基于物聯(lián)網技術的智慧教室設計與實現(xiàn)

閻 堅，桂勁松

(1.中南大學 信息與網絡中心，湖南 長沙 410083；2.中南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410083)

基于物聯(lián)網技術的智慧教室設計與實現(xiàn)

閻 堅1，桂勁松2

(1.中南大學 信息與網絡中心，湖南 長沙 410083；2.中南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410083)

隨著高校對多媒體教室等教學資源投入的增多，如何促進教學環(huán)境的全面智能化，使得多媒體教學設備得到高效利用和有效管理，成為主要關注的問題。該文針對某高校目前使用的智慧教室系統(tǒng)所存在的問題，結合物聯(lián)網技術提出了一種新的智慧教室系統(tǒng)架構，并給出了一種具體實現(xiàn)方案。現(xiàn)有智慧教室系統(tǒng)是架構在整個校園網上的巨大分布式系統(tǒng)，對分布廣泛、數量眾多的網關設備的軟硬件要求高，因而構建與維護成本也高。新架構與實現(xiàn)方案利用物聯(lián)網技術并結合云計算，使得網關設備只需要具備基本的套接字通信能力，而不需要使用更高層協(xié)議與后端服務器通信，從而降低了對數量巨大的網關設備的軟硬件要求，有利于節(jié)省系統(tǒng)構建與維護成本。

物聯(lián)網技術；云計算；智慧教室；物聯(lián)網網關

一、引言

隨著信息技術融入教育教學業(yè)務[1]，智慧教育學習環(huán)境[2][3](如智慧教室)建設成為高校教學資源投入的新方向。將云計算引入教育領域將顯著地加快信息技術促進教育變革的進程[4][5]，云智慧教室[6]環(huán)境的搭建為信息技術與課程整合創(chuàng)新提供了非常有利的條件[7]，為教與學提供了人性化、智能化的互動空間[8]，順應了“互聯(lián)網+”教育的發(fā)展趨勢[9]。

二、實踐案例的啟示

以作者所在的高校為例，多媒體教室分布在多個校園的不同教學區(qū)，設備型號眾多，操作方式多樣。教師必須了解各個型號的差異和使用的差別，才能順利使用多媒體設備，工作強度較大。若多媒體設備出故障且不能得到及時處理，則會影響教學進程。同時，若任何人(如教師、學生、外來人員等)均能開啟多媒體教室的設備，則會造成管理上的混亂。

目前，該高校解決了多媒體教室系統(tǒng)與學校部分其他系統(tǒng)(如排課系統(tǒng)、一卡通等)的信息共享，實現(xiàn)了上課教師的身份識別。設置于各個多媒體教室中的網關具備512M的內存、4G存儲空間，通過通用I/O(General-Purpose Input/Output, GPIO)接口與教室多媒體設備(如投影儀、電源開關、投影幕布、電腦等)關聯(lián)，實現(xiàn)對這些設備的感知與控制，即將設備狀態(tài)信息發(fā)送給后端服務器，并根據接收的服務器指令對設備進行控制。采用SQLite(即一種輕型的關系型數據庫管理系統(tǒng))構建與管理數據庫，存儲局部規(guī)則和設備地址等持久信息。該類網關需要實現(xiàn)更高層次的網絡應用層協(xié)議，采用J2ME技術實現(xiàn)RFID和串口通訊功能，向下實現(xiàn)對多媒體設備的控制，向上實現(xiàn)與設備訪問服務器(Device Access Server，DAS)的通信。由于存在不同類型的多媒體設備，為了能夠通過網關設備對其進行統(tǒng)一的處理，網關設備通過串口和各個多媒體設備進行關聯(lián)，根據匹配的設備類型，自動尋找預存于服務器數據庫中的智能設備的合適指令碼并下發(fā)，從而實現(xiàn)統(tǒng)一處理。

DAS是設備和應用服務系統(tǒng)之間的中間層，方便不同廠商的不同類型設備接入。同時，DAS通過IP實現(xiàn)對不同教室的尋址，每一間教室分配唯一內部IP地址，而教室內部設備地址由網關分配，從而實現(xiàn)遠程批量的設備控制。DAS基于遠程過程調用(Remote Procedure Call，RPC)通訊軟件來實現(xiàn)與部署于各個多媒體教室中網關設備的通信，實現(xiàn)對全校教室的統(tǒng)一管理。應用服務器部署在學校數據中心機房，其指令通過DAS下發(fā)到指定教室的網關設備，接收到指令的網關查詢本教室的設備地址，并通過RXTX(即一個提供串口和并口通信的開源Java類庫)模塊對適配的端口發(fā)送指令，從而實現(xiàn)對教室設備的控制。同時，網關設備周期性向服務器發(fā)送心跳包，報告自己的狀態(tài)，提供管理員查詢的依據。

基于上述介紹可知，該高?，F(xiàn)有智慧教室應用系統(tǒng)是一種架構在整個校園網上的分布式系統(tǒng)，各個分散的網關設備與集中部署的應用服務端之間通信需要更高層次應用層協(xié)議的支持，使得數量眾多的網關設備的軟硬件(如處理器、存儲資源、協(xié)議棧以及業(yè)務功能處理邏輯等)成本增加。本文受物聯(lián)網技術應用案例[10][11]的啟發(fā)，利用物聯(lián)網技術對該高校智慧教室系統(tǒng)進行全新設計，提出了一種新智慧教室系統(tǒng)構架，并給出了一種具體實現(xiàn)方案。該方案降低了對數據眾多的網關設備的軟硬件要求，即網關設備只需具備基本的套接字(Socket)通信能力，而無需利用更高層次的應用層協(xié)議與后端服務器通信，有利于節(jié)省系統(tǒng)構建與維護成本。

三、基于物聯(lián)網技術的智慧教室架構

基于物聯(lián)網應用體系結構，分為三個層次：感知層、傳輸層、應用層。感知層部署于每間多媒體教室內，各種物聯(lián)網組網技術均可使用，通過物聯(lián)網網關與各種傳統(tǒng)網絡設施連通。傳輸層可利用現(xiàn)有校園網設施，將網關匯聚的感知層數據傳輸到云中心的應用服務器處理；網關的通信協(xié)議可以輕量化，也無需部署復雜的應用層處理功能，從而實現(xiàn)與后臺應用業(yè)務邏輯的解耦。應用層對收集到的感知數據進行處理，如基于亮度傳感器感知的數據，判斷若處于上課時間，且教室亮度低于閾值，則下發(fā)指令打開照明燈。該指令的下發(fā)一直傳輸到指定教室的環(huán)境設備控制器(該控制器可根據不同指令類型，分別對照明燈、空調、空氣凈化器等設備的開啟、調節(jié)等操作進行控制)，接收到該指令的環(huán)境設備控制器查詢本教室的照明燈設備地址，并通過RXTX模塊對適配的端口發(fā)送指令，從而實現(xiàn)對該設備的控制，即打開照明燈。對多媒體教學設備的控制過程也類似，不再贅述。本文提出的智慧教室系統(tǒng)架構如右圖1所示。

管理員可以在監(jiān)控中心的大屏幕上顯示平臺綜合信息，任課老師可以在多媒體教室的計算機上通過客戶端程序查詢到本堂課的關聯(lián)信息。智慧教室服務器用于部署教室管理平臺(應用服務器)，以及設備訪問服務中間件(DAS)，并與校園卡信息接口以及排課系統(tǒng)進行對接，并互聯(lián)與共享信息。管理員或教師通過下載相關App，可以隨時監(jiān)控平臺綜合信息或查詢到指定堂課的關聯(lián)信息。

四、智慧教室的設計方案

基于物聯(lián)網技術的智慧教室系統(tǒng)設計需要考慮感知層、傳輸層、應用層三個層次的設計需求。對面積不大的小型教室，感知層采用星型拓撲結構。星型點為網關設備(如普通無線路由器)，教室內的所有感知點都直接與網關設備通信。網關直接連入有線校園網，為數據傳輸到云中心提供傳輸通道。根據智慧教室應用需求，部署在云中心的應用層需要處理從感知層收集的數據，通常涉及數據的清洗、存儲、分析、檢索等操作。應用客戶端是用戶(如管理員、教師等)與智慧教室應用系統(tǒng)交互的界面，其實現(xiàn)應與應用服務端的業(yè)務處理功能實現(xiàn)解耦，因此，需要設計一個中間件層以便實現(xiàn)這個解耦目標。對邏輯簡單的應用，中間件與應用服務端通常一并考慮進行設計。小型教室感知數據的傳輸、處理、使用等各個階段所涉及到的軟硬件功能模塊如圖2所示。

圖1 智慧教室系統(tǒng)架構圖

圖2 小型智慧教室的實現(xiàn)方案示例圖

對面積較大的教室，既然并非所有感知點都能與網關直接通信，那么星型拓撲結構就存在局限性。因此采用ZigBee技術(即一種低速低功耗的多跳無線傳輸技術)組建樹型網絡拓撲。該拓撲既具有感知區(qū)域的可擴展性又具備邏輯控制的簡潔性，是大型教室感知網絡拓撲設計的一種理想選擇。如下頁圖3所示，這是一種在大型教室中感知數據的傳輸、處理、使用等各個階段所涉及到的軟硬件功能模塊，與圖2的主要區(qū)別在于使用了ZigBee技術而不是WiFi技術來進行感知數據的匯聚傳輸。

在確定ZigBee網絡拓撲結構后，還需要確定ZigBee節(jié)點類型以及設計問題，包括ZigBee終端節(jié)點、ZigBee路由器、ZigBee網關等。ZigBee終端節(jié)點不承擔維持網絡結構的任務，其任務是將感知的數據通過串口讀入，封裝成可進行路由轉發(fā)的數據包，再發(fā)送給相鄰的ZigBee路由器。ZigBee路由器需要承擔維持網絡結構的任務，接收相鄰節(jié)點(包括ZigBee終端節(jié)點和ZigBee路由器)發(fā)過來的數據包，并進行路由轉發(fā)(例如，根據接收的數據包中的目的地址，查詢自身維護的路由表，將數據轉發(fā)給路由表中匹配項所指出的下一級節(jié)點)。

圖3 大型智慧教室的實現(xiàn)方案示例圖

(一)智慧教室的感知點部署與組網

在感知層，需要根據具體應用的功能、性能、與傳輸節(jié)點對接的技術要求等，確定傳感器種類。從不同的分類角度，傳感器種類數目差異很大，例如，從接口類型分，通常有串行接口和并行接口，數目比較固定，而從功能角度分，則數目眾多、難以枚舉。傳感器接口種類的不同對數據傳輸性能的限制也不同。例如，UART是一種通用串行數據總線，用于異步通信，可以實現(xiàn)全雙工傳輸和接收，具有這種接口的傳感器的傳輸距離從幾米(RS-232)到百余米(RS-485)，最大傳輸速率約115.2Kbps。I2C是一個雙向的兩線連續(xù)總線，一種串行擴展技術，高速模式支持快至3.4Mbps的速度，具有這種接口的傳感器需要時鐘同步。

各類設備控制器的核心部件可采用Beagle BoneBlack，其中AM3358是ARM Cortex-A8內核的微處理器，使用Linux作為操作系統(tǒng)，采用JDK8作為虛擬機環(huán)境，從而達到了人機展現(xiàn)、數據傳輸、設備控制多個環(huán)節(jié)均采用一套編程語言的目的，極大地簡化了開發(fā)過程和部署復雜度。

在網絡層，需要考慮將局部的感知節(jié)點組建為局域網。對小型教室，若感知點集成了WiFi模塊，即可與普通無線路由器構成星型拓撲。對大型教室，采用ZigBee技術組網，其組網過程由一個協(xié)調器節(jié)點發(fā)起。首先協(xié)調器選擇一個信道和一個網絡ID (即Personal Area Network ID，PAN ID)，隨后啟動整個網絡。此外，協(xié)調器還承擔網絡的配置工作。一旦完成這些工作，協(xié)調器就跟一個ZigBee路由器的作用一樣，因此，可以選擇一個ZigBee路由器來充當協(xié)調器。

ZigBee終端節(jié)點和ZigBee路由器都可以考慮選用HFZ-CC2530EM-V1.0 模塊來開發(fā)。該類模塊采用了德州儀器(TI)的ZigBee 射頻芯片CC2530-F256，片上集成了高性能低功耗8051 內核、12比特ADC、2 個USART 以及功能強大的DMA功能等，支持ZigBee2007/Pro協(xié)議棧。

在ZigBee終端節(jié)點上，需要進行應用程序開發(fā)，也可以將已開發(fā)好的程序燒寫到ZigBee終端節(jié)點，通過HFZ-CC2530EM-V1.0 模塊的調試接口，可方便地進行程序的調試、下載和協(xié)議分析。路由對應用層是完全透明的，應用程序只需向下發(fā)送去往任何設備的數據到協(xié)議棧中，棧會負責尋找路徑，因此，ZigBee路由器只要具有ZigBee2007/Pro協(xié)議棧即可勝任工作。

(二)智慧教室的物聯(lián)網網關

若采用ZigBee技術，則需要設計特定的ZigBee網關。ZigBee網關除了承擔將ZigBee網絡與有線校園網或因特網連通的任務外，還要充當數據收集網絡匯聚點的角色，并將匯聚的數據發(fā)送到應用服務端進行處理。因此，可考慮選用基于Cortex-A8的開發(fā)板x210ii來實現(xiàn)ZigBee網關的設計目標。x210ii是一塊以S5PV210為主控芯片的開發(fā)板，由核心板、底板和液晶板三大塊組成，支持USB接口WiFi、以太網DM9000CEP、GPRS接口、外置USB 3G模塊、GPS接口等。x210ii通過串口外接一個CC2530，以實現(xiàn)與ZigBee網絡的連接，通過以太網DM9000CEP與有線校園網連通，或通過外置USB 3G模塊，實現(xiàn)通過蜂窩網接入因特網的目標。同時，基于x210ii的Android平臺方便開發(fā)客戶端程序將感知數據傳輸到遠端的應用服務器端。

(三)后臺應用與移動App

在處理和應用階段，需要考慮搭建一個后端處理平臺。一種做法是購買服務器設備、搭建服務器端軟件平臺，包括安裝數據庫管理系統(tǒng)軟件(如MySQL)、Web服務器軟件(如Apache或Tomcat)等，并需要考慮為服務器設備配置固定IP地址，并申請域名等；另一種做法是購買校內云服務，通過提交相關資源需求參數(如服務器配置、訪問帶寬、IP地址等)向校內云服務提供單位購買后端處理平臺資源。無論采用哪種后端處理平臺搭建方式，若采用Apache，前端開發(fā)語言可選PHP，后端網絡應用程序開發(fā)語言可選Java或PHP；若采用Tomcat，則相應選用JSP和Java。

在后端處理平臺上，需要開發(fā)部署與嵌入式開發(fā)平臺(如使用了Cortex A8的開發(fā)板)上已開發(fā)的客戶端程序相對應的服務端應用程序，以便于接收感知數據并進行相應處理。這里涉及與客戶端的Socket連接的建立、客戶端發(fā)送數據的收取、接收數據的清洗、數據庫表的建立與數據存儲、數據的增刪改查等操作。另外，需要開發(fā)部署與用戶APP通信的服務端應用程序，可通過提供API接口的方式，實現(xiàn)用戶APP端與后臺業(yè)務處理端的解耦。API提供功能的實現(xiàn)屬于中間件層的工作，可使用PHP在中間件層編程實現(xiàn)。用戶APP可基于Android平臺采用Java實現(xiàn)。

四、結束語

物聯(lián)網目前是備受關注的前沿研究領域，己經引起了學術界和工業(yè)界的廣泛重視，被認為是對21世紀產生巨大影響力的技術之一。基于物聯(lián)網技術的智慧教室的設計，把地理隔離的各校區(qū)內多媒體教室內的所有感知點統(tǒng)一接入傳感網絡，進而連入校園網，與排課系統(tǒng)、一卡通等系統(tǒng)互通共享，隨時獲取各個教室的設備感知情況，真正實現(xiàn)對多校區(qū)教室的全面感知，有效地提高了多媒體教室的管理和維護效率。

[1] 蔣東興,付小龍,袁芳,蔣磊宏.高校智慧校園技術參考模型設計[J].中國電化教育,2016,(9):108-114.

[2] 李紅美,張劍平.面向智慧教室的ARS互動教學模式及其應用[J].中國電化教育,2015,(11):103-109.

[3] 翟小銘,孫偉,郭玉英等.智慧教室:應用現(xiàn)狀及其影響研究[J].中國電化教育,2016,(9):121-127.

[4] 吳砥等.教育云服務標準體系研究[J].開放教育研究,2015,(5):2-100.

[5] 楊宗凱,吳砥.信息技術推動教育創(chuàng)新發(fā)展[J].中國教育科學,2014,(2):57-91.

[6] 馬小強,劉銘.國家開發(fā)大學“云教室”應用的現(xiàn)存問題及對策[J].中國電化教育,2016,(5):72-77.

[7] 何克抗.智慧教室+課堂教學結構變革——實現(xiàn)教育信息化宏偉目標的根本途徑[J].教育研究,2015,36(11):76-81.

[8] 聶風華,鐘曉流,宋述強.智慧教室:概念特征、系統(tǒng)模型與建設案例[J].現(xiàn)代教育技術,2013,(7):5-8.

[9] 陳耀華,陳琳.互聯(lián)網+教育智慧路向研究[J].中國電化教育,2016,(9):80-84.

[10] 雷光臨,李俊.基于物聯(lián)網的智慧校園應用與實踐[J].物流技術,2012,31(9):414-416.

[11] 海濤,王鈞等.基于物聯(lián)網的高校實驗室信息化管理技術[J].實驗室研究與探索,2012, 31(9):166-169.

Design and Implementation of Intelligent Classroom Based on Internet of Things Technology

Yan Jian1, Gui Jinsong2
(1.Information and Network Center, Central South University, Changsha Hunan 410083; 2.School of Information Science and Engineering, Central South University, Changsha Hunan 410083)

With the increase of the input into the multimedia classroom and other teaching resources in colleges and universities, how to make the teaching environment comprehensively intelligent so as to e ff ectively use and manage multimedia teaching equipment has become a major concern. Based on the problems existing in the intelligent classroom system of a certain college, this article puts forward a new intelligent classroom system framework combined with the Internet of things, and presents a concrete implementation plan. The current intelligent classroom system of the university is a huge distributed system on the whole campus network, which puts high requirements on the software and hardware of the widespread countless gateway equipment, so the costs of construction and maintenance are high. The new framework and implementation plan with the use of the Internet of things combined with cloud computing decouple the application logic association of the gateway equipment and background operation, thus it reduces the requirements for software and hardware of the gateway equipment with huge data and saves the costs of system construction and maintenance.

IOT; Cloud Computing; Intelligent Classroom; IOT Gateway

G434

A

閻堅：工程師，主任助理，研究方向為教育技術應用(1196064816@qq.com)。

桂勁松：副教授，研究方向為無線網絡、移動計算(jsgui06@163.com)。

2016年9月20日

責任編輯：趙興龍

1006—9860(2016)12—0083—04