基于NB-IoT的課堂管理系統設計

陳林奎，徐 鶴

(南京郵電大學 計算機學院，江蘇 南京 210023)

0 引 言

隨著社會科技的發展和進步，在信息化教學的進程中，對于課堂的建設要求逐步提升，尤其是針對于課堂的實時監控具有很高的需求。由于教室分布在不同的教學樓中并且數量較大，且教學資源的監控管理以及學生的管理比較難以實現實時監測的問題，因此設計一套遠程實時監控系統方案來對課堂進行監測管理和配置，從而提高課堂管理效率以及促進現代課堂的發展。

物聯網的發展使得傳統課堂的管理效率大大增加[1]，傳統課堂上教師對學生進行考勤，教師必須叫學生姓名或要求在考勤表上簽名，這個過程將花費大量的時間。為了簡化教室管理、出勤跟蹤和課堂互動，利用室內定位、RFID(radio frequency identification)傳感器、壓力傳感器、Arduino微控制器和云端系統搭建了學生考勤監控系統及教室系統[2]。課堂管理系統不用使用過多的傳感器就可以自動檢查桌子是否被占用，學生的校園卡信息可以被RFID傳感器自動識別，可以從校園卡上讀取RFID標簽。此外，可以收集時間戳來分析學生遲到或提前離開的信息。

課堂管理系統基于物聯網技術而設計[3]，具有以下特點：首先，窄帶物聯網(narrow band internet of things，NB-IoT)技術具有成本低、大連接、覆蓋廣的特點[4]，可以為每間教室的每個座位安裝采集模塊實現快速部署；其次，傳統課堂上教師對學生的考勤往往花費大量的時間，采用基于NB-IoT技術的采集模塊，可以迅速完成課堂考勤任務；最后由于采用該系統可以對教室及圖書館的座位資源進行管理，可以實時查看資源的占用情況。該系統可以根據管理人員設定的報警閾值對采集到的異常信息進行報警，當上課缺勤人數、座位資源或者設備異常數據達到一定的閾值時，系統會及時通知管理者進行處理。

1 系統總體設計

基于NB-IoT通信技術的課堂管理系統主要由兩大部分組成：教室監測終端、監控系統。在教室中通過信息采集模塊將采集到的數據通過NB-IoT通信模塊發送至監控系統，系統對數據進行分析，供管理者查看。系統主要從兩個方面進行設計：首先是監控終端的設計，主要采用Arduino開發板控制電子器件采集外部信號來實時監測教室信息；其次是監控系統的設計，該系統主要是對監控終端上傳的數據進行處理，處理的結果以文字或圖形的方式展示給管理者。

課堂管理系統結構設計遵循物聯網體系結構的三層模型[5]，具體設計如圖1所示。

圖1 系統結構設計

最底層的感知層負責感知外界的信息，例如各種傳感器對外界信息的采集；中間的網絡層負責信息的傳遞；最頂層的應用層將傳遞過來的信息進行處理。

NB-IoT技術在信號覆蓋以及數據傳輸上具有極大的優勢，目前智慧家庭、車聯網、公用事業是運營商物聯網最佳行業切入點[6]，運營商需要更具競爭優勢的技術實現物聯網技術升級，而NB-IoT對比LoRa和Sigfox等通信技術有著很大的優勢，其帶寬消耗非常小，大約只有180 kHz的帶寬[7]，可以在GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡上直接部署[8]。NB-IoT具有高覆蓋、高容量、低功耗、低成本、更高的安全性和可靠性等技術優勢，具體描述如下：

(1)高覆蓋：NB-IoT有著極強的覆蓋能力，相比于LTE而言，其提升了20 dB的增益，覆蓋區域的能力提高了大約100倍[9]。

(2)高容量：在只使用到同一個基站的情況下，NB-IoT能夠接入的終端數量較現在的無線技術而言呈指數性增長。其中每一個扇區都支持海量連接，終端的連接數量大約支持十萬個。

(3)低功耗：根據理論計算NB-IoT，如果采用5 Wh的電池可以供終端使用10年。

(4)低成本：相較于LoRa而言[10]，NB-IoT終端工作信道帶寬較小，大約只有200 kHz，峰值速率要求降至100 kbps，相較于Rel-8時的Cat-4，成本可以降低85%。

根據以上NB-IoT的特點來看，其主要應用在高覆蓋、低功耗、低成本的場景之中。同時由于該技術對移動支持性較差，一般用于靜態場景中，如煙霧報警器、智能電表[11]、網絡命令的收發、軟件更新等。目前NB-IoT技術在積極的推進商用，萬物互聯的時代將在不久后到來。

RFID是一種通信技術，通過無線信號就可以完成對特定目標的識別并對相關數據進行讀寫操作[12]。該模塊主要對學生校園卡信息進行采集，采用MF RC522射頻識別模塊對校園卡進行讀取，然后將該模塊對接到Arduino開發板上完成該模塊的設計工作。RC522模塊與Arduino開發板采用同步串行的方式進行通信。其中Arduino開發板與RC522模塊分別工作在主模式下以及從模式下。

2 監測終端的硬件設計

用監測終端來實施監控節點設計實際上就是將課堂智能化、物聯網化，也就是將采集終端采集到的數據通過通信網絡傳送到監控平臺，可以讓觀測者實時準確地了解到課堂的情況，給課堂的管理帶來便利。監測終端的設計如圖2所示。

2.1 采集模塊

采集模塊包含RFID模塊以及定位模塊，其中RFID模塊選用MF RC522芯片，該芯片體積小，在Arduino開發板上可以很方便地進行擴展使用。學生的校園卡信息可以被該芯片快速讀取，只需要讀取校園卡的卡號即可對學生的身份進行識別。相比其他數據采集模塊，該采集芯片穩定性高、讀取距離遠、成本低、排線簡單[13]。

情境是教師展開教學活動的外部環境，有什么樣的教學情境就有什么樣的教學課堂。因此，要想構建一個生態化的小學數學課堂，就要還原數學知識產生或應用的生態情境，讓學生們在特定的情境中，充分調動自身的情感和經驗，完成知識學習目標。

圖2 監測終端的設計

定位模塊選用NEO-M8N定位模塊，該模塊尺寸較小，定位精度高，能夠接收高精度的北斗衛星信號[14]。芯片的工作電壓范圍與該監測系統的供電電壓相符，滿足文中硬件的設計需求。

2.2 主控模塊

在整個監控終端中主控模塊處于核心位置，首先是對采集模塊控制，發送采集命令到采集模塊進行數據采集。其次是將采集模塊采集到的數據按照規定好的通信協議進行編碼，最后控制NB-IoT通信模塊，將編碼好的數據發送至服務器，服務器對數據實時解析來實現監控終端的實時監測。

2.3 通信模塊

通信模塊采用移遠BC95模塊，主要功能是負責監控終端和監控平臺之間的數據聯絡，其不但要將主控模塊編碼好的數據發送到服務器上，而且負責將監控平臺下發的指令發送到主控模塊中，通過通信模塊的數據傳輸功能就可以遠程實現對終端的控制。

2.4 電源模塊

電源模塊提供了5 V直流電壓為監測終端提供電力，保障了監測終端的平穩運行，通常采用蓄電池來儲存電量。

3 監控平臺的設計

3.1 服務端設計

系統的監控平臺服務端基于B/S結構進行設計，在Win10系統下利用IDE工具Eclipse開發B/S架構Web系統，前端頁面利用Vue.js編寫，服務器后端則采用Node.js技術編寫，系統的數據庫用的是MySQL，該數據庫性能優異，適合系統的設計需求。通過在JSP頁面中加載數據庫驅動，連接數據庫，在JSP頁面中調用數據文件，實時監控采集系統的動態信息，可以迅速直觀地顯示當前教室的學生上課情況，管理人員可以根據不同的課堂情況采取相應的措施。監控平臺不需要人員長時間值守，當監測到教室出勤等異常情況，平臺會通過網絡發送信息給管理人員，以達到設備和人力資源最優化，方便工作人員對終端設備進行配置修改。監控平臺下發命令對終端采集系統進行配置，可以針對不同的教室環境狀況設置相適應的消息推送閾值。

監控平臺接收到采集設備上傳的數據后對該數據按照約定的協議格式進行提取操作，首先是提取設備的位置數據，調用地圖模塊來對設備進行定位。隨后對采集設備標志位進行提取操作，標志位主要分為兩種狀態：標志位為0的狀態，則表明監控終端當前工作正常，設備各模塊都按照設定正常運行，監控平臺將該數據存儲至數據庫中然后調用數據分析模塊對數據進行處理；標志位不為0的狀態，該狀態表明采集設備出現異常情況，平臺會將該異常信息及時通知管理人員，從而提醒管理人員對異常進行相應的處理。

監控平臺不僅可以對上傳的數據進行分析處理，還可以調用百度地圖對設備上傳的位置在地圖上進行標注，出現異常警告的設備還會被標注成藍色，管理者可以直觀地觀察設備的分布情況以及運行狀態。擁有相應管理權限的管理人員還能夠對監測設備進行參數設定，如監測設備的采集范圍、數據采集周期等指令，配置完成后監控平臺將下發休眠指令，主控模塊接收到指令后會控制目標終端進入休眠狀態，待終端更新完配置后會自動與監控平臺進行通信。

3.2 移動端設計

當前Android平臺為用戶提供了良好的開發操作界面，并已經在物聯網領域得到廣泛應用[15]。該文實現的移動端是基于Android平臺開發的，其中layout布局模塊為該APP界面設計所有的.xml布局文件，Android中的布局方式通常使用線性布局(Linear Layout)、相對布局(Relative Layout)、幀布局(Frame Layout)和表格布局(Table Layout)四種。在layout布局模塊中，通過Linear Layout與Relative Layout兩種布局方式相結合，主要使用Text View文本控件來設計該課堂監測系統APP。圖4為移動端數據頁面。

圖4 移動端數據頁面

4 系統測試

搭建測試平臺對課堂管理系統進行測試。在檢查好物聯網專用的SIM卡安裝正常并確定天線連接正常后，將準備好的5臺監測設備分別放在不同的位置上。假設當前總座位數為5，并隨機用校園卡進行測試；監控平臺選擇在阿里云上搭建，并安裝了MySQL數據庫；通過本地電腦接入互聯網即可遠程連接阿里云并對系統進行測試。圖5為監測設備RFID硬件實物圖。

圖5 硬件實物圖

在測試過程中，監測終端通過采集模塊不斷地對外界數據進行采集并上傳至監控平臺。監控平臺接收到數據后對數據進行分析，并將分析結果展示在頁面上。圖6為課堂管理系統中考勤統計頁面。

圖6 管理系統頁面

通過系統對監測終端上傳數據的分析后，從圖6可以看出最終的名單統計數據，各項數據均正常。如果存在數據異常，管理員還可以通過修改功能對數據進行修正。

采用考勤功能后，系統會自動按照設定好的采集參數進行數據采集，表1為考勤測試數據。經過多次的測試，系統會計算課堂的利用率，根據利用的座位數占總座位數的比重來計算。為了便于測試，其利用率每分鐘會計算一次，表2為課堂利用率數據。

表1 考勤測試數據

表2 課堂利用率測試數據

從表1及表2的數據可以得出，監測終端采集的數據雖然是實時的，但是經過系統的設置處理，使得在規定時間內只會有一組有效的數據，這讓課堂管理更加高效。在課堂利用率方面，通過系統的處理分析，管理者能夠清楚地看到課堂座位資源的使用情況，合理安排課堂人數。

5 結束語

基于NB-IoT的課堂管理系統能夠有效地提高課堂管理效率。該監測終端成本低、尺寸小、能耗低、上傳數據穩定適合在課堂中大量部署。監控平臺能夠對上傳數據進行分析展示，便于管理者對課堂的管理，對于異常的數據還能夠及時推送給管理者，這是物聯網技術與現代課堂結合的優勢。