基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能教室應(yīng)用

鄧煌依，林雨雯

（廣州工商學(xué)院，廣東 佛山 528000）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)在生活、工作和學(xué)習(xí)中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，比如近些年在國內(nèi)外競爭十分激烈的智能音箱、智能門鎖、智能家具、掃地機(jī)器人等領(lǐng)域，我們身邊隨處可見的智能設(shè)備等，都是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接起來的[1]。

1 概 述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是指將生活、工作和學(xué)習(xí)中的日用品連接到互聯(lián)網(wǎng)的過程。這些物品一旦連接上了互聯(lián)網(wǎng)，便可以進(jìn)行遠(yuǎn)程操控、數(shù)據(jù)共享等，簡單來說就是物聯(lián)網(wǎng)把全世界的物品連接起來，讓他們之間可以交流，簡稱萬物互聯(lián)[2]。

1.2 智能教室

智能教室是運(yùn)用傳感器、云計(jì)算等技術(shù)，將教室里的燈光、門禁、教學(xué)設(shè)備等連接起來，使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中能夠更加簡單、高效和輕松。

2 傳統(tǒng)教室的狀況

學(xué)生進(jìn)出課堂很隨意；教室需要通過黑板來羅列所學(xué)知識，知識體系更加抽象；燈光、窗簾等教室所需設(shè)備需要人為走動開關(guān)和調(diào)整；學(xué)生需要攜帶各科紙質(zhì)版書籍和相應(yīng)筆記本到教室學(xué)習(xí)，不利于減輕學(xué)生負(fù)擔(dān)；教師需要通過口頭布置作業(yè)和回收紙質(zhì)版作業(yè)進(jìn)行查閱批改，不利于環(huán)保[3]。

3 智能教室的應(yīng)用

3.1 智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)通過電腦的中控與教室里各系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而更好地控制教室內(nèi)的各種機(jī)械器具?？刂葡到y(tǒng)是智能教室強(qiáng)有力的助手，能很好地調(diào)節(jié)各方面需要，滿足學(xué)生和教師的需求。

智能控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r根據(jù)天氣的變化合理調(diào)整溫度和濕度，并在上課時間內(nèi)自動開啟學(xué)習(xí)燈光，在下課時自動開啟護(hù)眼燈光，當(dāng)師生都進(jìn)入教室時，窗簾自動關(guān)閉，通風(fēng)換氣系統(tǒng)和空調(diào)自動打開，當(dāng)學(xué)生全部退出教室后，系統(tǒng)自動打開窗簾，關(guān)閉通風(fēng)換氣系統(tǒng)和空調(diào)，使師生能夠處于適宜的環(huán)境[4-5]。

（1）智能照明系統(tǒng)

現(xiàn)在的照明大多保持固定狀態(tài)，教室照明的作用是為學(xué)生提供明亮的學(xué)習(xí)環(huán)境。但固定的照明會使學(xué)生產(chǎn)生視覺疲勞，甚至近視。即使現(xiàn)有燈光可以人工調(diào)節(jié)，但大多數(shù)時候，人在專注一件事時，會忘記調(diào)節(jié)燈光亮度。而智能控制系統(tǒng)可通過數(shù)據(jù)計(jì)算和光感器推算出當(dāng)前適用的最優(yōu)燈光，時時刻刻提供最優(yōu)照明。智能照明系統(tǒng)以單片機(jī)作為主控單元，通過傳感器判斷教室里是否有人，做到人在燈亮，人走燈滅。使得學(xué)校對于照明的耗電量及電費(fèi)得到有效減少[6]。

（2）智能環(huán)境系統(tǒng)

在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，通過對當(dāng)天天氣及溫度、濕度的數(shù)值進(jìn)行提取分析，控制空調(diào)的溫度及濕度。南方的冬天寒冷入骨，夏天炎熱使人疲倦，雖然北方在冬天有供暖系統(tǒng)，但并不能完全滿足人體對最佳溫度的需求。

（3）智能通風(fēng)系統(tǒng)

在南方寒冷的冬天，同學(xué)們會把門窗關(guān)上，減少外界冷空氣的進(jìn)入，但長時間坐在教室中呼吸空氣，會使得教室充滿沉悶的感覺，同學(xué)們不能很好地呼吸新鮮空氣。智能通風(fēng)系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過感受教室內(nèi)的風(fēng)量、風(fēng)速及二氧化碳等有害氣體等的濃度，及時將新鮮空氣與室內(nèi)空氣進(jìn)行交換。

3.2 智能門禁系統(tǒng)

當(dāng)學(xué)生站在教室門口時，智能門禁系統(tǒng)利用人臉識別技術(shù)收集學(xué)生的學(xué)籍信息，當(dāng)學(xué)生簽到后自動開門，待所有學(xué)生進(jìn)入教室后，考勤系統(tǒng)將會整理一份電子版表格傳給對應(yīng)教師端，清楚記錄應(yīng)到人數(shù)、總到人數(shù)、缺勤人數(shù)等信息。

3.3 智能教學(xué)系統(tǒng)

智能教學(xué)系統(tǒng)利用超大投影儀代替了傳統(tǒng)的黑板教學(xué)模式，在教師教學(xué)的過程中能夠自動調(diào)整音響音量，教師在投影屏幕上能夠結(jié)合視頻、圖片、動畫進(jìn)行生動教學(xué)，使學(xué)生不再局限于傳統(tǒng)的板書獲取知識。學(xué)生登錄自己的賬號后可找到專屬本節(jié)課的電子書，還可在電子書里自由做筆記，教師對學(xué)生進(jìn)行提問或布置作業(yè)時學(xué)生也可以通過班級討論及提交作業(yè)的形式把答案通過平臺傳遞給教師，教師可以在教師系統(tǒng)中對學(xué)生的作業(yè)進(jìn)行批改。系統(tǒng)在每節(jié)課課后都會自動彈出課堂評價及課堂反饋，方便教師及時調(diào)整教學(xué)策略[7]。

3.4 智能安防系統(tǒng)

智能安防系統(tǒng)利用煙霧傳感器、溫濕度傳感器、地震預(yù)報系統(tǒng)等對教室情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，超過一定數(shù)值則會發(fā)出警報，及時提醒師生撤離，保證師生安全。

4 智能教室的優(yōu)點(diǎn)

4.1 智能教室所需技術(shù)

（1）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)將現(xiàn)實(shí)世界數(shù)字化，應(yīng)用范圍十分廣泛。在智能教室中，物聯(lián)網(wǎng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，主要通過對外界的感知、網(wǎng)絡(luò)傳輸、代碼運(yùn)算、結(jié)果返回等方式進(jìn)行實(shí)時控制。

感知層：為智能控制系統(tǒng)、智能門禁系統(tǒng)、智能教學(xué)系統(tǒng)和智能安防系統(tǒng)分配唯一的地址，實(shí)現(xiàn)物與物之間的通信。感知層主要由傳感器組成，將所有信息通過傳感器收集后借助網(wǎng)絡(luò)層傳輸。在智能門禁系統(tǒng)中，將人臉識別技術(shù)應(yīng)用于門禁系統(tǒng)，可有效避免未錄入系統(tǒng)的陌生人隨意進(jìn)入，而且能夠獲悉每個人進(jìn)入的時間，以及停留時間。智能控制系統(tǒng)中的環(huán)境系統(tǒng)通過感應(yīng)器接收當(dāng)下的溫度及濕度信息，由計(jì)算機(jī)推測最佳溫度后進(jìn)行調(diào)整。感知層技術(shù)如圖1所示。

圖1 感知層技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)層：物聯(lián)網(wǎng)分為短距離無線、中距離無線、長距離無線，以及有線技術(shù)等。其中，我們將ZigBee應(yīng)用于智能教學(xué)系統(tǒng)。ZigBee屬于無線傳輸技術(shù)，其距離短且功耗低，該技術(shù)通常情況下被應(yīng)用在短距離范圍，在數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高的電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。同藍(lán)牙相比，該技術(shù)十分簡單，且費(fèi)用與功率等也相對較低。網(wǎng)絡(luò)層流程如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)層流程

應(yīng)用層：應(yīng)用服務(wù)層針對不同客戶的需求，利用網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)直接操作智能器具。如安防系統(tǒng)，接收到網(wǎng)絡(luò)層傳來的煙霧警報將立即開啟滅火裝置；門禁系統(tǒng)接收到不符合學(xué)校學(xué)籍?dāng)?shù)據(jù)庫中的人臉信息后，應(yīng)用層開啟門禁系統(tǒng)中的禁止入內(nèi)模式。應(yīng)用層設(shè)備如圖3所示。

圖3 應(yīng)用層設(shè)備

（2）云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算通過網(wǎng)絡(luò)將大量需要經(jīng)過計(jì)算處理的程序分拆成無數(shù)小的子程序，再將這些小程序交給由許多服務(wù)器組成的龐大系統(tǒng)進(jìn)行搜尋、計(jì)算分析等處理，之后將結(jié)果傳回用戶，不會造成資源浪費(fèi)[8]。

云計(jì)算能夠按用戶需求進(jìn)行動態(tài)分配，給我們提供了便捷。其優(yōu)勢如下：

可大規(guī)模使用：云服務(wù)器能供幾十甚至上百萬臺計(jì)算機(jī)使用，滿足多種用戶需求；

可靠性高：當(dāng)個別云服務(wù)器出現(xiàn)差錯時，服務(wù)可跳轉(zhuǎn)到空閑服務(wù)器；

按需服務(wù)：這是云計(jì)算的一大特點(diǎn)，能對用戶的需求進(jìn)行動態(tài)分配，滿足用戶需求等。

這些優(yōu)勢能在使用云服務(wù)時降低智能教學(xué)出現(xiàn)差錯的概率，云技術(shù)可自動跳轉(zhuǎn)到空閑服務(wù)器，使得教學(xué)過程順暢。一些特定資料上傳到云服務(wù)端，能有效避免電腦格式化、U盤格式化、感染病毒而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失等情況出現(xiàn)，學(xué)生也能直接在云服務(wù)中隨時獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)一步方便學(xué)生學(xué)習(xí)，減少教師教學(xué)過程中的突發(fā)情況[9]。

（3）智能桌面及虛擬技術(shù)

未來，學(xué)生的桌面不應(yīng)只是用來放書，起支撐作用。我們可以將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與書桌相連，打造智能化書桌。桌面不再是木質(zhì)桌面，而是玻璃屏的電子桌面，能向手機(jī)一樣進(jìn)行觸屏操作，同時，桌面還具有提醒功能，學(xué)生能將當(dāng)天需完成的任務(wù)寫在虛擬桌面上。由北京郵電大學(xué)的“老師好我叫何同學(xué)”制作的智能桌不僅具有提醒功能，還配備了手機(jī)充電功能。這些可以運(yùn)用在智能教室的虛擬桌面中。將電腦融入桌面，方便學(xué)生進(jìn)行資料查閱，教師也可以將屏幕共享到學(xué)生對應(yīng)的書桌上。同時我們也可將虛擬技術(shù)運(yùn)用在課堂上，通過3D眼鏡實(shí)現(xiàn)由肢體參與到課堂的方式，趣味性十足。

4.2 智能教室優(yōu)化傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境的功能分析

智能教室相比于傳統(tǒng)教室具有很強(qiáng)的交互性、靈活性，且沉浸體驗(yàn)感佳。智能教室的特性決定了它具有數(shù)字化、信息化、智能化等特點(diǎn)，在多種現(xiàn)代技術(shù)的加持下，能給學(xué)生和教師提供更好的工作環(huán)境。

當(dāng)下高校大多數(shù)都已經(jīng)是多媒體教室了，但由于多媒體教室由不同專業(yè)課程的教室和學(xué)生使用，每種課程的教師使用的軟件不盡相同。隨著多媒體教室的應(yīng)用和推廣，易出現(xiàn)由于教師和學(xué)生不當(dāng)操作，給系統(tǒng)帶來安全隱患的情況。傳統(tǒng)教室大多只是具有多媒體的部分功能，將由手寫和口頭講授的方式轉(zhuǎn)變成為電子白板或電腦桌面展示，教師只能運(yùn)用單一的教具傳授知識。而智能教室不僅給學(xué)生營造了舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境，還具有多種交互特點(diǎn)，使學(xué)生的“學(xué)”與教師的“教”具有互動和趣味性[10]。

智能教室還具備多種智能設(shè)備及系統(tǒng)，無論是智能安防、智能控制、智能門禁還是智能教學(xué)，使用者都能從安全、舒適、智能等方面來體驗(yàn)該教室不同于傳統(tǒng)教室的功能[11]。

5 智能教室的思路與前景

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的運(yùn)用比比皆是，例如智能家居、智能電氣等。不久的將來，我們也可以將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)代教學(xué)設(shè)備管理中，為教師和學(xué)生創(chuàng)建智能化、數(shù)字化、舒適的教學(xué)環(huán)境。我們深入理解了物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算的發(fā)展過程，根據(jù)現(xiàn)有水平及學(xué)校的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，構(gòu)建融合了互聯(lián)網(wǎng)體系、云計(jì)算體系的服務(wù)平臺。智能教室不僅注重技術(shù)，還要時刻注重管理，所以管理人員也起著十分重要的作用。

6 結(jié) 語

綜上所述，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建智能教室，通過一系列系統(tǒng)進(jìn)行控制，為學(xué)生營造了舒適、智能、數(shù)字化的學(xué)習(xí)環(huán)境，為教師的教學(xué)提供了多種途徑，為智能教室的實(shí)現(xiàn)提供了支持，為未來智能教室的構(gòu)建提供了方向。