智慧教室3D模型的設計與實現

張世城，翟嘉琪

（鄭州輕工業大學計算機與通信工程學院，鄭州450002）

隨著信息時代的到來，物聯網和3D模型技術的興起，各大高校開始進行信息化、可視化校園教室建設。提出并實現一種智慧教室的設計方案及成果，借力物聯網的三層結構模型和ThingJS3D模型可視化技術，給出智慧教室的整體策略和體系架構，在智慧教室硬件布局、網絡通信和教室系統的平面構造、3D模型進行設計與實現。

智慧教室；ThingJS；物聯網；3D；IPv6

0 引言

目前大部分高校仍普遍采用傳統的上課模式，隨著國家大力推進教育，以及近些年來我國的互聯網技術、信息技術的飛快發展[1]，智慧教室應運而生，它是借助物聯網技術構建起來的新型教室。智慧教室的建設通過互聯網計算機技術，來增強教師對教室教學資源的利用和改善教師的教學手段并且能夠提高效率，為學生提供更好的教學環境。智慧教室不僅可以更好地服務于教學，而且對推進現代化教學的進行有深遠的意義。

本文在實現物聯網硬件的基礎上，使用ThingJS 3D模型技術，建立可視化智慧教室感知系統，實現對教室信息化、三維可視化、智能化的智能管理平臺，設計包含第一視角漫游教室、溫濕度監測、在線視頻監控等全方位智能感知的安全教室。

1 ThingJS簡介

ThingJS是一個物聯網可視化PaaS[2]開發平臺，可以高效地輔助開發者集成3D可視化的界面。ThingJS是基于JavaScript語言進行開發的在線開發平臺。它不僅可以針對單棟或多棟建筑組成的園區進行場景可視化開發，當搭載豐富插件后，它也可以針對城市級別的場景進行設計與開發。ThingJS可以應用于數據控制中心、倉庫存儲、學校、醫院、消防等多種領域。

物聯網分為感知層、網絡層、應用層，其中3D界面的開發主要運行在應用層。ThingJS可以極大地降低3D界面開發的成本。

2 智慧教室的需求與設計

2.1 智慧教室的設計理念

智慧教室是一個教室動態發展過程中的一個概念，其設計與建設和社會的整體信息科學技術水平密不可分。根據智慧教室的主要功能需求，智慧教室重點要突出“智慧”上面，教室需要采用各種先進的軟硬件設備，對教室進行智能化管理，實時可視化的檢測教室動態。使老師和學生可以在一個舒適的環境中輕松的訪問和獲取資源，同時也方便教室管理者清晰地了解教室情況[3]。

2.2 智慧教室的設計要點

（1）信息化

智慧教室應與學校的教務管理系統、一卡通系統，以及學校的教學資源和校外的有用資源相結合，實現智慧教室與學校資源系統的對接[4]。達到信息共享和信息的互通互聯。

（2）三維可視化

教室管理者能清晰可視化的看到教室的使用情況，能遠程查看并控制教室內設備，對教室資源有一個充分的利用[5]。

（3）智能化

利用物聯網技術和相關技術實現對教學設備教室本地和控制中心的雙管理，遠程、自動化的控制有效成本降低管理成本；無線投射技術方便移動終端等信息的交互，方便學習者的分享與交流。

2.3 智慧教室的開發流程設計

該智慧教室智能感知平臺的設計主要分為五個部分。首先，由（模模搭）搭建工具對教室的場景進行搭建，然后上傳至ThingJS平臺進行在線開發，經由STM32開發板采集所需要的數據信息后通過OneNET[6]物聯網平臺對所采集到的數據進行儲存和轉發，最后對數據進行可視化展示。開發流程示意圖如圖1所示。

圖1 開發流程示意圖

3 智慧教室3D模型的實現

3.1 場景搭建

智慧教室的物理空間布局要在充分體現信息化、三維可視化、智能化的基礎下，對傳統教室里進行改造。智慧教室基礎布局如圖2所示。教學設施布局：根據教研需求和教學安排，課堂要體現互動交流性，桌子可擺成圓桌型，智慧教室在教室四面墻配有一個主屏幕（大尺寸觸控液晶屏）和三個輔屏幕；實現常態化錄播功能，自動跟蹤教師行為，采用不同的攝像頭跟蹤錄播，自動生成教學資源；實現人臉識別簽到或者記錄學生上課狀態（如抬頭率、舉手率），在智慧教室黑板上裝置高清攝像頭，生成行為數據[7]。

圖2 智慧教室2D硬件布局

本次設計的校園智能感知平臺就是通過Cam-Builder來搭建的。CamBuilder搭建的3D場景會自動同步到ThingJS平臺，用戶可直接在ThingJS網站引用這些3D場景進行基于Web的3D可視化應用開發。這里根據教室實際所需構建模型，圖3為教室3D可視化場景構建效果圖。

圖3 教室3D可視化場景

此外，在場景搭建中，要對場景內所用的到的物體進行屬性設置，以便于下一步應用的在線開發，例如，UserID、Name、是否預覽隱藏、是否預覽時可選、是否接收數據，等等。如圖4所示為課桌的屬性設置信息示例。

圖4 課桌的屬性設置信息示例

3.2 在線開發

場景搭建完成后，保存教室的場景實時同步到ThingJS平臺，通過其提供的API進行開發。

當啟動ThingJS系統時，通過app.create創建教室物體，加載搭建好的場景。“app”作為ThingJS功能庫的入口，提供了該教室智能感知平臺的功能：

（1）地圖定位：通過app.addControl()添加小地圖控件；

（2）教室漫游：通過“第一人稱行走”控件，對其進行交互模式控制，如前進、后退、左右移動、跳躍、碰撞檢測等；

（3）在線監控：將視頻頁面作2D界面元素，通過快捷界面庫panel的iframe組件進行添加。

3.3 數據采集及轉發

這里智慧教室的數據的采集由STM32開發板和DHT11溫濕度傳感器來完成[8]。STM32開發板是在含有Wi-Fi單元的基礎上封裝好的開源IoT開發板；DHT11是一個與8位單片機相連接，內含電阻式感濕元件和NTC測溫元件的復合傳感器。為保證各個技術設施都能正常的進行通信，智慧教室的所有功能都是搭建云端上的，智慧教室的感知數據傳輸、處理、使用的網絡結構功能，如圖5所示。

STM32采集DHT11溫濕度傳感器數值完成后，需要將其發送到云端的MQTT云服務。MQTT[9]協議是一個即時通信協議，可以實現設備之間的消息單播以及組播。智慧教室智能感知平臺選擇的是支持該協議的中國移動OneNET云平臺。由于采用的是STM32[10]加Wi-Fi的開發板，可以分配IPv6的地址，也方便過渡下一代互聯網。

圖5 網絡傳輸結構圖

3.4 展示數據

該部分主要是通過CamBuilder搭建出的教室場景對數據進行可視化展示。場景接入ThingJS功能庫后，將一系列傳感器所獲取的數據，通過“URL”將OneNET的數據展示在3D教室內部。數據的主體為實時監測所得的教室內溫濕度，此外，還可以對該環境下的歷史數據進行查看。如圖6所示為教室內溫濕度展示數據主面板。

圖6 展示數據主面板

同時還可以查看或開關智慧教室內的監控，可通過左上角打開關閉畫面。圖7為實時監控視頻畫面。

圖7 實時監控畫面

4 結語

本文利用物聯網萬物互聯的理念，以JavaScript和Lua為基礎語言，以ThingJS和OneNET為物聯網PaaS開發平臺，通過Web3D技術實現對教室信息化、三維可視化、智能化的智能管理平臺，設計并成功實現了包含第一視角漫游教室、溫濕度監測、在線視頻監控等全方位智能感知的智慧教室系統。