基于人工智能的智慧教室平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳芳

摘 ?要： 為提高教室的多媒體智能交互和信息控制能力，提出基于人工智能的智慧教室平臺(tái)設(shè)計(jì)方案。智慧教室平臺(tái)采用遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和總線集成控制的智能設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用下位機(jī)集成信息處理方法進(jìn)行傳感信息處理，將多媒體教學(xué)信息通過(guò)集成信息處理端進(jìn)行總線傳輸和信息融合，在上位機(jī)模塊進(jìn)行智能通信設(shè)計(jì)。結(jié)合分散控制進(jìn)行交叉編譯操作，實(shí)現(xiàn)教室平臺(tái)控制指令實(shí)時(shí)傳輸和分布式存儲(chǔ)，在嵌入式環(huán)境下實(shí)現(xiàn)智慧教室平臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的智慧教室平臺(tái)具有很好的人工智能性和集成控制能力，信息的交互性較好，可靠性較高。

關(guān)鍵詞： 人工智能; 智慧教室平臺(tái); 信息交互; 集成控制; 嵌入式環(huán)境; RFID技術(shù)

中圖分類號(hào)： TN911.2?34; TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）09?0183?04

Design and implementation of intelligent classroom platform

based on artificial intelligence

CHEN Fang

（Information Construction and Laboratory Management Center， Ningde Normal University， Ningde 352100， China）

Abstract： The design scheme of the intelligent classroom platform based on artificial intelligence is put forward to improve the multimedia intelligent interaction and information control abilities of classroom. The intelligent design schemes of remote automatic control and bus integrated control are adopted in intelligent classroom platform， and the integrated information processing method of lower computer is used to process the sensing information. The multimedia teaching information is transmitted and fused in the integrated information processing terminal through bus， and the intelligent communication design is carried out by means of the upper computer module. The decentralized control is combined to perform the cross?compiling operation to realize the real?time transmission and distributed storage of classroom platform control instructions. The optimal design of intelligent classroom platform is realized in embedded environment. The test results show that the designed intelligent classroom platform has perfect artificial intelligence， integrated control ability and information interactivity， and high reliability.

Keywords： artificial intelligence; intelligent classroom platform; information interaction; integrated control; embedded environment; RFID technology

0 ?引 ?言

隨著多媒體信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智慧教室平臺(tái)的智能性研究受到人們的關(guān)注。在多媒體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架體系中進(jìn)行智慧教室平臺(tái)設(shè)計(jì)，提高教學(xué)平臺(tái)的人工智能性，智慧教室平臺(tái)的設(shè)計(jì)建立在物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)體系上，采用WiFi無(wú)線局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智慧教室平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋[1]。采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和RFID技術(shù)進(jìn)行信息采集和教學(xué)資源調(diào)度，在人工智能環(huán)境中實(shí)現(xiàn)智慧教室平臺(tái)的總線集成控制。在智慧教室平臺(tái)中，融合通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)教學(xué)設(shè)備和教學(xué)資源的網(wǎng)絡(luò)控制和遠(yuǎn)程集成控制，研究智慧教室平臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，能有效提高教學(xué)智能性水平，在教學(xué)實(shí)踐中具有很好的應(yīng)用價(jià)值[2]。

本文設(shè)計(jì)基于人工智能的智慧教室平臺(tái)。首先進(jìn)行智慧教室平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)，分析智慧教室平臺(tái)的三層結(jié)構(gòu)體系;設(shè)計(jì)智慧教室平臺(tái)的多媒體服務(wù)器和傳輸信令，將多媒體教學(xué)信息通過(guò)集成信息處理端進(jìn)行總線傳輸和信息融合;在上位機(jī)模塊進(jìn)行智能通信設(shè)計(jì)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行智慧教室平臺(tái)的集成開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì);最后進(jìn)行平臺(tái)測(cè)試，展示了本文設(shè)計(jì)的智慧教室平臺(tái)的人工智能性。

1 ?平臺(tái)總體設(shè)計(jì)構(gòu)架

智慧教室平臺(tái)建立在物聯(lián)網(wǎng)的三個(gè)層次（應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層）結(jié)構(gòu)體系基礎(chǔ)上。首先進(jìn)行智慧教室平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)，采用射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)進(jìn)行智慧教室平臺(tái)的原始信息采集，在總線傳輸模塊中進(jìn)行控制指令傳輸，在集成信息處理模塊中實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧教室平臺(tái)的串行總線控制，在Multigen Creator 3.2開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行智慧教室平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)[3]。教室平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)模塊建立在物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，以校園網(wǎng)、局域網(wǎng)作為智慧教室平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)層，采用Microsoft Visual Studio開(kāi)發(fā)組件進(jìn)行智慧教室平臺(tái)的TCP/IP協(xié)議開(kāi)發(fā)。設(shè)計(jì)的智慧教室平臺(tái)的功能模塊主要有電源模塊、人員考勤模塊、LED顯示系統(tǒng)、資產(chǎn)管理系統(tǒng)等。采用TCP/IP協(xié)議和UDP協(xié)議進(jìn)行智慧教室平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智慧教室平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)控制，設(shè)計(jì)中央集中控制器實(shí)現(xiàn)智慧教室平臺(tái)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信[4]。根據(jù)上述分析，構(gòu)建智慧教室平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 ?智慧教室平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1的總體設(shè)計(jì)構(gòu)架分析，智慧教室平臺(tái)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)采用局部總線控制方法，在嵌入式環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行系統(tǒng)的硬件開(kāi)發(fā)，結(jié)合嵌入式ARM處理器進(jìn)行智慧教室平臺(tái)的集成設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)控制。智慧教室平臺(tái)的硬件模塊包括傳感器模塊、集成控制模塊、總線模塊、接口模塊和電源模塊[5]，采用Mesh網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方法進(jìn)行智慧教室平臺(tái)各種設(shè)備的輸入輸出控制和集成處理，得到智慧教室平臺(tái)的功能模塊組成如圖2所示。

圖2 ?智慧教室平臺(tái)的功能模塊組成

2 ?平臺(tái)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)

2.1 ?開(kāi)發(fā)環(huán)境描述

智慧教室平臺(tái)采用遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和總線集成控制的智能設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)的智慧教室平臺(tái)建立在Multigen Creator 3.2和嵌入式的ARM開(kāi)發(fā)環(huán)境下，采用DSP和RAM作為智慧教室平臺(tái)的核心處理器[6?7]，采用嵌入式ADSP21160處理器設(shè)計(jì)中央處理器模塊進(jìn)行智慧教室平臺(tái)的智能信息處理和集成信息分析。設(shè)計(jì)微處理器進(jìn)行智慧教室平臺(tái)的輸出接口控制和多媒體控制，實(shí)現(xiàn)智慧教室控制的集成信息處理。將多媒體教學(xué)信息通過(guò)集成信息處理端進(jìn)行總線傳輸和信息融合，在上位機(jī)模塊進(jìn)行智能通信設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的智慧教室平臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)如下：

1） 建立VIX總線模塊進(jìn)行控制指令的集成調(diào)度和傳輸。智慧教室平臺(tái)的主頻為24 MHz，平臺(tái)的設(shè)計(jì)功率為5 kW，功率放大倍數(shù)為80 dB。

2） 總線控制的采樣率[>200] kHz，教室平臺(tái)進(jìn)行多媒體控制的D/A分辨率不低于12位。

3） 設(shè)計(jì)RFID考勤機(jī)，RFID進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的分辨率為13 dB左右，具有遠(yuǎn)程考勤和標(biāo)簽識(shí)別功能，輸出靜態(tài)功率損耗為20 W。

4） 設(shè)計(jì)特高頻RFID讀卡器進(jìn)行誤差控制，得到輸出誤差級(jí)12 dB

再結(jié)合智慧教室平臺(tái)的需求分析與系統(tǒng)功能分析，進(jìn)行智慧教室平臺(tái)的硬件模塊化設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)。

2.2 ?智慧教室平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智慧教室平臺(tái)上位機(jī)模塊可進(jìn)行智能通信設(shè)計(jì)。結(jié)合分散控制進(jìn)行交叉編譯操作，采用ADSP21160處理器作為核心處理芯片，在嵌入式ARM處理器控制下進(jìn)行智慧教室平臺(tái)的核心功能模塊開(kāi)發(fā)[9?11]。建立VIX總線控制指令進(jìn)行智慧教室平臺(tái)的總線傳輸調(diào)度設(shè)計(jì)，構(gòu)建交叉編譯模塊進(jìn)行程序編譯。智慧教室平臺(tái)的子系統(tǒng)分別包括教學(xué)系統(tǒng)、LED顯示系統(tǒng)、人員考勤系統(tǒng)、資產(chǎn)管理系統(tǒng)、空調(diào)控制系統(tǒng)和燈光控制系統(tǒng)等。

設(shè)計(jì)的智慧教室平臺(tái)的硬件模塊分別描述如下：

1） 教學(xué)系統(tǒng)。教學(xué)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧教室平臺(tái)的多媒體教室資源管理和控制功能，采用ISA/EISA/Micro Channel擴(kuò)充總線進(jìn)行智慧教室平臺(tái)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，以ADSP?BF537BBC?5A作為程序控制器進(jìn)行遠(yuǎn)程信息采集和智慧教室平臺(tái)的教學(xué)資源管理[12]，得到智慧教室平臺(tái)的教學(xué)系統(tǒng)子模塊設(shè)計(jì)如圖3所示。

2） LED顯示系統(tǒng)。LED顯示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智慧教室平臺(tái)的教學(xué)信息LED顯示功能，其LED顯示的時(shí)鐘頻率為22 MHz或24 MHz，采用32位或64位的LED時(shí)鐘控制總線實(shí)現(xiàn)智慧教室平臺(tái)輸出信息的LED顯示[13]。總線主控的口將CPU子系統(tǒng)與外圍設(shè)備分開(kāi)，LED顯示系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖3 ?智慧教室平臺(tái)的教學(xué)子系統(tǒng)模塊開(kāi)發(fā)

圖4 ?智慧教室平臺(tái)LED顯示系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3） 人員考勤的RFID系統(tǒng)。人員考勤系統(tǒng)采用串行總線控制方法進(jìn)行人員考勤管理，采用RFID進(jìn)行人員考勤射頻識(shí)別，采用PCI，ISA及MCA指令控制方法實(shí)現(xiàn)智慧教室平臺(tái)的信息集成配置和I/O口設(shè)計(jì)[14]，得到人員考勤RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 ?人員考勤系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

4） 空調(diào)控制系統(tǒng)和燈光控制系統(tǒng)。空調(diào)控制系統(tǒng)和燈光控制系統(tǒng)采用ARM嵌入式微處理器進(jìn)行集成控制，結(jié)合分散控制進(jìn)行交叉編譯操作，實(shí)現(xiàn)教室平臺(tái)控制指令實(shí)時(shí)傳輸和分布式存儲(chǔ)，采用CPLD設(shè)計(jì)空調(diào)控制系統(tǒng)的控制接口，設(shè)計(jì)PCI接口實(shí)現(xiàn)燈光控制，采用AMCC公司的AMCCS5920進(jìn)行空調(diào)控制系統(tǒng)和燈光控制系統(tǒng)的輸出接口設(shè)計(jì)，得到系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)電路組成如圖6所示。

圖6 ?智慧教室平臺(tái)控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

綜上分析，基于人工智能設(shè)計(jì)方法可實(shí)現(xiàn)智慧教室平臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 ?平臺(tái)性能測(cè)試

在PCI9054仿真平臺(tái)中測(cè)試本文設(shè)計(jì)的智慧教室平臺(tái)的系統(tǒng)穩(wěn)定性。測(cè)試的時(shí)鐘總線傳輸速率為100 MB/s，采用200 MB/s的LOCAL總線進(jìn)行指令傳輸控制，采用8個(gè)32位Maibox寄存器實(shí)現(xiàn)智慧教室平臺(tái)的PCI配置和I/O端口的中斷設(shè)計(jì)。根據(jù)上述測(cè)試環(huán)境描述，分析智慧教室平臺(tái)進(jìn)行信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，得到測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 ?智慧教室平臺(tái)的性能測(cè)試

分析上述結(jié)果得知，采用本文設(shè)計(jì)的智慧教室平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)信息傳輸和控制，具有很好的傳輸準(zhǔn)確性和控制性，信息的交互性較好，可靠性較高。

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

在多媒體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架體系中進(jìn)行智慧教室平臺(tái)設(shè)計(jì)，可提高教學(xué)平臺(tái)的人工智能性。智慧教室平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)模塊建立在物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，平臺(tái)的主要功能模塊主要有電源模塊、人員考勤模塊、LED顯示系統(tǒng)、資產(chǎn)管理系統(tǒng)等。采用RFID進(jìn)行人員考勤射頻識(shí)別，空調(diào)控制系統(tǒng)和燈光控制系統(tǒng)采用ARM嵌入式微處理器進(jìn)行集成控制，結(jié)合分散控制進(jìn)行交叉編譯操作，實(shí)現(xiàn)智慧教學(xué)平臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究得知，本文設(shè)計(jì)的智慧教學(xué)平臺(tái)具有很好的人工智能性和集成控制能力。

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