高校智慧教室物聯網系統設計與實現

周恩浩

摘 要： 為了充分發揮物聯網的技術優勢，全面提升高校教室信息化水平，設計一種針對高校教室科學管理的專業信息系統。將現代互聯網技術與傳統的高校教室管理模式進行有機結合，構建智能化課堂管理系統，即智慧教室物聯網系統。分析高校智慧教室系統的可行性和系統功能需求，提出高校智慧教室物聯網系統設計方案，并對系統的架構、網絡架構計、功能模塊等進行了詳細的設計，構建全新的信息化管理模式和基于現代物聯網技術的信息化管理平臺。

關鍵詞： 高等院校； 智慧教室； 教室管理； 物聯網； 系統架構設計； 網絡架構設計

中圖分類號： TN915?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）02?0030?04

Abstract： In order to give full play to the technology advantage of Internet of Things （IoT） and improve the information level for university classroom， a specialized information system for scientific management of university classrooms is designed. The modern Internet technology is organically combined with the traditional university classroom management mode to build the intelligent classroom management system， namely IoT intelligent classroom system. The feasibility and functional demand of the intelligent university classroom system are analyzed. The design scheme of IoT system for intelligent university classroom is proposed. The system architecture， network architecture and function module are designed in detail to construct the new information management mode and the information management platform based on modern IoT technology.

Keywords： college and university； intelligent classroom； classroom management； IoT； system architecture design； network architecture design

在物聯網等新興技術創新發展的帶動下，高校教室管理也逐漸呈現出信息化、系統化發展趨勢，高校教室信息化管理水平將直接影響和決定高校教育資源的利用水平，是高校教育多樣性、豐富性的重要基礎。智慧教室泛指一種全新的、增強型的教室模式，具體以高科技軟件與軟件技術的應用為基礎，打造智能化課堂管理系統。為了充分發揮物聯網的技術優勢，全面提升高校教室信息化水平，必須將現代互聯網技術與傳統的高校教室管理模式進行有機結合，從而發揮二者融合優勢，構建全新的、信息化管理模式，創造一種基于現代物聯網技術的信息化管理平臺，從而全面提升教室管理效率水平，真正發揮教室資源的綜合價值，為高校師生信息化應用水平的提升創建良好的實踐環境。

1 高校智慧教室系統功能需求分析

智慧教室的核心要素集中體現為對現有教學內容的科學優化以及對課堂教學資源的綜合利用以及良好教學關系的創建與維護。在進行智慧教室設計開發時，要重點突出如下三項基本需求：

1.1 物聯網軟件應用需求特征涉及內容

高校教室的智能化建設主要包括環境智能感知、智能采光控制、智能門禁、智能通風調節、室內環境實時監測、管理系統兼容平臺等。

1.2 物聯網硬件需求特征

1） 環境信息采集與傳輸終端。主要硬件設置包括攝像頭、數據存儲硬盤、空氣組分監測分析、光照強度監測分析、環境溫度與濕度監測。

2） 門窗、教學輔助工具等的自動控制功能。

3） 物聯網系統的集成控制系統。

4） 與其他軟件應用的兼容控制平臺。

1.3 物聯網管理平臺綜合集成拓展

物聯網管理平臺綜合集成拓展具體可以從以下幾個環節入手，完成智慧教室系統與高校已有信息化管理應用的融合與兼容，從而構建功能完善的綜合管理系統：物聯網傳感器硬件系統的設計與部署應當與現有信息系統的功能需求綜合考慮，為數據信息的共享和互動創造良好環境，進而提高信息資源的利用率與系統的全面性。從高校現有的硬件與軟件建設狀況出發，在盡量不影響現有設備、系統運行使用情況的前提下，重點把握以下內容：現有電力線路的走線與布局；現有門窗的規劃與建設；通風系統的電氣狀況、攝像終端與投影、顯示終端的建設情況。

基于上述硬件建設情況的統計分析，結合物聯網技術應用的建設要求，合理利用現有設備資源，并積極構建智能化的物聯網信息管理系統。在上述工作的基礎上，明確高校智慧教室管理系統的核心功能及其架構，如表1所示。

基于物聯網技術應用，上述各類功能的具體表現以及相應的技術要求如下：

1） 環境感知分析功能。能夠實現對室內環境參數的實時采集、存儲與傳輸。室內環境采集分析的主要內容包括溫濕度、CO2濃度、光照水平、輻射情況等。endprint

2） 室內采光控制系統。能夠智能采集識別環境光照情況，并智能控制教室燈光以及門窗的開啟情況，從而實現最佳室內光照。

3） 通風透氣系統的智能控制。主要對空調、風扇等系統進行智能控制，根據教室使用情況以及空氣質量狀況智能調節通風系統，從而確保最佳空氣指數。

4） 顯示終端的智能監控。顯示屏是智慧教室建設應用的關鍵環節，是教學現代化的重要體現。在進行智慧教室建設中，要充分發揮物聯網技術優勢，結合課堂教學需要，針對不同的使用環境設計不同的顯示模式，從而最大限度地保障教學需求并提升教學效果。

2 高校智慧教室物聯網系統設計

2.1 系統架構設計

該系統設計以數據分層、分布式功能理念為基礎，構建功能多樣的信息化管理系統，為高校智慧教室的建設與運行創造物聯網信息系統，從而實現已有硬件與軟件功能的聯動與融合，并充分保證系統的升級可能，預留充足的功能接口滿足系統今后的發展要求。本系統的具體構造如圖1所示。

由上到下，本智能管理系統的框架結構可細分為四個不同的層次，具體內容如下所述：

1） 終端層。終端層面向具體服務，針對用戶決策需求提供相應的支持服務，并滿足用戶決策的數據與交互需求。在終端層的功能支持下，教室所擁有的各類多媒體工具以及傳感器設備將全面連通，并在管理系統的控制下實現智能化運行，從而構建其高效、便捷的智慧教室體系，創造一種全新的課堂教學模式。

2） 室內監控層。室內監控層面向應用，其主要功能是為物聯網技術系統的穩定運行提供必要的室內監控支持，具體實現對燈光、門窗、設備的智能檢測與控制，從而確保最佳的教室環境，營造良好的教學環境，有效提升課堂教學質量效果。

3） 中間層。中間層面向數據，其主要功能是為系統的正常運行提供必要的數據支持，包括數據存儲、數據分析、數據傳輸等數據管理服務，是系統運行的數據基礎。

4） 硬件層。硬件層面向物理前端，其主要功能是滿足智慧教室管理的具體要求，實現各類設備之間的有機整合，從而構建起完整的系統硬件體系，充分滿足管理系統運行的硬件需求。

2.2 系統網絡架構設計

在智慧教室管理系統中，物聯網應用的正常運行需要可靠的數據服務為支撐。數據服務器負責對采集到的數據信息進行存儲，并根據運行需要實現數據的具體使用。在控制系統中，允許管理者根據使用需要對數據采集、存儲規則進行設置，并為各類終端設備的智能控制提供數據支持。

在本智慧教室管理系統中，不同的終端可以通過無線數據傳輸網絡、校園網、互聯網等實現數據交互。數據交互網絡通過分布式方案進行部署，整體架構詳見圖2。根據各個功能模塊的具體功能的不同，本管理系統由數據采集、數據傳輸、數據處理、遠程控制等功能模塊構成。

在網絡架構環節，經過綜合分析應用需求與設計規劃，本智能管理系統的網絡架構采用三層網絡結構形式，網絡的具體類型包含以下三類：

1） 無線數據節點，主要為各類傳感器的數據采集與傳輸通道。監測對象以溫濕度、光照強度、CO2濃度等為主。

2） 無線數據傳輸網絡。

3） 數據路由器。主要功能是為各個傳感器的數據傳統提供一個統一的數據接口，實現傳感器采集到的數據能夠集中傳輸給數據中心，由數據中心統一負責分析和處理。

2.3 系統功能模塊設計

1） 教學模塊。本功能模塊的基本內容為觸控投影機、音箱、麥克風、問答器等教學用設備。通過各類現代技術設備的使用來取代傳統的黑板教學模式，從而降低粉塵污染，避免師生健康受損，同時能夠幫助教師擺脫黑板的限制和制約，能夠根據需要在不同的區域進行教學，提高了師生交互性，從而有利于提高課堂教學的互動效果。

2） LED顯示模塊。本功能模塊由數量不等的LED面板構成。根據教學需要選擇特定的構成方式并作為顯示屏安放于原黑板上部區域，其主要功能是對課程名稱、班級、教師、室內環境參數等信息的滾動式顯示。

3） 室內環境智能感知模塊。本功能模塊是智慧教室管理系統的核心功能，能夠根據傳感器采集到的數據信息對各類設備進行智能化控制，從而始終保持最佳的室內環境狀況。本模塊的基礎構件為各類傳感器、數據傳輸通道以及數據傳輸技術，能夠為智能系統的正常運行提供必要的數據支持。

4） 空調或換氣扇智能開啟與調節。良好的室內空氣質量是課堂教學質量的重要保證。因此，為了保持最佳課堂空氣質量，一般教室都配備了相應的通風透氣系統。空調、風扇、換氣扇等設備是通風系統的基礎構成，同時是智能化控制系統的主要控制對象。

對于通風透氣系統的智能控制需要根據空氣參數信息進行調節，主要參數為CO濃度、CO2濃度以及其他氣體組分濃度。系統通過對空氣傳感器所采集到的實時室內數據的分析，對通風系統的運行狀態進行調節，從而確保最佳的室內空氣質量。

5） 教室環境監控評價質量和系統工作狀態顯示。本模塊的主要功能是將教室環境參數實時反饋顯示在用戶終端，從而為用戶提供室內環境的實時參數，便于用戶對室內環境質量的整體了解。各類數據信息具體顯示在安裝于教室的顯示屏中，其主要內容包括課程、班級、教師、設備運行狀態等。

此外，本功能模塊還能夠為用戶終端的管理控制提供數據支持，并為各類控制終端的安裝部署提供數據接口，有效滿足了系統的升級與擴展需求。

3 高校智慧教室物聯網系統實現

具體以華南農業大學規劃容量為100人的教室為對象，開發設計的管理系統具備如下功能作用：

1） 室內環境智能感知。能夠實時采集室內環境參數信息，并將各類參數信息以動態數據的形式顯示于各類顯示終端上便于用戶的查看和了解。此外，傳感器采集到的數據信息需安全存儲，從而為查詢、分析提供有效支持。在具體使用過程中，用戶可以根據使用需要對智能控制的各項環境參數進行修改和調節，從而可以滿足不同使用環境下的智慧教室各項設備的自動控制，始終保持良好的環境質量。在室內環境監測感知模塊，主要借助DS18B20芯片完成室內溫度的實時監測與傳輸。endprint

2） 室內燈光設備智能控制。光照強度將直接影響學生在課堂中的學習效果。在光照強度采集模塊中，具體通過光敏電阻完成光照強度的采集與分析工作，并將獲取到的光照強度信息進行傳輸和分析，根據分析結果控制燈光，從而保證最佳光照效果。

光照傳感器采集到的實時數據將由系統進行分析，通過對比分析預設值對燈光的強度進行調節，從而有效保證了室內光照的合理性與舒適度，也為課堂教學創造了良好的環境，從而有利于教學效果的提升。

3） 室內門窗設備智能控制。根據對室內環境的監測結果，由系統自動完成門窗的開啟與關閉。在門窗開關狀態的自動控制環節，具體可以根據預設的時間參數以及教室內是否有學生的監測結果進行智能控制。

4） 室內空調或換氣扇智能控制。通風系統主要由空調、換氣扇等設備構成。根據傳感器采集到的氣體組分濃度結果，由系統對通風系統的運行狀況進行自動調節，從而保持良好的空氣質量。

5） 多媒體教學設備智能控制。根據教學需要，由系統對教室內各類教學設備的運行狀況進行調節，從而滿足各項教學工作的具體需要，充分發揮現代化教學設備的功能作用。

6） 軟硬件集成平臺。針對不同用戶實行權限管理，不同用戶的系統操作權限不同。

7） 借助攝像頭采集到的實時圖像完成學生人數統計分析工作，從而對出勤率進行統計分析。

4 結 語

本文研究具體以物聯網技術為基礎，開發設計一種針對高校教室科學管理的專業信息系統，實現物聯網技術應用同傳統教學資源的有機整合，為廣大師生創造最佳課堂教學環境，從而營造良好的教學氛圍，為教學效果的提升做出顯著貢獻。基于物聯網技術的智慧教室管理系統，能夠顯著提升高校課堂教學的科學性、現代化與信息化水平。

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