了日后系統(tǒng)擴(kuò)容需求，關(guān)注網(wǎng)絡(luò)與視頻技術(shù)的發(fā)展，并預(yù)留了5G應(yīng)用場景，使得系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可拓展性。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，相關(guān)概念、技術(shù)與方法的應(yīng)用，不僅關(guān)注設(shè)備自身的結(jié)構(gòu)與性能要求，而且對技術(shù)的日后發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測，并做好相關(guān)更新與優(yōu)化，使得系統(tǒng)能夠順利通過更新，提升智慧化教室系統(tǒng)運(yùn)行流暢度。

2.3 靈活性與可靠性

設(shè)計(jì)的智慧化教室系統(tǒng)能夠支持多種類型網(wǎng)絡(luò)，并且操作系統(tǒng)界面布置簡單，自動(dòng)化程度較高，能夠?yàn)橄到y(tǒng)使用人員帶來較強(qiáng)的應(yīng)用體驗(yàn)度。系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可靠性，能夠在正常使用條件下，滿足用戶提出的功能請求，并且系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性良好，可實(shí)現(xiàn)7×24小時(shí)全天候工作。系統(tǒng)故障率較低，相關(guān)人員對其進(jìn)行維護(hù)與管理十分方便。

3 無線傳感網(wǎng)技術(shù)在智慧教室系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 開發(fā)智慧教室操作系統(tǒng)與任務(wù)接口

本次智慧教室方案的落實(shí)中，設(shè)計(jì)人員對傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，使得硬件處理能力獲得提升。在系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)上，選取CC2530F256方案作為核心，通過ZigBee協(xié)議，對節(jié)點(diǎn)密度進(jìn)行管理，由此完成對數(shù)據(jù)的高速處理?；谏鲜龇桨傅膽?yīng)用，也提升了數(shù)據(jù)負(fù)荷管理水平。為確保系統(tǒng)應(yīng)用可靠性，利用ADC0809轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過對ZigBee數(shù)據(jù)終端的使用，也將數(shù)字量及時(shí)傳遞到控制平臺上，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量傳輸?shù)念A(yù)期目標(biāo)。

在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的分析中，重點(diǎn)做好數(shù)據(jù)信息的匯總，并以幀的方式完成數(shù)據(jù)控制，為智慧教室技術(shù)應(yīng)用提供支持。此外，針對智慧教室系統(tǒng)而言，有關(guān)人員可通過無線網(wǎng)對節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行整合，通過對典型技術(shù)框架的建設(shè)，能夠更好提供服務(wù)，滿足多種工作模式[3]。

隨著無線傳感網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，對智慧教室進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)成為可能。目前，在智慧教師開發(fā)中，使用較為廣泛的操作系統(tǒng)為TinyOS2.0。操作系統(tǒng)有美國加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)，可將其應(yīng)用在基于事件驅(qū)動(dòng)的多種工作條件中，該系統(tǒng)使用nesC編寫，可支持多種硬件平臺，其中包括mica2，intelmote2，eyesIFXv2，tinynoe等等。nesC語言是以C語言作為基礎(chǔ)的開發(fā)方案，可支持C語言所有的詞法和語法。然而，值得注意的是，為提升系統(tǒng)應(yīng)用可靠性，在該開發(fā)方案中增加了組件Component與接口interface，能夠?qū)﹃P(guān)鍵字進(jìn)行定義，并對各接口性能進(jìn)行提升，使得操作系統(tǒng)更加流暢，為教學(xué)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

目前，在智慧教室的操作系統(tǒng)中，使用了任務(wù)接口模型，通過該接口方案，可拓展針對各類型業(yè)務(wù)的語法和語義。一般情況下，任務(wù)接口包括一個(gè)post命令、一個(gè)run事件，對不同函數(shù)的具體聲明，將由接口模型決定，實(shí)例證明如下：

Interface TaskParameter{async error_t command p-

ostTask(uint16_param)；

event void runtasak(unit16_param)；}

對其進(jìn)行調(diào)用的方式如下：Call TaskParameter.postTask(34);//拋出任務(wù)

在任務(wù)接口模式下，任務(wù)執(zhí)行是完整的，能夠做到各業(yè)務(wù)傳輸同步，任務(wù)之間不搶占端口。

在TinyOS操作系統(tǒng)中，存在眾多廣播通信接口，使用accessor和mutator方可對其進(jìn)行連接訪問，相關(guān)的接口形式如Packet與AMPacket等接口。其中基本的通信接口為AM類型，相關(guān)類型和以太網(wǎng)中幀類型租用存在相似性。在系統(tǒng)操作中，AMsenderC為用戶提供了虛擬廣播，確保每個(gè)用戶可利用該模塊對教室智慧系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 對系統(tǒng)工作模式進(jìn)行優(yōu)化

通過無線傳感網(wǎng)對智慧教室系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是優(yōu)化工作模式，并建立與智慧教學(xué)模式作為核心的工作方案，為智慧課堂形成提供支持。目前，由于開發(fā)端口的多樣性，使得智慧教室系統(tǒng)工作模式具有高度選擇性。通過對不同數(shù)據(jù)接口的調(diào)取與應(yīng)用，能夠?qū)虒W(xué)場景進(jìn)行優(yōu)化，為教學(xué)信息資源的共享提供技術(shù)保障?，F(xiàn)階段，可使用工作模式包括通用型、協(xié)作型、遠(yuǎn)程型與多屏互動(dòng)。

在通用型工作模式下，相關(guān)人員可將教育終端設(shè)備與多個(gè)云平臺連接起來，并利用單雙投影的教學(xué)方式，對智慧教學(xué)系統(tǒng)方案進(jìn)行布置，為教學(xué)工作效率提升奠定可靠的技術(shù)支持。協(xié)作型工作模式下，教師通過對智慧教室的應(yīng)用，可落實(shí)小組教學(xué)方案，使得學(xué)生能夠參與到課堂實(shí)踐活動(dòng)中，極大地提升了學(xué)生之間的互動(dòng)性與合作性。為確保教學(xué)效果達(dá)到滿意標(biāo)準(zhǔn)，教育工作者應(yīng)對PBL教學(xué)模式融到課堂中，使得智慧教室方案更加豐富。在實(shí)際教學(xué)階段，教師也使用了分享型教學(xué)模式，基于無線傳感網(wǎng)技術(shù)，對系統(tǒng)開發(fā)方式進(jìn)行完善，使得多屏互動(dòng)、數(shù)據(jù)共享在課堂教學(xué)中得以實(shí)現(xiàn)，極大提升教學(xué)水平。

3.3 關(guān)注系統(tǒng)構(gòu)成與功能實(shí)現(xiàn)

本方案設(shè)計(jì)的智慧教室系統(tǒng)包括教學(xué)系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、錄播系統(tǒng)、智慧考勤、學(xué)情分析與環(huán)境控制。在具體的應(yīng)用過程中，通過對系統(tǒng)功能模塊的優(yōu)化，能夠提升數(shù)據(jù)信息的處理能力，并且能夠根據(jù)教學(xué)目標(biāo)的變化，對智慧化教室系統(tǒng)進(jìn)行完善，使得系統(tǒng)功能的適用性良好。例如，在某校智慧教室系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，考慮到學(xué)生考試需求，對教室環(huán)境進(jìn)行智慧化控制，將傳感器應(yīng)用在系統(tǒng)方案中，根據(jù)教室環(huán)境變化，對空調(diào)運(yùn)行模式進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)溫度、濕度條件的控制，為學(xué)生營造舒適良好的考試環(huán)境。

在智能化教學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中，采取了多點(diǎn)觸控、高清液晶顯示方案，并對系統(tǒng)進(jìn)行集成化控制，重點(diǎn)做好數(shù)據(jù)交互管理，利用任務(wù)接口模式，對數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠傳輸與共享，使得教學(xué)資源得到高效應(yīng)用。在系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)中，也對板書、PPT演示和課堂提問等多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，并設(shè)計(jì)學(xué)生參與模塊，使得學(xué)生能夠積極主動(dòng)參與到課程實(shí)踐中，使得智慧化教學(xué)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。在學(xué)生課堂參與模塊，設(shè)計(jì)了畫面投屏、動(dòng)態(tài)演示與在線批注等多種演示功能，由此構(gòu)建具有現(xiàn)代化特征的教室，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性獲得提升。

通過智慧教室系統(tǒng)，教室能夠?qū)φn堂內(nèi)容進(jìn)行錄制，并根據(jù)學(xué)生實(shí)際需求，對板書內(nèi)容、交互學(xué)習(xí)場景進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對教學(xué)資源的有效調(diào)度，相關(guān)教學(xué)方式的應(yīng)用，能夠?yàn)檎n堂教學(xué)效率提升提供幫助。在課堂內(nèi)容錄制中，系統(tǒng)也提供反思與評價(jià)模式，方便教師全面掌握課堂教學(xué)成果。

在智慧考勤模塊，利用無線傳感網(wǎng)對系統(tǒng)功能進(jìn)行升級，構(gòu)建以深度學(xué)習(xí)算法為主要依據(jù)的考核方案。在實(shí)際考核與管理中，使用無線網(wǎng)連接技術(shù)與信息識別技，對課堂考勤進(jìn)行了全面優(yōu)化。例如，在教室出勤管理中，使用人臉生物識別技術(shù)，完成對學(xué)生考勤情況記錄。教師可根據(jù)考勤結(jié)果提出針對性改進(jìn)方案，使得教室日常管理水平獲得提升。

在智慧學(xué)情分析上，使用智能監(jiān)控系統(tǒng)，對學(xué)生的課堂行為進(jìn)行捕捉。通過做好學(xué)習(xí)情況分析，能夠幫助教師找出學(xué)生成績落后的課堂因素，并設(shè)計(jì)個(gè)性化解決方案，強(qiáng)化了最新技術(shù)在教室管理中的應(yīng)用價(jià)值，為多元化、個(gè)性化教學(xué)拓展提供支持。

目前，在教室各種設(shè)備的管理中，使用了智慧設(shè)備管控系統(tǒng)，在無線傳感網(wǎng)技術(shù)的支持下，開發(fā)了集中管理平臺。平臺功能包括遠(yuǎn)程管理、信息收集、數(shù)據(jù)分析、狀態(tài)監(jiān)控與故障報(bào)警。通過對上述功能的應(yīng)用，使得教室管理朝數(shù)字化與智能化方向發(fā)展[4]。在對設(shè)備進(jìn)行管理的過程中，有關(guān)人員也利用大數(shù)據(jù)平臺對教室信息設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行管理，并做好設(shè)備檢修記錄，對關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行評估，并構(gòu)建設(shè)備管理與維護(hù)的數(shù)據(jù)庫。

在智慧教室方案的實(shí)現(xiàn)中，有關(guān)人員應(yīng)用光線感應(yīng)元件與溫度、濕度傳感器，對系統(tǒng)方案進(jìn)行優(yōu)化，構(gòu)建了智慧化教室管理系統(tǒng)。在該方案下，系統(tǒng)能夠根據(jù)獲取的參數(shù)值，對空調(diào)運(yùn)行工況進(jìn)行調(diào)整，并做好教室溫度與濕度條件統(tǒng)計(jì)工作，使得教師的環(huán)境質(zhì)量達(dá)標(biāo)，為學(xué)生營造了良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。例如，在空氣環(huán)境質(zhì)量的管理上，有關(guān)人員充分利用CO2智能感知模塊，對空氣中有害顆物質(zhì)、PM2.5進(jìn)行檢測識別，并根據(jù)檢測結(jié)果，對環(huán)境條件進(jìn)行調(diào)整，以最大程度發(fā)揮智慧教室系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。此外，在系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，也使用智慧護(hù)眼模式，對教室內(nèi)的光源進(jìn)行調(diào)整，并根據(jù)外界明暗程度對光源的亮度進(jìn)行調(diào)整，由此為學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)教師環(huán)境條件。

3.4 應(yīng)用智慧化設(shè)計(jì)思路

在構(gòu)建智慧教室系統(tǒng)中，需要對系統(tǒng)工作環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，將傳感器模塊應(yīng)用在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)智能化管理的目標(biāo)。具體設(shè)計(jì)思路如下：對智慧教室系統(tǒng)方案進(jìn)行調(diào)整，關(guān)注教學(xué)環(huán)境資源可靠性，設(shè)計(jì)光線識別系統(tǒng)，根據(jù)室內(nèi)光線的明暗程度，判斷是否需要啟動(dòng)照明裝置。同時(shí)將溫度感應(yīng)裝置應(yīng)用在環(huán)境質(zhì)量檢驗(yàn)中，當(dāng)系統(tǒng)識別到室內(nèi)濕度條件與實(shí)際要求不符合時(shí)，會(huì)自動(dòng)控制空調(diào)裝置。

此外，在系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)中，利用生物識別技術(shù)，在無線傳感網(wǎng)的技術(shù)框架內(nèi)，優(yōu)化了人臉識別技術(shù)，由此完成對教師職工與學(xué)生考勤情況的記錄，并根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)完成考核。采用人臉識別技術(shù)對智慧教室系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，也顯著提升了安全管理能力，可對進(jìn)出教室的人員進(jìn)行控制?；谏鲜黾夹g(shù)手段的應(yīng)用，使得智慧教室系統(tǒng)的應(yīng)用性能提升，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳輸目標(biāo)，而且為信息資源的高效處理奠定基礎(chǔ)，使得新時(shí)期教室智慧化管理成為可能。

3.5 做好智慧化系統(tǒng)的維護(hù)與管理

為充分發(fā)揮智慧化教室系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值，確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，有關(guān)人員需要利用最新的技術(shù)手段，對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)與管理。例如，將無線傳感網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在管理實(shí)踐中，構(gòu)建以無線網(wǎng)為核心的系統(tǒng)維護(hù)方案，對其中存在的系統(tǒng)漏洞與安全隱患進(jìn)行識別，并做好處理，使得系統(tǒng)安全性得以提升。在教室智慧化管理的過程中，對溫度傳感裝置進(jìn)行維護(hù)，對存在的識別不靈敏、錯(cuò)誤指示相關(guān)問題進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，也對智慧教室系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案進(jìn)行優(yōu)化，對教室的環(huán)境資源進(jìn)行可靠分析，優(yōu)化了環(huán)境處理模式，使得教室系統(tǒng)的應(yīng)用性能達(dá)到滿意標(biāo)準(zhǔn)。

同時(shí)，系統(tǒng)的操作環(huán)境進(jìn)行了優(yōu)化，使得操作更加流暢。在實(shí)際優(yōu)化操作中，在標(biāo)準(zhǔn)的TinyOS操作系統(tǒng)中，對各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化。例如，在通信節(jié)點(diǎn)上，設(shè)置了JAVA環(huán)境變量，并構(gòu)建PC與傳感器之間的網(wǎng)絡(luò)通信橋梁。在操作系統(tǒng)的優(yōu)化方面，也對串口數(shù)據(jù)格式進(jìn)行嚴(yán)格要求，利用MIG工具對串口數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。經(jīng)過優(yōu)化后的數(shù)據(jù)串口，能夠滿足多個(gè)程序模塊同時(shí)運(yùn)行的需求，即操作人員打開一個(gè)系統(tǒng)功能鏈接，可使多個(gè)應(yīng)用程序同時(shí)經(jīng)過TCP/IP Stream，并建立起與應(yīng)用程序之間的可靠連接關(guān)系。

通過對系統(tǒng)軟件與硬件環(huán)境的優(yōu)化，能夠提升系統(tǒng)的應(yīng)用性能，使得智慧教室模式的應(yīng)用更加安全可靠。在實(shí)際的使用環(huán)節(jié)，有關(guān)人員應(yīng)不斷關(guān)注技術(shù)發(fā)展趨勢，最新的技術(shù)方案應(yīng)用在系統(tǒng)維護(hù)中，以切實(shí)提升智慧化教室應(yīng)用能力。研究指出，目基于無線傳感網(wǎng)對系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，產(chǎn)生的效果顯著，能夠最大程度發(fā)揮智慧教室應(yīng)用效果。

4 結(jié)語

綜上，本文總結(jié)了無線傳感網(wǎng)技術(shù)在智慧教室中的應(yīng)用思路，以智慧教室系統(tǒng)的構(gòu)建作為研究出發(fā)點(diǎn)，說明在智慧教室系統(tǒng)構(gòu)建中，需要堅(jiān)持實(shí)用性、兼容性與可拓展性原則。通過做好操作系統(tǒng)開發(fā)、任務(wù)接口與工作模式優(yōu)化等多種途徑，使得系統(tǒng)應(yīng)用性能良好。