云邊端協(xié)同的物聯(lián)網(wǎng)智慧教室設(shè)計(jì)

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，其影響力已廣泛融入各行各業(yè)，促進(jìn)了智能化創(chuàng)新升級(jí)，尤其體現(xiàn)在教育領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推動(dòng)教育從傳統(tǒng)模式向“智慧教育”轉(zhuǎn)型，助力構(gòu)建智能化教學(xué)環(huán)境，其中“智慧教室”為最典型的應(yīng)用之一。文章詳細(xì)闡述物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在教育領(lǐng)域的具體應(yīng)用，為教育科技同行提供實(shí)踐參考。

關(guān)鍵詞：智慧教室；物聯(lián)網(wǎng)；情景聯(lián)動(dòng)；物模型；Zigbee

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）34-0046-03開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

0引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)依托多種信息感知能力，可實(shí)時(shí)采集環(huán)境數(shù)據(jù)并進(jìn)行傳輸、計(jì)算和控制，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界的全面數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，促進(jìn)物與物、物與人之間的數(shù)字化連接與實(shí)時(shí)智能交互。在教育信息化2.0時(shí)代，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以數(shù)據(jù)為核心驅(qū)動(dòng)力，可快速實(shí)現(xiàn)智慧教育產(chǎn)品的智能化創(chuàng)新與應(yīng)用[1]。本文將探討“智慧教室”方案，嘗試基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建智能化教學(xué)環(huán)境。

1“云-邊-端”協(xié)同的整體方案

隨著智能終端設(shè)備的普及，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度增加，傳輸與控制的實(shí)時(shí)性要求亦隨之提高，這對(duì)傳統(tǒng)的“云-端”模式形成了沖擊。因此，智慧教室引入“云-邊-端”協(xié)同模式[2]，將邊緣計(jì)算理念融入物聯(lián)網(wǎng)方案中。此模式減少了通信響應(yīng)時(shí)延，擴(kuò)大了系統(tǒng)處理能力，同時(shí)保障了網(wǎng)絡(luò)故障期間的業(yè)務(wù)運(yùn)作。具體方案如圖1所示。

“端”是教室內(nèi)各類教學(xué)裝置，包括智能設(shè)備、傳感器、攝像頭等，這些設(shè)備是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源，同時(shí)也是接收并執(zhí)行云平臺(tái)、邊緣網(wǎng)關(guān)指令的終端。終端設(shè)備的通信協(xié)議首選Zigbee3.0，同時(shí)支持RS232/485、WLAN。

“邊”是部署在教室內(nèi)的物聯(lián)盒子。該盒子作為邊緣網(wǎng)關(guān)，集成RS232/485、Zigbee、WLAN等接口，負(fù)責(zé)采集終端數(shù)據(jù)，并通過(guò)實(shí)時(shí)邊緣計(jì)算觸發(fā)情景聯(lián)動(dòng)策略，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化環(huán)境控制。同時(shí)，邊緣網(wǎng)關(guān)依據(jù)相關(guān)通信標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)與云平臺(tái)的數(shù)據(jù)交換。

“云”是部署在學(xué)校機(jī)房或云端的中心服務(wù)集群。云端平臺(tái)負(fù)責(zé)所有邊緣網(wǎng)關(guān)及其接入設(shè)備的管理，并提供音視頻流媒體服務(wù)與音視頻雙向通信服務(wù)。

2端設(shè)備的接入

2.1設(shè)備集成方式

終端設(shè)備構(gòu)成基本的環(huán)境感知和數(shù)據(jù)采集能力。設(shè)備集成優(yōu)先采用高安全性、高可靠性和低功耗的ZigBee方案。攝像頭和安卓一體機(jī)采用單獨(dú)的接入方案。具體集成方式如表1所示。

轉(zhuǎn)接盒：通過(guò)轉(zhuǎn)接盒和Zigbee3.0標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)短距離的高效傳輸，同時(shí)有效規(guī)避信號(hào)傳輸時(shí)的干擾[3]。

攝像頭接入：邊緣網(wǎng)關(guān)借助ONVIF協(xié)議實(shí)現(xiàn)攝像頭設(shè)備發(fā)現(xiàn)，同時(shí)基于GB28181協(xié)議對(duì)接云端的視頻流媒體服務(wù)器[4]。

安卓一體機(jī)：安卓一體機(jī)是教室內(nèi)設(shè)備與情景聯(lián)動(dòng)的可視化控制臺(tái)。一體機(jī)連接邊緣網(wǎng)關(guān)，通過(guò)邊緣網(wǎng)關(guān)進(jìn)行設(shè)備操控和策略執(zhí)行等任務(wù)。同時(shí)，一體機(jī)也集成音視頻通話的終端能力，對(duì)接云端平臺(tái)相關(guān)服務(wù)。

情景面板：情景面板提供一鍵上課和一鍵下課按鈕，按鈕點(diǎn)擊將觸發(fā)邊緣網(wǎng)關(guān)內(nèi)的上下課情景策略，下發(fā)操控指令，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的批量開(kāi)關(guān)機(jī)與窗簾幕布的開(kāi)閉等。

3邊緣網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

3.1物模型定義

智能終端設(shè)備種類繁多，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、業(yè)務(wù)功能和操控方式差異顯著，難以統(tǒng)一管理。為解決此問(wèn)題，智慧教室引入“物模型”作為設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化抽象的數(shù)據(jù)模型，使用統(tǒng)一的模型語(yǔ)言描述和操控各類智能終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)層、特征層和決策層的融合[5]。物模型描述文件包含的內(nèi)容如表2所示。

3.2云邊通信機(jī)制

邊緣網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)管理教室內(nèi)的所有設(shè)備，向云端發(fā)起設(shè)備注冊(cè)或上報(bào)設(shè)備狀態(tài)變化，并接收云端或安卓一體機(jī)的查詢。涉及設(shè)備的所有數(shù)據(jù)通信均使用物模型描述語(yǔ)言進(jìn)行溝通。通信引入MQTT服務(wù)，采用基于“主題（Topic）”的消費(fèi)發(fā)布-訂閱機(jī)制，實(shí)現(xiàn)消息的收發(fā)。主題的定義和分類說(shuō)明如下：

1）設(shè)備管理（device_manage/feedback/notify）：涵蓋設(shè)備入網(wǎng)注冊(cè)、退網(wǎng)、登錄、變更等雙向管理指令。

2）設(shè)備心跳（device_heartbeat/feedback）：邊緣網(wǎng)關(guān)向云端平臺(tái)通報(bào)設(shè)備連接狀態(tài)。

3）屬性變更通知（properties_notify）：設(shè)備屬性變更時(shí)，網(wǎng)關(guān)須主動(dòng)通知云端平臺(tái)（支持批量通知）。

4）屬性查詢與應(yīng)答（properties_get/feedback）：云端平臺(tái)或安卓一體機(jī)發(fā)起的設(shè)備屬性查詢指令（支持批量查詢），網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)應(yīng)答。

5）屬性設(shè)置與應(yīng)答（properties_set/feedback）：云端平臺(tái)或安卓一體機(jī)發(fā)起的設(shè)備屬性設(shè)置指令（支持批量設(shè)置），網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)反饋設(shè)置結(jié)果。

6）事件通知（event_notify）：邊緣網(wǎng)關(guān)發(fā)起的設(shè)備事件上報(bào)，如故障等。

7）服務(wù)調(diào)度與應(yīng)答（services_call/answer）：云端平臺(tái)或安卓一體機(jī)發(fā)起的設(shè)備服務(wù)調(diào)度指令。

3.3情景聯(lián)動(dòng)

物聯(lián)網(wǎng)的三個(gè)特征分別為全面感知、可靠傳遞以及智能處理[6]。情景聯(lián)動(dòng)是融合這三大特征的價(jià)值體現(xiàn)，提供面向應(yīng)用場(chǎng)景的智能控制能力。情景聯(lián)動(dòng)的業(yè)務(wù)邏輯為“當(dāng)滿足觸發(fā)條件時(shí)，即執(zhí)行指定動(dòng)作”。業(yè)務(wù)底層由一系列聯(lián)動(dòng)策略構(gòu)成，聯(lián)動(dòng)策略包括3個(gè)核心部分：觸發(fā)器列表、執(zhí)行器列表、多個(gè)觸發(fā)器組成的規(guī)則表達(dá)式。聯(lián)動(dòng)策略在云端平臺(tái)配置并下發(fā)至邊緣網(wǎng)關(guān)，后續(xù)的感知、傳輸、執(zhí)行均在教室本地運(yùn)行，不再依賴云平臺(tái)。

觸發(fā)器：包括時(shí)間、設(shè)備、策略3種觸發(fā)器。時(shí)間觸發(fā)器支持日期、時(shí)間、節(jié)假日的循環(huán)或單次觸發(fā)條件；設(shè)備觸發(fā)器負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)傳感設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化；策略觸發(fā)器支持根據(jù)其他策略的執(zhí)行狀態(tài)來(lái)觸發(fā)本策略執(zhí)行。

執(zhí)行器：包括設(shè)備、消息、策略3種執(zhí)行器。設(shè)備執(zhí)行器支持設(shè)備實(shí)時(shí)操控；消息執(zhí)行器對(duì)接校園網(wǎng)其他系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)IM消息通知和短信通知等；策略執(zhí)行器負(fù)責(zé)控制其他策略，包括激活、啟停指定策略，調(diào)整指定策略的狀態(tài)等。

規(guī)則表達(dá)式：用于描述情景聯(lián)動(dòng)的條件邏輯。表達(dá)式是以數(shù)學(xué)表達(dá)式的形式存在，比如：（A==12）amp;amp;（B==“abc”||C==true）amp;amp;（！D）。表達(dá)式的解析和計(jì)算結(jié)果用于決定策略是否執(zhí)行。

4云端平臺(tái)設(shè)計(jì)

云端平臺(tái)除常規(guī)的配置管理、系統(tǒng)監(jiān)控、用戶管理等外，其主要核心業(yè)務(wù)包含遠(yuǎn)程設(shè)備管理和音視頻服務(wù)。

4.1設(shè)備管理

智慧教室管理的核心為教學(xué)設(shè)備的全生命周期管理，這也是教室資產(chǎn)管理的重要內(nèi)容[7]。智慧教室云平臺(tái)的設(shè)備管理主要包含設(shè)備注冊(cè)、物模型管理、空間管理三個(gè)方面。

設(shè)備注冊(cè)：公共的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備托管平臺(tái)通常要求設(shè)備在管理臺(tái)提前錄入。然而智慧教室云平臺(tái)采用入網(wǎng)發(fā)現(xiàn)機(jī)制，設(shè)備無(wú)須逐一提前錄入。設(shè)備入網(wǎng)時(shí)，邊緣網(wǎng)關(guān)自動(dòng)上報(bào)云端，便于教室自由增減設(shè)備。

物模型管理：為便于識(shí)別設(shè)備的類型、品牌、功能，云平臺(tái)須提前根據(jù)設(shè)備類型配置物模型。例如針對(duì)格力空調(diào)，須提前定義其功能，包括冷暖、溫度閾值等。設(shè)備入網(wǎng)時(shí)，邊緣網(wǎng)關(guān)上報(bào)云平臺(tái)，攜帶設(shè)備ID、物模型ID等，云平臺(tái)將自動(dòng)識(shí)別并新增設(shè)備。

空間管理：為便于日常運(yùn)維管理，云平臺(tái)支持空間劃分，提供樓棟-樓層-教室的多級(jí)空間管理。每臺(tái)設(shè)備或邊緣網(wǎng)關(guān)可劃歸至指定空間。

4.2音視頻服務(wù)

音視頻服務(wù)包括視頻流媒體服務(wù)與音視頻VoIP通信服務(wù)兩大系統(tǒng)。

視頻流媒體服務(wù)采用開(kāi)源解決方案SRS，主要服務(wù)于教室內(nèi)攝像頭。SRS為一個(gè)開(kāi)源的（遵守MIT協(xié)議）簡(jiǎn)單高效的實(shí)時(shí)視頻服務(wù)器。攝像頭配置并啟用GB28181協(xié)商和推流，經(jīng)由視頻服務(wù)器提供Web瀏覽器或手機(jī)App端的視頻播放，播放以WebRTC為主。

VoIP通信服務(wù)采用自研的音視頻會(huì)話服務(wù)，該服務(wù)基于SIP協(xié)議[8]，主要支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的二者音視頻通話，提供基本的呼叫、接聽(tīng)、掛斷等功能，視頻基于H264，音頻采用Opus。

5網(wǎng)絡(luò)故障處置機(jī)制

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信異常情況，智慧教室云平臺(tái)具備相應(yīng)的容災(zāi)容錯(cuò)處置機(jī)制，確保核心業(yè)務(wù)不受影響，數(shù)據(jù)不出現(xiàn)錯(cuò)亂，通信恢復(fù)時(shí)能及時(shí)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。在不同通信狀態(tài)下，系統(tǒng)的處置機(jī)制如下。

5.1網(wǎng)絡(luò)故障期間的處理

網(wǎng)絡(luò)故障期間，邊緣網(wǎng)關(guān)獨(dú)立運(yùn)作，不受影響，本地的情景聯(lián)動(dòng)繼續(xù)正常工作。此時(shí)，設(shè)備數(shù)據(jù)上報(bào)云端雖發(fā)生失敗，但邊緣網(wǎng)關(guān)不予重試。同時(shí)，邊緣網(wǎng)關(guān)將繼續(xù)定期發(fā)送自身的心跳消息。云平臺(tái)在此期間無(wú)法正常遠(yuǎn)程調(diào)控設(shè)備，亦無(wú)法接收設(shè)備的定期心跳消息，設(shè)備看板將顯示該邊緣網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)故障，網(wǎng)關(guān)所屬的所有下游設(shè)備均顯示網(wǎng)絡(luò)故障。

5.2網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)的處理

網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)，云平臺(tái)將重新接收邊緣網(wǎng)關(guān)的心跳通知并予以答復(fù)。邊緣網(wǎng)關(guān)接收到心跳答復(fù)時(shí)，將重發(fā)故障期間的設(shè)備入網(wǎng)與脫網(wǎng)消息，以此保持與云平臺(tái)間的設(shè)備清單同步。

5.3消息丟失的處理

網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定時(shí)，消息收發(fā)易發(fā)生消息丟失的情況。除借助消息中間件MQTT外，通信消息采用請(qǐng)求/應(yīng)答模式，未收到響應(yīng)的指令將視為失敗，并允許重試。邊緣網(wǎng)關(guān)上報(bào)普通的設(shè)備狀態(tài)變化不依賴服務(wù)端響應(yīng)，因此云平臺(tái)設(shè)備數(shù)據(jù)可能不正確。但用戶查閱該設(shè)備時(shí)，云平臺(tái)會(huì)檢查設(shè)備數(shù)據(jù)的更新時(shí)間，若更新間隔超過(guò)5分鐘，云平臺(tái)將自動(dòng)發(fā)起實(shí)時(shí)查詢，借此校正雙方數(shù)據(jù)。

6結(jié)束語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用為智慧教育的發(fā)展帶來(lái)新的契機(jī)。本文以“智慧教室”應(yīng)用為例，介紹如何應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建智能化的教育體驗(yàn)。系統(tǒng)采用“云-邊-端”協(xié)同模式的設(shè)計(jì)理念，引入物模型數(shù)據(jù)規(guī)范，提供靈活的情景聯(lián)動(dòng)能力和容災(zāi)保障能力，為師生提供健康、科技、智能化的教學(xué)環(huán)境，是教育環(huán)境數(shù)字化和教育創(chuàng)新的新嘗試。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、構(gòu)建、剖析亦為教育科技同行提供經(jīng)驗(yàn)分享與借鑒，共同加速智慧教育應(yīng)用的創(chuàng)新迭代。

下一步，計(jì)劃在現(xiàn)有系統(tǒng)基礎(chǔ)上擴(kuò)展環(huán)境感知和互動(dòng)能力，拓展智慧教室的數(shù)字化廣度與深度。同時(shí)，進(jìn)一步提供標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)開(kāi)放和能力開(kāi)放，融入智慧校園平臺(tái)，并結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，打造全場(chǎng)景、全要素、全周期的數(shù)字化與智能化智慧校園。這也是未來(lái)智慧教育在校園物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用實(shí)施的技術(shù)趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]祝智庭，魏非.教育信息化2.0：智能教育啟程，智慧教育領(lǐng)航[J].電化教育研究，2018，39（9）：5-16.

[2]李旖旎.基于“云邊端”協(xié)同的5G物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享技術(shù)研究[J].信息記錄材料，2024，25（7）：190-193.

[3]于國(guó)福.基于ZigBee3.0技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2022，46（10）：222-225.

[4]彭順順，周傳生，郭桃林.GB28181標(biāo)準(zhǔn)與ONVIF協(xié)議媒體播放兼容性的研究[J].電視技術(shù)，2014，38（11）：170-172，186.

[5]房逸涵，竇水海，杜艷平.基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)融合研究綜述[J].北京印刷學(xué)院學(xué)報(bào)，2024，32（8）：42-49.

[6]李勝杰，魏鐵軍.場(chǎng)景化物聯(lián)網(wǎng)控制產(chǎn)品設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].智能建筑，2022（6）：44-46.

[7]陳林.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的多媒體智慧教室管理系統(tǒng)研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2023，13（8）：138-140，143.

[8]中華人民共和國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部.會(huì)話初始協(xié)議技術(shù)要求（第一部分基本的會(huì)話初始協(xié)議）[S].中華人民共和國(guó)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2003：1-6

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】