智慧教室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

鄭志材

摘要：將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合課堂教學(xué)管理，可實現(xiàn)教學(xué)管理的技術(shù)化、智能化、科學(xué)化，提高班級管理信息化水平。文章提出將智慧教室建設(shè)作為教育信息化背景下新課堂環(huán)境建設(shè)的一種新形式。這種形式可以實現(xiàn)教育資源的創(chuàng)造和積累，為新的智能教學(xué)模式提供硬件平臺，實現(xiàn)師生之間的及時互動，并在學(xué)校實施理論與實踐相結(jié)合的生態(tài)支持教學(xué)方法。同時，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳統(tǒng)教學(xué)方法整合資源，基于互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，有助于構(gòu)建新型、高效、智能化的智慧教室。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智慧教室系統(tǒng)；設(shè)計

中圖分類號：TU855中圖分類號? 文獻標志碼：A文獻標志碼

0 引言

隨著科技的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的完善，建設(shè)智慧校園已經(jīng)成為當(dāng)前學(xué)校發(fā)展的一種新趨勢。智慧教室實現(xiàn)了教育信息化發(fā)展，對提高教育質(zhì)量具有非常重要的意義。因為現(xiàn)有教育局設(shè)備的智能化程度相對較低，所以智慧教室的建設(shè)無法實現(xiàn)通用建設(shè)。智慧教室建設(shè)不僅需要實現(xiàn)智慧化，還需要考慮到各個專業(yè)、各種教學(xué)方法、建設(shè)成本等問題。本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室構(gòu)建。

1 智慧教室系統(tǒng)功能需求

智慧課堂的關(guān)鍵在于優(yōu)化現(xiàn)有課堂內(nèi)容，綜合應(yīng)用教學(xué)資源，創(chuàng)建良好的課堂關(guān)系。在設(shè)計智慧教室時，應(yīng)強調(diào)以下3個基本需求。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)軟件應(yīng)用需求

智慧教室整體包括智能門禁控制、智能環(huán)境感知、智能通風(fēng)控制、智能照明控制、室內(nèi)環(huán)境實時監(jiān)控、管理系統(tǒng)兼容平臺等。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)硬件需求特征

（1）負責(zé)環(huán)境信息收集和傳輸?shù)慕K端。該終端設(shè)備中的硬件包括環(huán)境溫度和濕度監(jiān)測、攝像頭、光強監(jiān)測和分析、空氣成分監(jiān)測和分析、數(shù)據(jù)存儲等。（2）自動控制功能，如門窗、教育工具等。（3）與其他軟件應(yīng)用程序兼容的控制平臺。（4）物聯(lián)網(wǎng)綜合集成系統(tǒng)。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)管理平臺綜合集成拓展

物聯(lián)網(wǎng)管理平臺綜合集成拓展可以通過以下環(huán)節(jié)實現(xiàn)：智慧類與現(xiàn)有信息管理應(yīng)用的有效集成和兼容，構(gòu)建功能全面的綜合管理系統(tǒng)；設(shè)計和交付物聯(lián)網(wǎng)傳感器硬件系統(tǒng)，設(shè)計人員必須了解現(xiàn)有信息系統(tǒng)的情況，為數(shù)據(jù)交流創(chuàng)造環(huán)境，提高資源利用率和系統(tǒng)完整性［1］。從學(xué)?，F(xiàn)有的硬件和軟件入手，以不干擾現(xiàn)有設(shè)備和系統(tǒng)運行和使用為前提條件，應(yīng)注意以下幾個方面：現(xiàn)有門窗的設(shè)計和施工；通風(fēng)系統(tǒng)的電氣條件、攝像終端、投影終端和顯示終端的構(gòu)造；現(xiàn)有電力線路的走向和適應(yīng)性?；谏鲜鲇布脑O(shè)計分析以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的設(shè)計要求，合理利用現(xiàn)有設(shè)備資源，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)信息管理系統(tǒng)，設(shè)計智慧教室系統(tǒng)的核心功能與體系架構(gòu)。

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)背景下，各功能的技術(shù)要求如下：（1）監(jiān)控顯示終端。顯示系統(tǒng)不僅是實現(xiàn)智慧教室的關(guān)鍵設(shè)備，也是實現(xiàn)教育現(xiàn)代化的重點。在智慧教室設(shè)計中，基于教學(xué)需求，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來設(shè)計不同環(huán)境下的多重顯示模式，以滿足教學(xué)需要，盡可能提高教學(xué)效果。（2）環(huán)境感知分析功能。實現(xiàn)智慧教室中的數(shù)據(jù)實時采集、傳輸和保存。采集數(shù)據(jù)包括環(huán)境溫濕度、照明、CO2濃度、輻射等。（3）通風(fēng)系統(tǒng)的智能控制。主要智能控制空調(diào)、風(fēng)機等系統(tǒng)，并根據(jù)班級用途和空氣質(zhì)量智能調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng)，確保最佳的空氣顯示。（4）采光控制。智慧教室中的環(huán)境照明智能檢測和識別，智能控制教室開放照明、門窗，實現(xiàn)最佳室內(nèi)照明［2］。

2 智慧教室分層架構(gòu)設(shè)計

本文提出的智慧教室建設(shè)是基于物聯(lián)網(wǎng)三層模型設(shè)計的，系統(tǒng)采用各級接口，可以實現(xiàn)設(shè)備信息之間的傳輸，將采集到的信息進行分析、處理，實現(xiàn)用戶終端交互。智慧教室系統(tǒng)架構(gòu)包括感知層、應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層，通過利用分層體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)勢，可以提高智慧教室整體設(shè)計的靈活性，同時還可以對應(yīng)用需求進行定制，以擴展和補充未來的應(yīng)用需求［3］。

應(yīng)用層可以為用戶提供Web應(yīng)用程序，從而滿足不同用戶的各種需求。應(yīng)用層能夠為每個應(yīng)用程序中的用戶提供由平臺處理的數(shù)據(jù)。智能系統(tǒng)終端設(shè)備通過應(yīng)用層為用戶提供服務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)層是數(shù)據(jù)信息進行傳輸?shù)年P(guān)鍵。網(wǎng)絡(luò)層的信息數(shù)據(jù)傳輸方式可以分為無線傳輸和有線傳輸。

感知層是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)設(shè)備，主要包括視頻監(jiān)控攝像機、移動終端、空調(diào)、智能開關(guān)等智能設(shè)備和光敏傳感器、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞯葌鞲衅鳌?/p>

3 智慧教室核心模塊設(shè)計

3.1 智能設(shè)備的部署與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

智慧教室中的設(shè)備必須保證網(wǎng)絡(luò)通信、供電等基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備的運行環(huán)境，保證智慧教室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的全方位穩(wěn)定覆蓋。不同的傳感器設(shè)備均對數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃蕴岢隽烁叩囊蟆Ｒ虼?，本文選擇低能耗、高可靠性、高安全性的ZigBee模塊訪問傳感器設(shè)備，并采用ZigBee coordinator作為構(gòu)建星形網(wǎng)絡(luò)策略的中心節(jié)點［4］。智慧教室中的移動終端、智能交換機、空調(diào)等關(guān)鍵設(shè)備中內(nèi)置了WiFi模塊，通過光纖無線交換機、無線路由器和其他設(shè)備構(gòu)建無線LAN網(wǎng)絡(luò)，可以統(tǒng)一管理這些設(shè)備。視頻監(jiān)控攝像機傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)要求高帶寬和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。有線網(wǎng)絡(luò)可以直接訪問，以確保及時傳輸數(shù)據(jù)。將路由器、交換機和其他設(shè)備連接到ZigBee coordinator、無線光交換機和其他設(shè)備，并將新的物聯(lián)網(wǎng)布局與有線和無線網(wǎng)絡(luò)集成。

3.2 通用物聯(lián)網(wǎng)平臺接入

智慧教室系統(tǒng)中的設(shè)備數(shù)據(jù)和信息收集量非常大，將設(shè)備連接物聯(lián)網(wǎng)平臺能提升數(shù)據(jù)的有效性。物聯(lián)網(wǎng)平臺的云服務(wù)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成與處理等操作。此外，因為攝像頭捕捉實時視頻數(shù)據(jù)需要非常大的傳輸帶寬，所以通過rest/http協(xié)議訪問物聯(lián)網(wǎng)平臺，可以確保視頻數(shù)據(jù)的快速傳輸和傳輸質(zhì)量［5］。從其他設(shè)備收集的數(shù)據(jù)具有低傳輸量和低開銷的特點，通過路由器集中收集、轉(zhuǎn)發(fā)，由消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協(xié)議接入云平臺。在將設(shè)備連接到通用物聯(lián)網(wǎng)平臺之前，需要在云平臺中創(chuàng)建項目并添加云設(shè)備，以備后續(xù)使用。在外部設(shè)備中保存云設(shè)備的身份驗證信息，之后可以在設(shè)備開發(fā)平臺中使用SDK。云平臺、設(shè)備主要通過新聞稿、訂閱等形式發(fā)布消息。過濾規(guī)則引擎后，可以將消息發(fā)送給不同的數(shù)據(jù)目的地，并由不同的云計算服務(wù)進行下一步處理。

3.3 移動端應(yīng)用設(shè)計

智慧教室移動終端的設(shè)計采用MVP（Model Viewer Presenter）架構(gòu)模式，包括課程管理、設(shè)備管理、翻轉(zhuǎn)課堂、課堂情境、用戶管理、學(xué)習(xí)情境分析等功能模塊。移動終端程序基于用戶類型設(shè)計功能模塊，需保證多重身份的使用需求。

4 智慧教室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)

（1）對室內(nèi)環(huán)境的智能感知。該模塊負責(zé)實時采集室內(nèi)環(huán)境參數(shù)信息并且以動態(tài)數(shù)據(jù)的形式在不同的顯示終端上顯示各種參數(shù)信息，方便用戶查看。而傳感器收集到的數(shù)據(jù)需要安全儲存，方便后續(xù)的檢索與分析。在具體使用過程中，用戶可以根據(jù)使用需要修改和調(diào)整教室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，以滿足不同智能設(shè)備在智慧教室不同使用環(huán)境中的自動控制，始終保持良好的環(huán)境質(zhì)量［6］。

（2）室內(nèi)照明設(shè)備的智能控制。光照強度對于教學(xué)有著重要影響，關(guān)系到學(xué)生在課堂上的學(xué)習(xí)效果。在照明系統(tǒng)的光強檢測模塊中，通過光敏電阻來采集光強，分析光強信息以及信息結(jié)果來控制教室中的照明系統(tǒng)，確保照明效果質(zhì)量。系統(tǒng)需要分析光傳感器采集到的實時數(shù)據(jù)，然后通過對設(shè)定值的對比來調(diào)整光強，保證室內(nèi)照明的合理性和舒適性，為教學(xué)創(chuàng)造良好的環(huán)境，提高教學(xué)效果。

（3）智能控制室內(nèi)門窗設(shè)備。根據(jù)教室中的環(huán)境監(jiān)測結(jié)果來了解教室中的門窗情況，決定是否打開或關(guān)閉。在自動控制門窗開關(guān)的狀態(tài)下，無論學(xué)生是否在上課，都可以根據(jù)預(yù)設(shè)的時間參數(shù)和控制結(jié)果進行智能控制。普通窗簾都是由人來切換，耗時、耗力。該系統(tǒng)將通用窗簾與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，實現(xiàn)窗簾的智能控制，自動調(diào)節(jié)室內(nèi)光線。風(fēng)速傳感器、室外雨水設(shè)備和濕度監(jiān)測設(shè)備可以用來監(jiān)測天氣，為教室的開放和關(guān)閉提供使用便利。當(dāng)智能終端檢測到天氣數(shù)據(jù)時，它將根據(jù)天氣情況決定是否自動關(guān)閉教室、計算機室、實驗室等門窗，這樣可以避免天氣因素影響教室，避免濕度過大損壞計算機精密零件，造成計算機使用故障［7］。

（4）室內(nèi)空調(diào)或風(fēng)機智能控制。通風(fēng)系統(tǒng)是由風(fēng)機和空調(diào)等設(shè)備組成的。根據(jù)傳感器檢測到的教室中的氣體成分濃度，由系統(tǒng)自動調(diào)控通風(fēng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，保證室內(nèi)空氣質(zhì)量。

（5）多媒體教學(xué)設(shè)備的智能控制。系統(tǒng)根據(jù)教學(xué)要求來調(diào)整教室內(nèi)不同教育設(shè)備的運行狀態(tài)，以滿足不同教育任務(wù)的具體需要，充分發(fā)揮現(xiàn)代教育設(shè)備的功能。

（6）智能防火防盜系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，有助于加強消防安全信息化建設(shè)，作為構(gòu)建校園消防系統(tǒng)和防盜系統(tǒng)的輔助。教室、宿舍配備消防和防盜系統(tǒng)，確保學(xué)生和教師的生命和財產(chǎn)安全。物聯(lián)網(wǎng)在原有火災(zāi)自動探測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，安裝了智能消防水收集器、智能電力安全探測器、智能射頻識別器、物聯(lián)網(wǎng)智能消防系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)攝像頭等前端檢測設(shè)備，通過互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺遠程控制物聯(lián)網(wǎng)智能消防監(jiān)控系統(tǒng)［8］。消防監(jiān)控系統(tǒng)中的獨立煙霧探測器、簡易自動噴水滅火系統(tǒng)、可燃氣體報警器等設(shè)備，可以在出現(xiàn)異常情況時實現(xiàn)自動滅火。移動應(yīng)用程序客戶端或多媒體計算機可以實時監(jiān)控智慧教室的狀態(tài)，打印異常消息并快速響應(yīng)報警消息。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著科技的飛速發(fā)展，智慧教室已經(jīng)成為必然的發(fā)展趨勢。智慧教室的出現(xiàn)，在一定程度上使師生的學(xué)習(xí)和生活更加便捷和智能，使校園管理更加規(guī)范化和制度化，降低管理者的工作難度。目前，人工智能技術(shù)愈發(fā)成熟完善，人工智能與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合是智慧校園建設(shè)未來的發(fā)展趨勢。利用人工智能分析學(xué)生的日常行為和學(xué)習(xí)，根據(jù)學(xué)生自身特點開發(fā)合適的學(xué)習(xí)方法可行性較強。此外，人工智能的介入將引發(fā)新一輪教育教學(xué)方式的變革。

參考文獻

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（編輯 王永超）

Design and implementation of intelligent classroom system based on Internet of Things

Zheng? Zhicai

（Guangdong Business and Technology University， Zhaoqing 526040， China）

Abstract：? Combining the Internet of things technology with classroom teaching management can realize the technical， intelligent and scientific teaching management， and improve the information level of class management. The article puts forward the wisdom classroom construction as under the background of education informatization of the new classroom environment construction of a new form. This form can realize the creation and accumulation of education resources， provide hardware platform for new intelligent teaching mode， realize the timely interaction between teachers and students， in the school implementation of theory and practice of ecological support teaching method. At the same time， the use of the Internet of Things technology and traditional teaching methods to integrate resources， based on the advantages of the Internet， the Internet of things， will help to build a new， efficient and intelligent classroom.

Key words： Internet of Things; smart classroom system; design