基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室研究

周芹

摘要：首先分析了高校多媒體教室在傳統(tǒng)管理模式下存在的問題；然后從多媒體教室有效管理的角度出發(fā)，闡述了智慧教室和物聯(lián)網(wǎng)技術的概念；最后對基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧教室進行了研究，設計了一套完善的、可行的智慧教室建設方案。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智慧教室；系統(tǒng)設計

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）32-0269-03

On Studing Intelligent Classroom Based on Internet of things

ZHOU Qin

（Department of Computer Engineering， Dongguan polytechnic College， Dongguan 523808， China）

Abstract：Firstly， the paper analyzes the problems existing in the traditional management mode of multimedia classrooms in Colleges and universities； Then， from the perspective of effective management of multimedia classroom， expounds the concept of smart classroom and internet of things technology； Finally， studies the intelligent classroom Based on the Internet of things technology， and designs a set of perfect and feasible construction scheme of the intelligent classroom.

Key words： Internet of things； Intelligent classroom； System design

1 概述

物聯(lián)網(wǎng)通過傳感器、RFID以及各種采集設備，把某一范圍內(nèi)物體的數(shù)據(jù)通過各種通信鏈路進行傳輸、通信，達到物物相連，智能控制的目的。廣泛地應用于城市管理、交通、醫(yī)療、物流、社區(qū)管理中，掀起了計算機發(fā)展的第三次浪潮。在教育領域，物聯(lián)網(wǎng)也得到了廣泛的應用，出現(xiàn)了智慧校園、智慧教室[1，2]。2010年，許多國家提出了智慧校園，國內(nèi)的許多高校把智慧校園建設納入學校建設的重大規(guī)劃中。目前，國內(nèi)的很多高等院校已經(jīng)建設了智慧校園，還有部分還處于建設中，智慧校園已經(jīng)成為數(shù)字校園發(fā)展的一個必然趨勢[3，4]。因為建設周期長，牽涉的部門多，各個高等院校側重點不同，智慧校園目前還沒有統(tǒng)一的規(guī)范和標準。我國各大型的軟件開發(fā)公司都有智慧校園的案例，目前主要的功能有網(wǎng)絡監(jiān)控、校園卡業(yè)務、大數(shù)據(jù)共享平臺、門禁身份識別、監(jiān)控系統(tǒng)等。在高?！爸腔坌@”的建設中，和教學密切相關的“智慧教室”也逐漸受到關注。“智慧教室”建設是一個復雜的系統(tǒng)化工程，本文基于目前高等院校的多媒體教室現(xiàn)狀，提出了一個基于物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)的智慧教室的解決方案，實現(xiàn)教室的智能控制和管理，為師生提供一個更好的交互式的教學環(huán)境。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 智慧教室的概念

隨著“智慧地球”的概念提出，引導式教學、項目式教學、啟發(fā)式教學等多種教學模式的研究，為了深化教學改革，在教學中以學生為中心，增強學生之間、師生之間的交流與互動，利用互聯(lián)網(wǎng)技術把多媒體教室的設備和教學資料通過各種網(wǎng)絡連接到智慧教室平臺，促進教學工作更好地開展[5，67]。

智慧教室沒有統(tǒng)一的標準，有些稱為未來教室、未來課堂等，國內(nèi)外也有很多公司和學者研究了智慧教室。1985年蘋果公司啟動了“明日蘋果教室”（ACOT）研究項目，通過近十年的研究探討技術和教育的關系；微軟資助賽格德大學進行了未來課堂項目的研究；國內(nèi)的一些高等院校如武漢大學、清華大學、華中師范大學、浙江大學等也建設了智能教室項目[8，9]。

2.2 高校多媒體教室管理現(xiàn)狀

目前各高校都已經(jīng)啟動了智慧校園建設，但是功能單一，大多數(shù)僅僅是校園卡、門禁系統(tǒng)等，多媒體教室還沒有實現(xiàn)智能化管理，存在如下的問題：

1） 管理維護難度大

高校多媒體教室數(shù)量多、分布廣，且多媒體教室建設于不同時間段，設備品牌、型號不盡相同，傳統(tǒng)管理模式需要管理員定期對每臺多媒體計算機操作系統(tǒng)進行升級、更新補丁等；并且無法對多媒體教室投影機的使用狀況進行實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集等。若多媒體設備出現(xiàn)故障，管理人員需進行現(xiàn)場維護，因設備故障多，管理人員少，無法及時響應所有設備故障，故工作效率低、維護難度大給管理人員帶來難題。

2） 缺乏安全穩(wěn)定性

高校多媒體教室承載了各系大部分課程，是教與學的重要場所。每間多媒體教室的使用者不同，不同的上課教師需要不同的教學課件和素材，會經(jīng)常用U盤拷貝一些文件到多媒體電腦里，這樣容易感染病毒，存在較大的系統(tǒng)安全隱患。由于多媒體電腦安全穩(wěn)定性差，影響到正常的教學秩序。

3） 非智能化控制能源浪費大

目前我國各類學校，特別是高等院校大部分教室都有多媒體教學設備、照明設備和溫控設備等，而這些設備目前都處于人工管理模式，例如教室門、照明設備、溫控設備等由物業(yè)公司管理員負責開或關，還未實現(xiàn)教學環(huán)境的智能化控制，所以經(jīng)常存在教室無人設備常開的現(xiàn)象，造成大量的能源浪費。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室體系架構

針對目前高校多媒體教室管理中存在的問題，本文從多媒體教室有效管理的角度出發(fā)，在物聯(lián)網(wǎng)技術的基礎上，通過引入相關的感知和控制技術，以及相關軟硬件資源的整合，實現(xiàn)多媒體教室的智能化管理，為師生提供更人性化的服務。整個架構包括智慧教室控制層、網(wǎng)絡層、感知控制層，包含了智慧教室建設的方方面面，將整個信息化環(huán)境很好地融合在一起。endprint

各層的功能如下：

1） 感知控制層

感知層作為整個系統(tǒng)的底層，為上層的應用層采集基礎數(shù)據(jù)，主要包括RFID芯片、傳感器、控制器、智能終端設備、攝像頭、二維碼等。

傳感器是智能控制主要的數(shù)據(jù)采集者，主要有溫濕度傳感器、光線傳感器、位置傳感器。溫濕度傳感器為采集教室的溫濕度，為空調(diào)和電扇的智能控制提供數(shù)據(jù)；光線傳感器為教室的燈光、窗簾智能控制提供數(shù)據(jù)；智能終端主要包括手機、平板電腦和電腦，通過WIFI或互聯(lián)網(wǎng)接入智慧教室平臺；智能控制器包括教室的中央控制器、空調(diào)、燈光、窗簾等智能控制器，中央控制器接收傳感器的數(shù)據(jù)，通過智慧教室平臺進行智能判斷，控制空調(diào)、燈光、窗簾的狀態(tài)。

2） 傳輸層

傳輸層主要提供移動網(wǎng)絡（3G/4G/5G）、Wifi、互聯(lián)網(wǎng)、ZigBee網(wǎng)絡、無線傳感器網(wǎng)絡服務，實現(xiàn)各層之間以及設備控制器之間安全、實時、可靠的數(shù)據(jù)交互。

3） 應用層

應用層主要包括具體的應用，主要包括：空調(diào)管理、教學管理系統(tǒng)、多媒體教室資產(chǎn)管理、窗簾管理、燈光管理、遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、通風換氣系統(tǒng)等應用。每個應用系統(tǒng)在硬件上是獨立的，統(tǒng)一通過智慧教室軟件平臺進行管理，通過軟件可以查看各個應用中設備的運行狀況。

4 系統(tǒng)設計

智慧教室系統(tǒng)總體包括硬件和軟件部分，硬件部分主要為空調(diào)管理、教學管理系統(tǒng)、多媒體教室資產(chǎn)管理、窗簾管理、燈光管理、遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、通風換氣管理，軟件部分主要為智慧教室軟件平臺，對各個硬件系統(tǒng)進行監(jiān)控和管理，同時，智慧教室還提供大量開放的應用程序接口和函數(shù)庫，計算機專業(yè)的師生可以在此基礎上進行二次開發(fā)，為師生提供一個開放式的實訓和學習平臺。

圖2為系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲圖，智慧教室管理平臺安裝部署在服務器上，通過交換機和各個教室相連，教室里面安裝一個帶WIFI的路由器，傳感器和智能控制器通過ZigBee網(wǎng)絡和中控進行通訊，通過中控連接到網(wǎng)絡中。各個應用層的設計思路如下：

1） 教學管理系統(tǒng)

教學管理系統(tǒng)主要的硬件設備有電腦、投影機、音箱、功放、麥克風、射頻讀寫器、中央控制器，硬件集中安裝在講臺中。教師走進教室，在讀卡器上刷校園卡，系統(tǒng)進行身份識別，通過控制器自動開啟投影、功放、音箱、投影機的電源，并啟動電腦。教師使用完合上講臺桌面蓋板，自動關閉相關的所有設備。

2） 學生考勤系統(tǒng)

學生考勤系統(tǒng)由讀卡器、校園卡（IC卡）和相關的軟件組成。在教室的入口處安裝一個讀卡器，學生進入時刷卡，讀卡器讀取學生的學號、班級、進入教室時間等信息，存儲到電腦主機中，教師打開智慧教室系統(tǒng)，系統(tǒng)自動讀取文件中的學生數(shù)據(jù)，進行遲到、曠課的判斷，并推送考勤結果給教師。

3） 資產(chǎn)管理系統(tǒng)

資產(chǎn)管理系統(tǒng)主要由：RFID讀寫器、RFID標簽以及相關的集成軟件系統(tǒng)。教室內(nèi)的所有固定資產(chǎn)都貼上RFID標簽，標簽存儲設備的型號、類型、運行狀態(tài)等基本信息。在教室的前后門安裝RFID讀寫器，可以隨時通過集成軟件查看教室的固定資產(chǎn)，還可以對未授權帶出教室的設備進行報警。

4） 窗簾管理

窗簾管理系統(tǒng)主要由光線傳感器、智能控制器組成。通過光線傳感器采集數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的場景模式把窗簾打開到最佳的位置。同時，還可以通過智慧教室平臺進行遠程控制窗內(nèi)的開關、定時開關。

5） 燈光管理

燈光管理系統(tǒng)主要由光線傳感器、位置傳感器、燈管控制器、窗簾系統(tǒng)和相關軟件組成?？梢愿鶕?jù)光線傳感器自動切換白天或夜晚模式，并根據(jù)人體位置、光線強弱自動切換到最佳光線。同時，還可以檢測到投影機的開關，切換到投影模式，營造最適合的上課氛圍。通過智慧教室平臺還可以實現(xiàn)教室燈光的遠程監(jiān)控與管理。

6） 空調(diào)控制系統(tǒng)

空調(diào)管理系統(tǒng)由空調(diào)控制器、溫濕度傳感器和集成軟件組成。傳感器采集教室的溫度、濕度信息，通過控制器對空調(diào)進行調(diào)節(jié)。可以通過智慧教室管理平臺設置需求開啟空調(diào)的溫度范圍，室內(nèi)溫度超出范圍外則需要開啟空調(diào)。

7） 通風換氣系統(tǒng)

通過換氣系統(tǒng)主要通過CO2傳感器采集教室內(nèi)的CO2濃度，若超過規(guī)定的閾值，通過ZigBee網(wǎng)絡和通風換氣系統(tǒng)的智能控制器進行通訊，開啟排氣扇。

8） 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

在教室前后角安裝紅外攝像頭，當教室有人出現(xiàn)，即開始錄像，若持續(xù)一段時間畫面不動，則停止錄像。錄像數(shù)據(jù)通過專線連接到視頻處理存儲設備進行壓縮存儲，并能夠?qū)崟r傳播視頻數(shù)據(jù)。

綜上所述，所有子系統(tǒng)硬件部分主要負責數(shù)據(jù)的采集和智能控制，所有子系統(tǒng)的軟件功能集成到智慧教室管理平臺，管理人員可以直接設置各個子系統(tǒng)的參數(shù)，查教室各個子系統(tǒng)設備的運行狀態(tài)，并能夠通過系統(tǒng)直接對設備的狀態(tài)進行控制。

5 結束語

智慧教室結合了互聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)絡以及軟件開發(fā)等技術，實現(xiàn)了多媒體所有設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控與管理，提高教室管理人員的工作效率；通過采集光線、溫度、空氣數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了燈光、空調(diào)、排氣扇等設備的智能控制，為教師和學生提供良好的教學環(huán)境；提供開發(fā)的應用程序接口，為師生提供良好的實訓平臺。目前智慧教室的建設還只是停留在設備的智能控制上，未來智慧教室研究的重點在于如何通過人機交互提升教學質(zhì)量。

參考文獻：

[1] 程敏. 信息化環(huán)境中智慧教室的構建[J]. 現(xiàn)代教育技術，2016，26（2）：101-107.

[2] 張亞珍，張寶輝，韓云霞. 國內(nèi)外智慧教室研究評論及展望[J]. 開放教育研究，2014，20（1）：81-91.

[3] 黃榮懷，胡永斌，楊俊鋒，肖廣德. 智慧教室的概念及特征[J]. 開放教育研究，2012，18（2）：22-27.

[4] 周浪，林哲，胡曉芳，李峰. 一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室方案的設計與實現(xiàn)[J]. 無線通信技術，2014，23（4）：53-56.

[5] 閻堅，桂勁松. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧教室設計與實現(xiàn)[J/OL]. 中國電化教育，2016（12）：83-86.

[6] 金江軍. 智慧教育發(fā)展對策研究[J]. 中國教育信息化，2012（22）：18-19.

[7] 陳磊，徐佳麗. 基于物聯(lián)網(wǎng)的高職智慧教室建設研究[J]. 職教論壇，2014（35）：23-25.

[8] 徐春林. 一種基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的高校智慧教室設計[J]. 淮海工學院學報：自然科學版，2016，25（4）：21-24.

[9] 靳旭瑩，馬曉萍，申巍. 智慧教室的初探[J]. 教育教學論壇，2014（44）：8-10.endprint