基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧教室管理系統(tǒng)設計

唐培　劉雅　瞿雨秋　陶曾杰

摘? ?要：隨著現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新型的科技技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新，各大高校的學習環(huán)境顯得尤為重要。而現(xiàn)在教學課堂環(huán)境依舊存在很多問題，如學生缺課、逃課、考勤、安全。通過設計采用與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)智能化、技術(shù)化、科技化為時代發(fā)展趨勢，來提高高校的教室信息化水平的管理、教育資源的充分使用。通過采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)+傳統(tǒng)的教學方式進行資源整合，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)之間的使用優(yōu)勢，構(gòu)建、開創(chuàng)一種全新、智能、高效的學習模式。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行智慧教室管理系統(tǒng)的設計與開發(fā)。

關(guān)鍵詞：智慧教室;物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);管理系統(tǒng)

目前大部分學校普遍采用的上課模式是粉筆+黑板、多媒體+投影儀以及其他移動設備，隨著國家大力發(fā)展教育，以及近年來我國的信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展[1]，我國開始提倡在智能化的環(huán)境下成長、學習。在此前提下，需要讓物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)的教學行業(yè)相互結(jié)合，進行一個深度的融合，創(chuàng)造一個新的發(fā)展生態(tài)的環(huán)境。

在現(xiàn)在的科學技術(shù)上，要想聯(lián)合“物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”，以及利用智能化技術(shù)來實現(xiàn)一個智能化的教學環(huán)境，以師生的思想相互結(jié)合，通過信息技術(shù)來促進教學環(huán)境的改善、教學質(zhì)量的提高，促進師生的相互交流溝通[2]。

1? ? 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智慧教室的設計

整個智慧教室的設計一共由3大模塊構(gòu)成：電器設備的控制、安保系統(tǒng)及考勤系統(tǒng)。（1）電器設備的控制：主要控制教室里的用電設備，通過多媒體計算機與各類傳感器進行一個全面連接，然后通過物聯(lián)網(wǎng)電器設備控制中心來對每個設備進行智能化的統(tǒng)一控制與運行。（2）安保系統(tǒng)：著重于對教室電器設備短路起火、易燃易爆物品引發(fā)的安全隱患加以清除，以及教室物品安全問題的管理。（3）考勤系統(tǒng)：通過建立一個數(shù)據(jù)庫、云計算來進行大數(shù)據(jù)分析。在考勤系統(tǒng)設立監(jiān)控層，主要目的是對各個設備進行監(jiān)控，同時對學生、老師上課的情況進行反饋。

1.1? 室內(nèi)電器設備的控制

通過物聯(lián)網(wǎng)+室內(nèi)電器設備體系，可以促進更加智能化、自動化的教室設備的實現(xiàn)，室內(nèi)電器設備控制框架如圖1所示。

1.1.1? 燈光控制系統(tǒng)

目前普遍采用白熾燈來進行教室的照明，功能相對比較單一，使用壽命短，耗電能較大。并且具有一個大的難題，即當教室沒人時，若忘記關(guān)燈，電量就白白地耗費掉了，造成能量的浪費。為了改善現(xiàn)階段教室白熾燈存在的不良情況，本研究結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)的白熾燈燈具，實現(xiàn)智能自動控制調(diào)節(jié)日常燈。

通過燈光控制系統(tǒng)來控制燈光的光和亮，利用室內(nèi)光照感應模塊、人體（熱）感應模塊、燈亮度調(diào)節(jié)模塊配套構(gòu)成的燈光控制系統(tǒng)。

（1）相對應的模塊：功能是室內(nèi)光照感應，主要的作用是對教室內(nèi)的亮度是否滿足正常上課所需亮度進行檢測。（2）人體（熱）感應模塊：當人走進教室時，熱感應器檢測到人體的溫度，再通過光照傳感器來檢測教室的采光度，若教室內(nèi)的光線比較暗，則燈光自動照亮教室。這樣能夠改善另一個問題：由于教室過大，且教室只有少數(shù)幾個人，整個教室的白熾燈是開著的，那就造成了浪費。本研究通過結(jié)合室內(nèi)光照感應模塊+光照強度感應模塊+人體熱感應模塊，并準確地判斷，確保燈光照亮人體感應的部分。這樣就能防止一個教室在只有少數(shù)人的情況下開啟所有燈光，解決電能浪費的問題。當沒有人在教室的時候，燈光電源就會自動關(guān)掉，更有效地節(jié)約用電。

1.1.2? 智慧教室風扇、空調(diào)控制系統(tǒng)

現(xiàn)在的風扇依靠人對開關(guān)與風扇檔位的調(diào)節(jié)。通過采用風扇、空調(diào)的智能控制系統(tǒng)，將風扇、空調(diào)進行電源的接通。風扇、空調(diào)控制系統(tǒng)由紅外線感應模塊+室內(nèi)溫度感應模塊+空氣感應模塊（干燥度、濕度）通過微處理器系統(tǒng)來進行數(shù)據(jù)分析。然后通過遠程智能終端來對風扇、空調(diào)自動進行數(shù)據(jù)分析，以實現(xiàn)自啟動。

首先對風扇、空調(diào)內(nèi)部進行時間、溫度設置。比如當教室室內(nèi)的溫度大于空調(diào)設置的預設溫度值。其次，如果感應到教室坐滿了人，空調(diào)就會自啟動。當室內(nèi)的溫度值低于空調(diào)的預設初始溫度值時，空調(diào)會一直處于不工作或者休眠的狀態(tài)。或者教室內(nèi)的人數(shù)較少，室內(nèi)的空氣溫度相對不是太熱，就自啟動風扇。通過這樣的方式，實現(xiàn)了風扇與空調(diào)的智能化應用，實現(xiàn)是開啟風扇還是開啟空調(diào)。這樣就能智能地節(jié)約電力資源，對教室進行降溫，減少炎熱，提高上課學習效率。

1.1.3? 窗簾控制系統(tǒng)

目前普遍的窗簾是通過人來對窗簾進行開關(guān)，這樣既不省時，也不省力。下雨時，如果整棟教室忘記關(guān)窗簾，那么多媒體教室、實訓室、機房等，都會造成巨大損失。所以，擬通過將普遍的門窗簾與物聯(lián)網(wǎng)進行結(jié)合來實現(xiàn)智能控制。

若使用這個設備，當室外下雨的時候，雨水感應裝置+空氣濕度檢測裝置+風檢測感應裝置共同檢測。當智能終端檢測到數(shù)據(jù)，微數(shù)據(jù)處理器就會實現(xiàn)教室、實訓室、機房的門、窗簾進行自動的關(guān)閉。這樣就最大程度地避免在沒有關(guān)窗戶的情況下，下暴雨時雨水飄到電腦控制室造成線路短路等安全隱患。

1.2? 智能防火防盜系統(tǒng)

綜合運用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)等新興信息技術(shù)[3]，將信息化與消防安全的業(yè)務工作進行深度融合，建立起各大校園防火災防盜體系。教室、寢室、教學樓防火防盜等系統(tǒng)的設計，保證學生和教師的生命財產(chǎn)安全，防火防盜系統(tǒng)框架如圖2所示。

在原有的火災自動報警系統(tǒng)的基礎上，加裝智慧用電安全探測器、智慧消防水源采集器（液位/水壓）、智慧消防射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）標簽、網(wǎng)絡視頻攝像頭等前端物聯(lián)探測設備[4]，通過有線或無線移動互聯(lián)網(wǎng)與智慧消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺相互聯(lián)系，構(gòu)建智慧校園物聯(lián)網(wǎng)消防遠程監(jiān)控系統(tǒng)[5]。

加裝智慧用電安全探測器、獨立式煙感報警器、可燃氣體報警器、簡易自動噴淋滅火裝置等，來構(gòu)建智能消防預警系統(tǒng)并實現(xiàn)自動滅火[6]。借助手機APP客戶端或者多媒體計算機，實現(xiàn)對維保單位消防設施狀態(tài)的實時監(jiān)測與異常信息推送及報警信息的快速反應。

1.3? 智能考勤管理系統(tǒng)

現(xiàn)階段各大高校的考勤主要依靠班級的學習委員進行點名，存在代課、朋友代答到的情況。這樣對于一些同學的考勤就存在很多的問題。基于此，本研究通過物聯(lián)網(wǎng)+云計算+互聯(lián)網(wǎng)來構(gòu)建一個物聯(lián)網(wǎng)智能考勤管理系統(tǒng)。

首先通過互聯(lián)網(wǎng)云盤構(gòu)建一個大數(shù)據(jù)庫。其次，以一個班級為單位來進行數(shù)據(jù)總采集，將收集到的信息錄入學校教務處學生考勤數(shù)據(jù)庫。最后，教務處將收集好的信息數(shù)據(jù)通過手機APP或者PC端口，在每個教室的監(jiān)控里面加入人臉識別系統(tǒng)。這樣就能在課堂上進行全方位掃描學生信息。將在課堂上的代課、缺課、逃離課堂的人員通過“智慧平臺”的人臉識別+云計算。將代課、缺課、逃課的人員信息，通過智能終端系統(tǒng)發(fā)出數(shù)據(jù)信號，將這個信號傳遞發(fā)至輔導員、教務處進行數(shù)據(jù)記錄。這樣就可以最大限度地提高學生出勤率。任課老師也能根據(jù)“智能平臺”的數(shù)據(jù)統(tǒng)計學生出勤的記錄，將學生出勤、考勤記錄，作為期末平時成績的一個重要憑證。

通過利用物聯(lián)網(wǎng)智慧教室的人臉識別功能，與手機信號探測儀加入人臉識別系統(tǒng)進行結(jié)合，就可以將上課玩手機的同學檢測出來，通過無線信號（互聯(lián)網(wǎng)）直接傳輸?shù)綄W工處，并納入學生的日常考勤系統(tǒng)。

通過將物聯(lián)網(wǎng)智慧+人臉識別+溫度熱感應+煙霧探測器進行結(jié)合，可以在教學樓（不準吸煙區(qū)）進行檢測，一旦檢測到學生在教學樓處抽煙，或者有損公共財產(chǎn)，能在第一時間鎖定同學，并納入學生學工處日常行為規(guī)范的考勤系統(tǒng)。

通過人臉識別系統(tǒng)+夜視顯示儀，運用于學校的街道、教室、走廊、操場、停車場，可以通過這個系統(tǒng)，對于學校的公共安全、財產(chǎn)安全提供強有力的保障，如果有盜竊行為，或者丟失手機、電腦等貴重物品，可以通過監(jiān)控查詢，能迅速鎖定嫌疑人所處位置，在最短時間內(nèi)解決事情。

2? ? 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧教室的開發(fā)與應用，教學環(huán)境可以變得智能化、人性化。通過物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)+云計算相互結(jié)合，實現(xiàn)教學質(zhì)量的信息共享、智能化資源相互共享，讓教室變得更加智慧。這些在小學、中學、高中、大學都非常適用，而且可以讓教室變得智能化，進一步提升廣大同學學習的效率，優(yōu)化教學的環(huán)境，能夠更好地開展教育和學習。

[參考文獻]

[1]王惠仙.大數(shù)據(jù)背景下高校智慧校園建設的探索與研究[J].科技風，2018，351（19）：82，91.

[2]葛寰中.建設高校師生信息網(wǎng)絡平臺促進高校教育教學[J].金融理論與教學，2013（4）：90-91.

[3]鄔賀銓.物聯(lián)網(wǎng)終將感知社會[J].機械設計與制造工程，2012，45（6）：24.

[4]陳能成，李丹丹，肖長江.基于物聯(lián)網(wǎng)GIS的消防智能巡檢系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].地理信息世界，2016，23（4）：71-75.

[5]保承軍，岳桂杰.云計算和物聯(lián)網(wǎng)在智慧校園系統(tǒng)構(gòu)建中的應用[J].自動化與儀器儀表，2014（3）：62-64.

[6]于洪波.簡論消防自動報警系統(tǒng)常用探測器、報警器在使用中的問題[J].智能建筑與智慧城市，2012（1）：75-78.

Design of intelligent classroom management system based on Internet of Things

Tang Pei， Liu Ya， Qu Yuqiu， Tao Zengjie

（School of Electronic Information， Hunan Institute of Information Technology， Changsha 410151， China）

Abstract：As the Internet of Things at this stage big data cloud computing such as the new development of science and technology innovation， universities in the learning environment is particularly important and is currently teaching classroom environment still exist many problems， such as： attendance of students absent classes security through the design. We adopt combined with Internet technology， to realize intelligent technology into the era of science and technology development trend， to improve the level of informatization of classroom management， improve the efficient education make full use of resources. By adopting the Internet of Things technology + traditional teaching methods to integrate resources， give full play to the use between the Internet of Things and the Internet， create and build a new intelligent and efficient learning model through the design and development of the intelligent classroom management system of the Internet of Things technology.

Key words：intelligent classroom; Internet of Things technology; management system