基于數(shù)據(jù)整合平臺的智能教室管控應(yīng)用的設(shè)計與實現(xiàn)

肖明，徐艷，郭丹

（黑龍江八一農(nóng)墾大學，大慶 163319）

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，具備科研、教學和管理功能應(yīng)用的信息系統(tǒng)在高校中越來越普及。然而，由于信息化建設(shè)的前期缺乏長期整體規(guī)劃，獨立分散的信息資源、標準各異、數(shù)據(jù)重復、信息化程度差異顯著以及信息孤島等問題變得日益嚴重。因此，在當前的信息化建設(shè)過程中，數(shù)據(jù)整合工作是最為不可或缺和重要的環(huán)節(jié)。有效的數(shù)據(jù)整合[1]可以顯著提高各部門的數(shù)據(jù)集成水平，通過整合來自各個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)建立統(tǒng)一身份認證平臺，并通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中心和信息門戶平臺提供一站式服務(wù)，極大地方便了用戶使用。在此基礎(chǔ)上結(jié)合微服務(wù)模式，可以很方便的搭建很多新應(yīng)用，根據(jù)具體的服務(wù)需求實現(xiàn)新功能。

研究通過數(shù)據(jù)整合建立教室智能管控的輕應(yīng)用，實現(xiàn)新的教室管理方式。以往教室管理需要教師在上課前領(lǐng)取鑰匙，登記信息，下課后需要歸還鑰匙，而上下課時間人員眾多，不但耽誤教師的時間，還有可能出現(xiàn)錯拿、丟失，前后節(jié)課交接不暢等諸多問題。智能教室管控方式，教師無需課前集中借取鑰匙，只需現(xiàn)場手機操作智慧教室輕應(yīng)用，即可自助控制教學設(shè)備，所有教室設(shè)備實現(xiàn)智能控制，并且使用授權(quán)與課程表精準對應(yīng)。

1 基于微服務(wù)的智慧校園融合服務(wù)大廳建設(shè)

2020 年6 月，《職業(yè)院校數(shù)字校園規(guī)范》提出，智慧校園是數(shù)字校園后續(xù)發(fā)展形式，通過使用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能以及大數(shù)據(jù)等技術(shù)實現(xiàn)一站式服務(wù)的功能，更加智能的管理校內(nèi)應(yīng)用[2]。2021 年3 月，《教育部關(guān)于加強新時代教育管理信息化工作的通知》中的工作目標指出，到2025 年，新時代教育管理信息化制度體系基本形成，信息系統(tǒng)實現(xiàn)優(yōu)化整合，一體化水平大幅提升，數(shù)據(jù)孤島得以打通、數(shù)據(jù)效能充分發(fā)揮、在線服務(wù)靈活便捷，“一網(wǎng)通辦”深入普及，服務(wù)體驗明顯提升。目前，高校的信息化水平已發(fā)展到智慧校園建設(shè)的新階段，注重智能化和融合。用戶可以通過智慧校園綜合服務(wù)大廳訪問教學管理、應(yīng)用管理等在線服務(wù)。然而，隨著不同業(yè)務(wù)需求的并發(fā)操作增加，服務(wù)大廳的功能需求變得更加復雜，急需構(gòu)建一個“高度內(nèi)聚、松耦合、快速響應(yīng)、易于擴展和管理”的智慧校園綜合服務(wù)大廳。微服務(wù)架構(gòu)[3-7]是一種新型的軟件開發(fā)模式，將應(yīng)用程序劃分為小型、獨立的服務(wù)單元，每個單元可以獨立部署、擴展和更新。這種架構(gòu)風格能夠提高應(yīng)用程序的可維護性、可伸縮性、靈活性和可靠性，因為每個服務(wù)都是獨立的，不會影響到其他服務(wù)，即高度內(nèi)聚、松耦合的系統(tǒng)架構(gòu)。

基于微服務(wù)的智慧校園融合服務(wù)大廳建設(shè)[8-11]，主要是實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享交換平臺、統(tǒng)一身份認證平臺與融合服務(wù)門戶三大核心功能平臺。

（1）數(shù)據(jù)交換共享平臺

數(shù)據(jù)交換共享平臺是通過采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準和數(shù)據(jù)訪問接口規(guī)范來建立的數(shù)據(jù)中心，旨在提供一種便捷、高效、安全的方式，使得跨層級、跨部門、跨數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)能夠共享和利用數(shù)據(jù)，從而消除信息孤島。這些數(shù)據(jù)資源可能包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等，可以用于分析、研究、應(yīng)用等多種目的。數(shù)據(jù)交換共享平臺可以幫助高校更好地管理和利用自己的數(shù)據(jù)資源，同時也可以促進數(shù)據(jù)資源的共享和流通，推動數(shù)據(jù)的再利用和創(chuàng)新。平臺的建設(shè)主要包括采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準、開發(fā)公共數(shù)據(jù)平臺和數(shù)據(jù)交換平臺等，需要建立技術(shù)架構(gòu)、數(shù)據(jù)治理和數(shù)據(jù)服務(wù)等。

（2）統(tǒng)一身份認證平臺

統(tǒng)一身份認證平臺（Unified Authentication Platform）[12-14]是一種用于集中管理和控制用戶身份驗證和授權(quán)的平臺。它是一種基于標準的、跨領(lǐng)域的身份驗證和授權(quán)解決方案，可以使用戶只需使用一個賬戶和密碼就可以訪問多個應(yīng)用程序和服務(wù)。

在統(tǒng)一身份認證平臺中，用戶只需要進行一次身份驗證，就可以獲得訪問多個系統(tǒng)和應(yīng)用程序的權(quán)限，而不需要重復進行身份驗證。這種方法可以提高用戶體驗，同時也可以提高安全性，因為用戶只需要記住一個賬戶和密碼，而不需要為每個應(yīng)用程序和系統(tǒng)都記住不同的憑證。

統(tǒng)一身份認證平臺通常包括以下功能：身份驗證和授權(quán)、單點登錄、用戶管理、權(quán)限管理、認證協(xié)議支持等。它可以應(yīng)用于各種場景，包括內(nèi)部應(yīng)用程序、云服務(wù)、移動應(yīng)用程序等。

（3）融合服務(wù)門戶

智慧校園融合服務(wù)門戶是一個以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，以學生、教職工為中心，集學校信息化建設(shè)和校園服務(wù)于一體的綜合性平臺。該平臺可以提供多種功能和服務(wù)，例如學生選課、課表查詢、成績查詢、圖書館借閱、校園卡充值、繳費、校園活動信息發(fā)布等等。同時，平臺還可以通過數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)為學生和教職工提供個性化、精準的服務(wù)，以提高高校服務(wù)和管理效率，優(yōu)化師生服務(wù)體驗，提高學校的整體競爭力。同時，它也是數(shù)字化校園建設(shè)的重要組成部分，能夠推進高校數(shù)字化轉(zhuǎn)型和創(chuàng)新發(fā)展。

通過基于微服務(wù)的智慧校園融合服務(wù)大廳建設(shè)，可以很好地解決系統(tǒng)的復雜性問題，實現(xiàn)對不同子系統(tǒng)的高效管理和調(diào)用，將學校所有業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成在一起，提高了系統(tǒng)的可維護性和可擴展性，為學生、教職工和管理人員提供更加便捷和高效的服務(wù)，為教室智能管控提供前期基礎(chǔ)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教室智能設(shè)備管控平臺建設(shè)

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，新的技術(shù)和應(yīng)用不斷涌現(xiàn)出來，使得我們的生活和工作方式發(fā)生了巨大的變化。信息技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)賦予我們更多的便利和更高效的工作方式，使得人類社會的發(fā)展進程變得更加快速和高效。當前，人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等新興技術(shù)正在不斷涌現(xiàn)，它們正在推動著信息技術(shù)的進一步發(fā)展和應(yīng)用，為人類社會的未來帶來更多的可能性和機遇。在這樣的背景下，當前教室現(xiàn)代化、信息化技術(shù)也在不斷的發(fā)展，在高校結(jié)合智慧校園建設(shè)的基礎(chǔ)上，為實現(xiàn)智慧教室[15-16]的搭建，提供良好的技術(shù)支持。使用智慧教室網(wǎng)關(guān)，利用ZigBee 協(xié)議與TCP／IP 協(xié)議的轉(zhuǎn)換和終端節(jié)點形成局域網(wǎng)絡(luò)[17]，使用DTU 進行串口轉(zhuǎn)換IP 數(shù)據(jù)，并借助校園有線網(wǎng)絡(luò)和管理平臺，實現(xiàn)管控平臺對教室的智能用電設(shè)備（智能插座）的狀態(tài)讀取和供電控制。

2.1 智慧網(wǎng)關(guān)和終端節(jié)點組建局域網(wǎng)絡(luò)

在每個教室安裝智慧網(wǎng)關(guān)，通過ZigBee 協(xié)議組建物聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)內(nèi)接入2 個智能插座和1 多路控制器。

（1）智能插座是一種帶有智能功能的電源插座，它可以通過ZigBee 協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)連接到智慧網(wǎng)關(guān)，具有計時、計量等功能。

（2）多路控制器是用于控制多個輸入和輸出通道信號流的電子設(shè)備，能夠處理多種輸入信號并產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號。通常包含一個或多個輸入端口和一個或多個輸出端口。輸入端口接收來自傳感器、開關(guān)或其他設(shè)備的信號，輸出端口則發(fā)送控制信號到執(zhí)行器、電機或其他設(shè)備。多路控制器可以對輸入信號進行邏輯運算，從而實現(xiàn)復雜的控制邏輯和功能。

在組網(wǎng)中2 個智能插座分別用于電腦供電控制和投影儀電流監(jiān)測，多路控制器用于控制幕布的升降。具體方法：通過控制為電腦供電的智能插座的開關(guān)，實現(xiàn)對電腦使用的權(quán)限控制；通過對投影儀供電插座電流值大小狀態(tài)的監(jiān)控，判斷投影儀的開啟關(guān)閉狀態(tài)。為了保證控制的穩(wěn)定，智慧網(wǎng)關(guān)采用有線網(wǎng)絡(luò)連接管理平臺，實現(xiàn)平臺對智慧網(wǎng)關(guān)的控制，智慧網(wǎng)關(guān)通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)控制電腦與幕布開啟與關(guān)閉。

2.2 DTU 控制投影儀

數(shù)據(jù)傳輸單元（DTU）是指一種數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)備，可以將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP 數(shù)據(jù)，并通過有線/無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。通過DTU 將投影儀的串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP 數(shù)據(jù)，并且為保證控制的穩(wěn)定，采用有線網(wǎng)絡(luò)與管理平臺進行數(shù)據(jù)傳輸。管理平臺根據(jù)投影儀供電的智能插座獲得的電流數(shù)據(jù)，判斷為投影儀發(fā)送開機或關(guān)機命令，實現(xiàn)投影儀的遠程控制。

2.3 電腦狀態(tài)監(jiān)控軟件

在每個教室的電腦中安裝電腦開關(guān)機軟件，用于實現(xiàn)管控平臺對電腦開關(guān)機狀態(tài)的感知及遠程關(guān)機的控制。通過MAC 地址的綁定，實現(xiàn)平臺對各個教室電腦的精確標識。

2.4 智能設(shè)備管控平臺

在平臺管理系統(tǒng)可對教室的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進行集中管理配置，主要配置的內(nèi)容包括空間管理、設(shè)備管理、測點配置、實時數(shù)據(jù)、歷史庫配置、系統(tǒng)管理、用戶管理、文檔管理等各項功能。通過系統(tǒng)可以配置教室位置信息，網(wǎng)關(guān)設(shè)備，DTU 設(shè)備，電腦控制等，實現(xiàn)集中控制教室設(shè)備，監(jiān)控教室設(shè)備狀態(tài)、故障告警的功能。系統(tǒng)主界面見圖1。

圖1 智能設(shè)備管控平臺主界面Fig.1 Main interface of intelligent device management and control platform

圖2 APP 控制頁面Fig.2 APP control page

3 整合業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)合服務(wù)大廳微服務(wù)實現(xiàn)教室精準控制

通過共享數(shù)據(jù)中心平臺，將教務(wù)系統(tǒng)、研究生系統(tǒng)中的教師信息、課表信息與教室智能設(shè)備管控平臺進行數(shù)據(jù)集成整合[18-20]，結(jié)合服務(wù)大廳輕應(yīng)用，使教師可以通過手機按照課表授權(quán)，精準控制教室教學設(shè)備。

3.1 數(shù)據(jù)整合模式

數(shù)據(jù)整合是數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)整合實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)打通。在實際運用中，數(shù)據(jù)整合模式需要根據(jù)具體的數(shù)據(jù)情況和業(yè)務(wù)需求來決定，主要有以下幾種模式：

（1）批量處理模式：將數(shù)據(jù)從源系統(tǒng)中提取出來，經(jīng)過清洗、轉(zhuǎn)換等處理后，再批量導入到目標系統(tǒng)中。這種模式適用于數(shù)據(jù)量大、不需要實時性的情況。

（2）實時處理模式：將數(shù)據(jù)源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)侥繕讼到y(tǒng)中，可以使用消息隊列、流處理，實時讀取數(shù)據(jù)庫等技術(shù)來實現(xiàn)。這種模式適用于需要實時或近實時處理數(shù)據(jù)的場景。

（3）增量處理模式：將數(shù)據(jù)源系統(tǒng)中發(fā)生的變化（新增、修改、刪除等）同步到目標系統(tǒng)中，可以使用增量同步技術(shù)實現(xiàn)。這種模式適用于需要保持數(shù)據(jù)實時更新的場景。

（4）聚合處理模式：將多個數(shù)據(jù)源系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行聚合，生成一份全局的視圖。這種模式適用于需要綜合多個數(shù)據(jù)源的場景。

3.2 教務(wù)系統(tǒng)，研究生系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成整合方案

（1）數(shù)據(jù)整合方式

為了保證課表數(shù)據(jù)的即時性，采用實時處理模式，通過數(shù)據(jù)中心與業(yè)務(wù)系統(tǒng)直接同步的方法，利用數(shù)據(jù)交換工具訪問業(yè)務(wù)系統(tǒng)接口，通過對數(shù)據(jù)交換流程進行配置，經(jīng)過對共享數(shù)據(jù)的抽取、清洗、轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時同步。

（2）數(shù)據(jù)交換的方式

由于教務(wù)系統(tǒng)、研究生系統(tǒng)只負責提供教師信息，課表信息、教室信息等數(shù)據(jù)，而不需要從數(shù)據(jù)中心中獲取其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，因此采用系統(tǒng)創(chuàng)建視圖方式來提供數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)交換工具同步到數(shù)據(jù)中心。

3.3 教室智能設(shè)備管控平臺認證及數(shù)據(jù)集成方案

教室智能設(shè)備管控平臺集成體現(xiàn)在以下二個方面：

（1）認證集成

確定統(tǒng)一身份認證系統(tǒng)的用戶權(quán)威身份信息，建立起統(tǒng)一的認證平臺，實現(xiàn)管控平臺系統(tǒng)的登錄口令與智慧校園其它業(yè)務(wù)系統(tǒng)的口令一致；實現(xiàn)PC端、校園APP 端、企業(yè)微信端認證登錄。通過身份認證單點登錄，實現(xiàn)管控平臺統(tǒng)一身份認證，由統(tǒng)一身份認證平臺處理登錄和認證，并能訪問管控平臺。

（2）數(shù)據(jù)集成

利用共享數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)管控平臺系統(tǒng)與教務(wù)系統(tǒng)、研究生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，使管控平臺系統(tǒng)可以從數(shù)據(jù)中心獲取部門數(shù)據(jù)、教師數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)集成后，實現(xiàn)管控平臺從共享數(shù)據(jù)中心獲取人員信息數(shù)據(jù)（人員基本信息、部門代碼），數(shù)據(jù)信息通過視圖接口發(fā)送，管控平臺系統(tǒng)接受數(shù)據(jù)后自行處理，并更新到物聯(lián)網(wǎng)管控平臺數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)同步方式、數(shù)據(jù)中心將數(shù)據(jù)推送到管控平臺中間庫。

3.4 服務(wù)大廳教室管控輕應(yīng)用建設(shè)

在基于微服務(wù)的智慧校園融合服務(wù)大廳中搭建智慧教室管控輕應(yīng)用，通過數(shù)據(jù)中心整合獲取到的教室、課表、教師身份等數(shù)據(jù)，根據(jù)教師信息、課表時間，為教師展示授課時間的教室控制鏈接。通過教室智能設(shè)備管控平臺認證及數(shù)據(jù)集成，使教師通過APP 應(yīng)用點擊教室控制鏈接，無感知跳轉(zhuǎn)到教室智能設(shè)備管控平臺的對應(yīng)教室控制頁面，實現(xiàn)教師自助控制教學設(shè)備，并且確保使用授權(quán)與課程表精準對應(yīng)，有效的配合教學計劃執(zhí)行。

4 結(jié)論

在當今數(shù)據(jù)驅(qū)動的世界中，高校通常需要處理和分析各種類型的數(shù)據(jù)，包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（如數(shù)據(jù)庫中的表格數(shù)據(jù)）、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（如XML 或JSON 文件）和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（如文本文檔或圖像）等等。數(shù)據(jù)整合可以更好地利用這些數(shù)據(jù)，并從中獲取更深入的洞見和價值。數(shù)據(jù)整合的成功與否直接關(guān)系到數(shù)據(jù)分析和決策的質(zhì)量，因此，它已成為高校信息化建設(shè)的重要工作之一。合理的數(shù)據(jù)整合是建立智慧校園融合服務(wù)的基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)整合實現(xiàn)各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對接，進而實現(xiàn)統(tǒng)一平臺，一站式服務(wù)，并且便于擴展新應(yīng)用。基于融合服務(wù)平臺，實現(xiàn)了一種全新的教室管控模式，有效的改進了教學環(huán)境，也便于設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)控，提高了教學設(shè)備保障的及時性，并且通過課表與管控的精確對應(yīng)，加強了教學計劃管理，為今后的智慧教室建設(shè)提供了新思路。