基于物聯網技術的高校智慧教室系統設計

摘要：傳統高校課堂教學存在管理困難、課堂互動方式單一、學生課堂行為難以量化等諸多問題。為解決上述問題，各大高校采用物聯網技術設計出輔助高校課堂教學的智能化、規范化、標準化智慧教室系統。文章以某學院的智慧教室系統建設為例，主要從智慧教室功能需求設計、智慧教室分層架構設計、智慧教室核心模塊實現等方面闡述基于物聯網技術的高校智慧教室系統設計，為學院其他專業智慧教室建設提供借鑒，可進一步推廣智慧校園建設。

關鍵詞：物聯網技術；智慧教室；系統設計

中圖法分類號：TP391文獻標識碼：A

Design of smart classroom system in colleges and universities based onInternet of things technology

WU Chengli

（Beijing Taiji Information System Technology Co.，Ltd.， Beijing 100102，China）

Abstract：There are many problems in traditional college classroom teaching， such as managementdifficulties，single classroom interaction methods，and difficulty in quantifying students' classroombehaviors.In order to solve the above problems， major colleges and universities have used the Internetof Things technology to design an intelligent，standardized and standardized smart classroom systemto assist classroom teaching in colleges and universities.Taking the construction of a smart classroomsystem in a certain college as an example， the article mainly elaborates the smart classroom systemdesign in colleges and universities based on the Internet of Things technology from the aspects ofsmart classroom functional requirements design， smart classroom layered architecture design，andsmart classroom core module implementation， so as to provide reference for the construction of smartclassrooms，which can be further promoted to the construction of smart campuses.

Key words： Internet of things technology， smart classroom， system design

1 引言

智慧教室作為教育智能化發展的必然產物，在物聯網等新技術持續創新和發展的背景下，高校教室管理逐漸呈現出信息化和系統化的發展趨勢[1]。智慧教室通常是指基于新的教學工具（尤其是高科技軟件、軟件技術的應用）創建智慧的教室管理系統。為了充分利用物聯網的技術優勢，全面提高高校教室的信息化水平，可以將最新的互聯網技術與傳統的高校教室管理模型有機地結合在一起，即開發基于物聯網技術的智慧教室信息管理系統，以全面提高教室管理效率，真正體現教室的綜合價值，創建更好的教學環境。作為信息技術與教育教學相融合的典型代表，高校智慧教室建設近年來迅速發展，旨在從營造教學環境、變革教學理念、創新評價方式等維度，重構人才培養體系，助力教學改革。

2 高校智慧教室的建設現狀

智慧教室是智慧校園的重要組成部分，智慧校園的相關標準也給智慧教室的建設提供了很多參考[2]。很多國家都推行了本國的智慧校園建設標準，其中英國、印度、馬來西亞等國家的相關研究成果頗豐，如馬來西亞教育部“智慧學校計劃”中出臺的《馬來西亞智慧學校資格標準》和英國的《BECTA 智慧學校自查框架》都是較為成熟的智慧校園建設標準。我國也于2018年出臺了智慧校園建設的相關標準，其中《智慧校園總體框架》（ GB/T36342?2018）從管理、教學、培訓、建設等多個角度，較為全面地規范了智慧校園的建設標準，也為智慧教室建設提供了參考。

國外早期對于智慧教室的建設標準大多從設備配備即硬件環境入手，Rescigno 于1980年建立了最早的智慧教室模型，他在傳統教室的基礎上，嵌入個人計算機、交互式光盤視頻節目、閉路電視、VHS 程序、本地區域網絡和電話調制解調器，這也是早期智慧教室建設參考的一個主要標準。2010年，美國制訂了《洛杉磯社區學院學區視音頻智慧教室信息技術標準》 （ LACCD? AV? Smart? Classroom? Information Technology Standards），對智慧教室的建設標準進行細化，是最早由公立單位制定的智慧教室建設標準。在有了明確的智慧教室建立標準后，各國也涌現出一批較為成功的案例，如蘋果公司的明日教室、麥吉爾大學的智能教室以及斯坦福大學的 IROOM 等優質智慧教室。

2021年，北京市高等教育學會參照《智慧校園總體框架》（ GB/T 36342?2018）、《多媒體教學環境設計要求》（ GB/T 36447?2018）、《學校課桌椅功能尺寸及技術要求》（ B/T 3976?2014）等規范性文件，制定了高等學校智慧教室建設的總體框架的團體標準—《高等學校智慧教室建設技術要求》（ T/BAHE?202001）。該標準提出智慧教室的建設應秉承“統籌、集約、綠色、發展、開放、共享、安全”的原則，根據實際情況按需建設，對于高等院校智慧教室的總體框架應包括：基礎設施、數據服務、支撐平臺、業務應用、應用終端、技術規范與保障體系、網絡和信息安全體系。

3 高校智慧教室典型技術框架結構

3.1 智慧教室集控服務平臺

智慧教室集控服務平臺主要負責對所有的智慧教室以及內部的各種硬件和軟件設施進行控制和管理，并提供不同的管理服務。該服務平臺主要是校園教務處或者是教學指揮中心，負責儲存全校智慧教室的設施設備，在這些設施運行的過程中，服務平臺也會實時進入運行狀態，收集各項參數以及不同的教學資源，這些信息同樣會服務于高校智慧教室的發展。智慧教室疾控服務平臺處于校園各種智慧技術后臺管理的中心地位，控制著所有的智能化技術，因此它需要大量不同類型的設備和系統來保障平臺的運行。

3.2 智慧教室中控主機

智慧教室中控主機，也稱之為智慧管理中心或智慧教室管理中心，區別于傳統多媒體教室的中控主機，它具有更強的融合性，對多種多媒體設備進行聯合控制，在管理和控制上的功能更加優化，不僅能夠統一控制所有的智慧教室設備，還能夠獨立控制智慧教室的中控臺。同時，它也是智慧教室服務平臺的一部分，保證各個教室的客戶端設備能夠在平臺的支持下，做好核心主機的控制與管理工作。但是，國內智慧教室的中控主機沒有統一的標準，大部分情況下都是廠商自主研發，以基本的 OPS 為主鍵核心，這同樣是高校智慧教室常見的中控主機。

3.3 智慧教室操控面板

類似于傳統多媒體的中控面板，智慧教室操控面板主要是通過單口的方式與智慧教室的主機進行連接。在機械的基礎操作下，智慧教室操控面板在材料選擇方面還增加了液晶平板模式，除了傳統的多媒體設備控制類型的面板，還融合了根據不同環境進行控制的面板，能夠進一步發揮智慧教室控制面板的優勢。其中，對于平板的控制面板所用到的軟件，不僅能夠實現點線面結合，還能在控制面板功能鍵上設置更加完善的系統，實現控制面板的開關、切換、調控等功能。進一步優化智慧教室操控面板，可以完善各項功能，也可以提升智慧教室技術水平。

4 智慧教室分層架構設計

智慧教室系統以物聯網4層模型架構為基礎搭建而成。該系統利用各層級提供的接口，可以實現設備間的信息傳遞，并對采集的數據進行處理、分析，完成與用戶終端間的交互。

智慧教室系統架構由底層至頂層包括感知層、網絡層、平臺層和應用層[3]，如圖1所示。整個系統的設計充分發揮了分層架構設計的優勢，提高了系統設計的靈活性、自主性及可擴展性，可進行應用需求的個性化定制及未來應用需求的擴展、補充。

（1）應用層。應用層為用戶提供豐富的物聯網應用，可滿足各類用戶的不同需求。應用層與平臺層直接對接，將平臺處理、加工的數據，以定制化應用的方式提供給用戶。智慧教室系統中的終端設備主要通過物聯網應用為用戶提供服務。

（2）平臺層。平臺層作為硬件與軟件間的層面，打通了物聯網從設備采集信息到上層應用與用戶交互的全過程。物聯網平臺具備各類云計算服務的能力，可使用開放接口為設備采集的數據提供處理、分析服務，為上層應用業務與設備數據采集的交互、融合奠定了基礎。

（3）網絡層。網絡層是智慧教室內數據信息傳輸的網絡硬件基礎，其數據信息傳輸方式主要包括有線傳輸與無線傳輸。智慧教室系統中使用路由器、無線路由器、交換機、光載無線交換機以及 ZigBee 協調器等設備，可以構建出有線網絡與無線網絡融合的物聯網。

（4）感知層。感知層是整個智慧教室系統中數據采集、接收的設備基礎，主要包含火焰傳感器、煙霧傳感器、光敏傳感器等傳感器，以及移動終端、視頻監控攝像頭、空調和智能開關等智能設備。

5 智慧教室核心模塊設計

5.1 智能設備的部署與網絡構建

部署智慧教室內的智能設備時，需要具有完善的網絡通信、供電等基礎設施與安全、可靠的設備工作環境，并要保證室內網絡的高速、穩定、全方位覆蓋。各類傳感器設備對數據傳輸的可靠性、安全性要求高，須采用低功耗、高安全、高可靠的 ZigBee 模塊接入傳感器設備，以 ZigBee 協調器為中心節點構建星型網絡拓撲結構。移動終端、空調、智能開關等智能設備內置有Wi?Fi模塊，可利用無線路由器、光載無線交換機等設備構建Wi?Fi無線局域網。視頻監控攝像頭上傳的視頻數據對網絡帶寬及穩定性要求較高，可采用有線網絡直接接入方式，保證數據的實時傳輸。

將室內原有的路由器、交換機等設備與 ZigBee 協調器、光載無線交換機等設備連接，如圖2所示，整合出一套融合有線、無線網絡為一體的全新物聯網布局。

5.2 通用物聯網平臺接入

智慧教室系統內設備采集的數據信息量龐大，需要接入通用物聯網平臺。通過平臺內的云計算服務，完成一系列的數據整合、加工、處理工作。

針對攝像頭實時采集的視頻數據傳輸帶寬占用大的特點，可采用 REST/HTTP 協議接入物聯網平臺，確保視頻數據高質量、高速率傳輸。其他設備采集的數據傳輸量小、開銷小，可集中經路由器收集、轉發，以消息隊列遙測傳輸（ Message? Queuing? Telemetry Transport，MQTT）協議接入云平臺。

通用物聯網平臺連接設備前，需要在云平臺中創建項目并添加云端設備，將云端設備的鑒權信息寫入外部設備后，可利用平臺內的 SDK 對設備進行開發。云平臺和設備間一般以消息發布或訂閱模式來完成消息分發。消息經過規則引擎的過濾后，可轉發至不同的數據目的地，進而利用各類云計算服務進一步計算處理。

5.3 移動端應用設計

智慧教室移動終端應用設計采用 MVP （ Model? View?Presenter）架構模式，該應用主要包含用戶管理、翻轉課堂、教學管理、學情分析、教室情況以及設備管理等功能模塊，如圖3所示。移動終端應用依據用戶類型，設計出對應的功能模塊，確保能同時滿足教師、學生、管理人員以及維護人員等用戶對日常教學、人員管理和設備管理與維護等情景的不同需求。

6 智慧教室的后期維護與應急處理

智慧教室在日常使用中離不開電力、網絡等基礎設施，這類基礎設施的日常維護需要形成一套完整的維護、檢修體系，從而定期對智慧教室內的電線、網線等設備進行巡回檢查，并將檢查結果形成書面記錄，為智慧教室的日常維護提供制度保障。

由于智慧教室內所有智能設備過度依賴電力、網絡環境，教室的門窗等設備在配置上必須預留出機械控制閥，若突發險情，在電力系統、網絡系統癱瘓的情況下，可保證室內人員安全撤離教室。

7 結束語

智慧教室是現代教育技術發展的產物，是物聯網等新一代信息技術相融合的必然結果，也是教室形態發展的一個趨勢。將智慧教室從以“教”為中心轉移到以“創新能力培養”為中心，強調智慧教室整合各種資源，提供多種教學工具，支持教與學方式的靈活多變，支持豐富的學習體驗，利于交流、協作和共享，強調的不只是設備與技術的先進性，更是如何靈活應用技術來支持學習過程、增強學習效果。目前，人工智能技術日趨成熟，將來利用人工智能技術對學生日常行為和學習情況進行分析，根據學生自身特點量身打造出一套合適的學習方式將成為可能，人工智能技術的參與也有望引發新一輪教育教學改革。

參考文獻：

[1] 姚雪迎，張迎迎.“互聯網＋教育”背景下高校智慧教室建設研究[J].河北教育（綜合版），2021，59（9）：54?55.

[2] 王宇.基于模糊邏輯的高校多媒體智慧教室管理系統設計[J].現代電子技術，2021，44（12）：169?172.

[3] 林琪.互聯網時代高校智慧教室建設研究與探索[J].科技資訊，2021，19（17）：4?6.

作者簡介：

吳成立（1974—），本科，工程師，研究方向：計算機應用技術。