基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

譚云月

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智慧教室；云平臺；校園信息化；PaaS平臺

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在校園信息化建設(shè)中的重要性也在逐漸提高，智慧教室也不例外。智慧教室是數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于學(xué)習(xí)場景下的產(chǎn)物，是多媒體教室和網(wǎng)絡(luò)教室相融合的現(xiàn)代化教室。智慧教室以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，利用 5G、云計(jì)算、人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等信息技術(shù)來構(gòu)建[1]。

智慧教室作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在校園信息化建設(shè)中的重要一環(huán)，正在逐步取代傳統(tǒng)教室，以構(gòu)建全新的教室環(huán)境來提高學(xué)生學(xué)習(xí)質(zhì)量和效率。但是目前的智慧教室還存在諸多問題，例如教室中的各個(gè)系統(tǒng)模塊隸屬不同廠商，有各自的管理平臺，數(shù)據(jù)鏈條沒有完全打通，這也導(dǎo)致智慧教室的設(shè)備在后續(xù)拓展中會加劇這些問題的嚴(yán)重程度；注重多媒體設(shè)備的建設(shè)，但是教室的設(shè)備沒有納入平臺進(jìn)行總體管理，沒有教室整體態(tài)勢感知能力等[2]。

基于此，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)由“平臺+硬件”的方案實(shí)現(xiàn)，硬件上利用集中式網(wǎng)關(guān)對教室內(nèi)的多媒體和其他智能設(shè)備進(jìn)行管理；平臺利用物聯(lián)網(wǎng)PaaS平臺作為數(shù)字底座，直接管理教室內(nèi)的集中式網(wǎng)關(guān)，完成基本數(shù)據(jù)收集和設(shè)備管控，在數(shù)字底座上層實(shí)現(xiàn)智慧教室管理應(yīng)用平臺，實(shí)現(xiàn)智慧教室的整體態(tài)勢分析、信息展示和管理功能，方便學(xué)校對教室進(jìn)行“一站式”管理[3]。

1 教師管理系統(tǒng)需求分析

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教室管理系統(tǒng)為了解決教室中各個(gè)智能化模塊互不隸屬，平臺管理困難，不易進(jìn)行設(shè)備拓展和教室整體態(tài)勢感知能力差的問題，需要具備以下能力。

1.1 海量設(shè)備接入和高并發(fā)能力

每個(gè)教室都需要接入若干種不同的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或者其他硬件，這些硬件直接或間接地都要同管理平臺進(jìn)行通信，平臺需要具備同時(shí)接入這些設(shè)備的能力，并且要考慮到高并發(fā)的情況。

1.2 教室內(nèi)設(shè)備納管能力

教室內(nèi)的硬件設(shè)備要全部直接或間接接入管理平臺進(jìn)行納管，要具備在平臺上查找和控制這些設(shè)備的能力。

1.3 教室內(nèi)態(tài)勢感知能力

管理平臺需要具備對教室狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的能力，包括多媒體設(shè)備使用情況、教室溫濕度、教室內(nèi)實(shí)時(shí)畫面等。

1.4 設(shè)備拓展能力

管理平臺需要考慮未來新增設(shè)備的可能性，在不影響現(xiàn)有系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，還需要具備一定的設(shè)備拓展能力。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

教室管理系統(tǒng)主要是由硬件和軟件兩大部分組成，硬件由集中式網(wǎng)關(guān)、攝像頭、門鎖、空調(diào)控制設(shè)備、電子班牌、多媒體設(shè)備等構(gòu)成，其中集中式網(wǎng)關(guān)作為教室內(nèi)硬件設(shè)備的唯一入口，為它們提供網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行統(tǒng)一管理；平臺由設(shè)備管理平臺和教室管理系統(tǒng)應(yīng)用平臺構(gòu)成，其中設(shè)備管理平臺為物聯(lián)網(wǎng)PaaS平臺，作為數(shù)字底座對接每個(gè)教室的集中式網(wǎng)關(guān)；平臺與硬件通過校園網(wǎng)或者5G校園專網(wǎng)進(jìn)行通信[4]。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

硬件設(shè)備層由集中式網(wǎng)關(guān)及其接入的設(shè)備組成，接入設(shè)備包括教室多媒體設(shè)備、智能門鎖等。其中，集中式網(wǎng)關(guān)是教室內(nèi)設(shè)備連通外部網(wǎng)絡(luò)的唯一出口，集中式網(wǎng)關(guān)通過藍(lán)牙、Wi?Fi、串口和網(wǎng)線等方式與教室內(nèi)智能設(shè)備進(jìn)行通信，并通過直連校園網(wǎng)或者通過5G模組連接5G校園專網(wǎng)的方式為整個(gè)教室的智能設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)[5]。

平臺層中的設(shè)備管理平臺，具備設(shè)備接入，設(shè)備狀態(tài)管理，設(shè)備上行數(shù)據(jù)記錄與推送，命令下發(fā)等功能，作為整個(gè)系統(tǒng)中集中式網(wǎng)關(guān)接入的上級平臺直接對其進(jìn)行管理。

平臺層中的智慧教室應(yīng)用平臺作為應(yīng)用層直接面向管理人員，能夠?qū)崿F(xiàn)教室信息管理、教室狀態(tài)管理與監(jiān)控、教室使用情況分析和后臺管理等功能。

3 教室管理系統(tǒng)硬件接入設(shè)計(jì)

教室管理系統(tǒng)硬件作為整個(gè)系統(tǒng)的感知層，負(fù)責(zé)智慧教室各個(gè)部分功能的具體實(shí)施，硬件拓補(bǔ)圖如圖2所示。

整個(gè)硬件接入部分的核心由每個(gè)教室一一對應(yīng)的集中式網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，該網(wǎng)關(guān)需要具備一定處理能力，能運(yùn)行OpenWRT等類似的操作系統(tǒng)以具備一定的網(wǎng)絡(luò)處理能力，外部下行接口需要具備網(wǎng)口、串口以及Wi?Fi和藍(lán)牙功能，才能對教室內(nèi)各類型設(shè)備和傳感器進(jìn)行管理和控制，同時(shí)上行接口需要具備光纖和千兆網(wǎng)口或者搭載5G通信模組，以期能夠接入校園網(wǎng)或者5G校園專網(wǎng)，連接平臺側(cè)的設(shè)備管理平臺完成設(shè)備納管[6]。

智能門鎖采用Wi?Fi直連的方式，與集中式網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接，網(wǎng)關(guān)除了負(fù)責(zé)對智能門鎖提供必要的網(wǎng)絡(luò)支持，同時(shí)也會對智能門鎖進(jìn)行納管，開關(guān)門命令和狀態(tài)，都由集中式網(wǎng)關(guān)同設(shè)備管理平臺通信后進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，協(xié)議采用MQTT進(jìn)行通信。

紅外空調(diào)控制器和溫濕度傳感器采用RS485串口方式與集中式網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接，通過平臺對網(wǎng)關(guān)進(jìn)行相應(yīng)配置后，就可以操作紅外控制器控制教室內(nèi)空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)，利用溫濕度傳感器檢測教室內(nèi)的溫度狀態(tài)。

教室多媒體設(shè)備包括電腦、音頻設(shè)備和投影、智能電視等設(shè)備，教室的多媒體電腦開機(jī)自啟動運(yùn)行專用軟件獲取投影、音視頻設(shè)備狀態(tài)，與集中式網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)口或者交換機(jī)進(jìn)行通信，上報(bào)設(shè)備使用狀態(tài)，包括設(shè)備開關(guān)狀態(tài)和使用時(shí)間等。

攝像頭與集中式網(wǎng)關(guān)通過網(wǎng)線或者交換機(jī)連接進(jìn)行通信，使用通用的視頻流傳輸協(xié)議如ONVIF等協(xié)議直接與設(shè)備管理平臺連接通信，上傳教室內(nèi)的視頻數(shù)據(jù)。

電子班牌一般采用基于安卓的大屏幕平板放置在教室門外，使用Wi?Fi與集中式網(wǎng)關(guān)通信，通信協(xié)議采用MQTT 協(xié)議，主要用于展示課表信息和教室信息，如果具備前置相機(jī)，也可具備簽到功能。

4 教室管理系統(tǒng)平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 物聯(lián)網(wǎng)PaaS 平臺簡介

PaaS（Platform-as-a-Service） 是平臺即服務(wù)的縮寫。他是云計(jì)算的三種服務(wù)模式之一，在這個(gè)模式下，PaaS平臺通常包括開發(fā)軟件系統(tǒng)所必需的底層基建與中層運(yùn)維，如基礎(chǔ)架構(gòu)、軟硬件設(shè)施、數(shù)據(jù)庫代碼、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)等，使用者僅需要負(fù)責(zé)上層業(yè)務(wù)功能開發(fā)，從而大大加速了應(yīng)用程序的開發(fā)。

PaaS平臺在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用十分廣泛，因?yàn)樵谕ǔ５奈锫?lián)網(wǎng)場景下，平臺需要考慮到設(shè)備海量接入、高并發(fā)和海量數(shù)據(jù)積累等問題，如果從頭到尾都通過自研方式解決，無疑會帶來很多研發(fā)方面的問題，增加時(shí)間和人力投入。通過引入物聯(lián)網(wǎng)PaaS平臺封裝成設(shè)備接入層，就可以做到頂層業(yè)務(wù)代碼和設(shè)備接入層代碼的完全解耦，利用PaaS平臺提供的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入基礎(chǔ)設(shè)置，就可以減少開發(fā)投入，專注于業(yè)務(wù)本身的實(shí)現(xiàn)。一般常用的物聯(lián)網(wǎng)PaaS平臺如OneNET、阿里云IoT等都支持各類物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，支持設(shè)備海量接入和高并發(fā)處理，具備安全的數(shù)據(jù)推送和反向控制能力，有完善的固件管理和升級功能，以及詳細(xì)的日志展示，通過私有化部署或者直接在公有云上使用，可以極大地簡化開發(fā)流程，滿足各類基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的應(yīng)用平臺的開發(fā)。

4.2 教室管理系統(tǒng)平臺功能設(shè)計(jì)

教室管理系統(tǒng)平臺作為智慧教室內(nèi)設(shè)備管理、教室信息管理、教室使用情況分析等功能的載體，在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有重要作用。教室管理系統(tǒng)平臺前端展示為Web頁面，可在Web端進(jìn)行各項(xiàng)操作，前端Web基于VUE框架，以組件化思想進(jìn)行打造，后端采用SpringCloud打造微服務(wù)系統(tǒng)，并且采用高性能消息中間件保障與硬件層的集中式網(wǎng)關(guān)的消息處理能力。平臺整體采用模塊化設(shè)計(jì)，可拓展性強(qiáng)[7]。

教室管理系統(tǒng)平臺由兩部分組成，分別是智慧教室應(yīng)用平臺和設(shè)備管理平臺，其架構(gòu)如圖3所示。

設(shè)備管理平臺作為集中式網(wǎng)關(guān)及其下掛設(shè)備直接接入的平臺，對集中式網(wǎng)關(guān)及其下掛設(shè)備進(jìn)行直接的數(shù)據(jù)交互，可以采用成熟的物聯(lián)網(wǎng)PaaS平臺作為其基礎(chǔ)，如OneNET平臺或阿里云IoT等平臺做校園內(nèi)私有化部署，具體功能模塊包括設(shè)備接入模塊、協(xié)議解析模塊、設(shè)備管理模塊、數(shù)據(jù)推送模塊和相應(yīng)的API 接口、日志模塊和遠(yuǎn)程升級模塊等[8]。集中式網(wǎng)關(guān)通過校園網(wǎng)或者5G校園專網(wǎng)的方式接入平臺，平臺通過MQTT協(xié)議對網(wǎng)關(guān)上報(bào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和存儲轉(zhuǎn)發(fā)，并對來自上層的智慧教室應(yīng)用平臺的命令解析后向網(wǎng)關(guān)下發(fā)下行命令對其進(jìn)行控制，利用數(shù)據(jù)推送模塊和API接口與上層的智慧教室應(yīng)用平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和命令交互[9]，日志模塊用于查看接入硬件設(shè)備的各項(xiàng)動作的日志，遠(yuǎn)程升級模塊管理所有在集中式網(wǎng)關(guān)管理下的硬件設(shè)備的固件版本和升級操作。

智慧教室應(yīng)用平臺，作為直接面向管理人員的管理平臺，由設(shè)備控制模塊、用戶交互模塊、教室信息管理模塊、教室狀態(tài)管理與監(jiān)控模塊、教室使用情況分析模塊和后臺管理模塊構(gòu)成。設(shè)備控制模塊通過API 與下層的設(shè)備管理平臺，獲取教室內(nèi)各個(gè)設(shè)備的狀態(tài)[10]；用戶交互模塊包含必要的前端交互能力，是管理人員操作整個(gè)應(yīng)用平臺的入口；教室信息管理模塊則是查看全部納管狀態(tài)的教室內(nèi)的信息，包括教室樓棟編號位置等；教室狀態(tài)管理與監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)獲取每個(gè)教室內(nèi)具體的設(shè)備狀態(tài)并進(jìn)行集中式網(wǎng)關(guān)及其下掛設(shè)備的注冊、配置和管理；教室使用情況分析模塊包括數(shù)據(jù)駕駛艙和分析報(bào)表等功能，用于向管理人員進(jìn)行數(shù)據(jù)展示和分析教室當(dāng)前的狀態(tài)；后臺管理模塊包含人員配置和管理員配置等功能。

5 總結(jié)

本文提出的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)采用“平臺+硬件”的方案，其中平臺側(cè)通過在平臺運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)PaaS平臺作為接入層的方式對教室內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一接入管理，而硬件側(cè)使用集中式網(wǎng)關(guān)作為統(tǒng)一接口，做到智慧教室中對應(yīng)的功能模塊統(tǒng)一接入、統(tǒng)一管理和統(tǒng)一使用。該系統(tǒng)通過引入物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的感知和控制技術(shù)，整合教室軟硬件資源，實(shí)現(xiàn)教室的智能化管理，解決了當(dāng)前部分智慧教室中各個(gè)功能模塊各自管理，智慧教室整體態(tài)勢感知和管理能力不足的問題。