基于物聯網的教學設備遠程集群智能控制系統研究

鄭彩英，張 偉，孫紅科

（山東信息職業技術學院，山東 濰坊 261000）

0 引言

隨著智慧校園的發展，大批多媒體教學設備進入校園。多媒體教學設備作為教學科研的重要保障，其智能化的運維管理一直是智慧校園的重要組成部分。在實際的使用過程中，多媒體教室教學設備種類多、分布廣，但由于缺乏信息化的管理方法，導致多媒體教學設備的使用率低下、使命壽命減少、使用效果不佳。傳統的儀器設備管理模式已不能發揮對教學科研工作的積極支撐作用［1］。物聯網技術作為當今一項主流技術在各領域都得到了廣泛的應用。物聯網技術能夠極大地促進高校信息化技術的發展，實現高校校園智慧化管理［2］。物聯網利用各類傳感器進行物品識別，實現物與物、人與物之間的信息共享的特點為多媒體教學設備的智能管理提供了借鑒。［3］。本文利用微控制技術和物聯網技術，構建遠程多媒體教學設備智能運維管理系統，實現多媒體教學設備故障即時檢測及實時智能控制，為智慧校園多媒體教學設備提供科學管理方案以及個性化數據咨詢，助推智慧校園發展。

1 多媒體教學設備使用管理現狀

1.1 管理意識薄弱

我國高職院校多媒體教學設備管理普遍存在“重購置，輕維修”“重使用，輕管理”的現象。在實際的管理服務中，學校片面強調設備的先進程度和教學功能，忽視后期的管理和運維，導致設備的可擴展性和可維護性差。

1.2 管理方法落后

多媒體教學設備的日常管理仍大量存在傳統手工作業模式。教學設備管理水平滯后且效率低下，缺乏智能化的管理方式。維護管理僅依靠管理人員的經驗，缺少基于大數據下的綜合分析研判，導致多媒體教學設備管理效率低、自動化維護水平差、設備維護成本高。

1.3 操作使用不規范

多媒體教學設備操作使用不規范是管理維護過程中存在的重要問題。使用者未經過專業培訓指導，操作設備較為隨意，往往存在使用前不做常規檢查、使用時不遵守操作規程、使用后不及時關閉設備、不填寫使用記錄等現象，導致多媒體教學設備的故障率增加，設備的使用壽命降低。同時，學校缺少對多媒體教學設備的分類管理意識，對不同類型的設備沒有區分維護，對多媒體教學設備的日常管理養護不到位。

1.4 管理人員不足

部分高職院校未設置專職設備管理維護崗位，多媒體教學設備維護管理人員嚴重不足。學校專職管理人員比例較低，很多管理人員還肩負教學、行政等多項工作，身兼數職，管理水平、專業技能水平參差不齊。加之學校缺少智能化的管理系統，管理人員依靠傳統的管理手段，維護環節多、工作量大，容易出現紕漏。

1.5 管理制度不完善

科學完善的管理制度是工作開展的重要前提。部分高職院校未構建完備的多媒體教學設備管理制度，在多媒體教學設備管理過程中，缺乏標準的管理流程和管理標準。管理人員責任分工不明確、評價機制建立不完善、考核制度執行不嚴格，多媒體教學設備管理制度不科學、不系統、不規范。

基于此，將大數據物聯網技術和微控制技術深度融合，構建多媒體教學設備智能運維管理系統，能夠有效地解決傳統管理模式中存在的弊端。管理人員通過移動終端，在校園無線網覆蓋的范圍內，實時了解分布在各個樓宇的多媒體使用情況，借助主控電路實現對多媒體教學設備的遠程智能控制及實時故障檢測。這提高了管理效率，保障了學校教學科研工作順利開展。

2 物聯網技術介紹

2.1 物聯網技術簡介

物聯網是通過各種類型的傳感器、紅外感應器、RFID射頻識別技術、GPRS定位技術等多種設備及技術，收集各類聲音、光照、電信號、生物、化學等數據信息，借助網絡等傳輸途徑，實現物物、物人等的連接，用以達到交互信息、共享連接以及對物品的智慧化管理［4］。其功能實現主要是利用傳感器技術以及RFID射頻技術采集原始數據，數據信息加工后通過網絡傳輸，后通過大數據等技術進行數據處理分析，最終實現系統功能［5］。

2.2 物聯網技術中的關鍵技術

2.2.1 傳感器技術

傳感器技術是物聯網系統應用中的核心技術。計算機可將傳感器采集到的各種類型的模擬信號轉換為數字信號，以便計算機進行下一步的運算處理。

2.2.2 RFID技術

RFID標簽是傳感器技術的一種，該技術是一種綜合技術，包含無線射頻技術和嵌入式技術。其應用十分廣泛，經常應用于產品溯源、物品識別及商品物流運輸的全過程管理。

2.2.3 嵌入式系統技術

嵌入式系統技術是一項綜合性技術，包含計算機硬件技術、計算軟件技術、傳感器技術、集成電路技術等多種復雜技術。單片機編通過寫程序來執行相應任務。

2.2.4 人工智能技術

人工智能技術是計算機模擬延伸人的思維過程、學習行為、推理規劃等智能行為的科學技術。在物聯網中，人工智能技術主要通過在物品中嵌入系統，應用系統功能，使物品具備智能性，與用戶進行主動交流與溝通，從而實現系統在初期預設的目標。

2.2.5 納米技術

納米科學技術以現代多種科學技術為基礎，是研究單個原子分子制造物質的先進技術，包含動態科學、現代科學以及計算機微電子技術等多種現代技術。

2.3 物聯網數據特征

物聯網數據三大特征是整體感知、可靠傳輸和智能處理［5］。整體感知是利用各類傳感器、RFID射頻識別、二維碼等采集設備的各種狀態數據。可靠傳輸是將傳感器等感知到的各類數據通過網絡進行實時、準確的傳輸。智能處理是將通過網絡接收到的數據，進行處理分析，并將結果整合研判，實現設備狀態實時監測與智能控制。

3 基于物聯網的教學設備遠程集群智能控制系統的設計

基于物聯網的教學設備遠程集群智能控制系統，由嵌入式智能控制模塊、無線網絡通信模塊、遠程用戶控制模塊、數據庫管理模塊和服務器管理模塊5部分組成。用戶通過管理服務器發出指令，通過無線網絡模塊接收并轉發給嵌入式單片機系統，由單片機系統控制教學設備。各類傳感器對多媒體教學設備的運行狀態、電氣信息、環境信息等數據進行收集，并通過嵌入式智能控制模塊實時抓取。控制端應用大數據技術將獲取的設備電壓電流變化、開關機時間、設備功能使用率、故障情況等信息進行處理分析，并在遠程用戶控制模塊平臺上顯示分析結果。管理人員根據分析結果即可對設備的工作情況進行實時智能研判，并做出針對性的運維處理，為教學設備的全生命周期使用提供數據基礎和支撐。

3.1 嵌入式智能控制模塊

系統利用單片機、C語言等技術對教學設備進行數字化技術改造，取代原有的手動操作模式。主控制器將服務器存儲的設備運行參數通過無線網絡傳遞給單片機，通過單片機對教學設備遠程控制。在功能設置上，除保留原有的設備功能外，新增溫度傳感器，溫度超過限值啟動自動散熱；增加電流傳感器，電流異常時通過網絡自動報障。以上操作最大限度保障了設備正常工作，延長教學設備的生命周期。

3.2 無線網絡通信模塊

3.2.1 數據傳輸

在校園無線網絡覆蓋范圍內，各參數信息、控制信號通過單片機內嵌的無線通信模塊與遠程控制模塊建立起的中繼通道進行數據傳輸。

3.2.2 設備定位

無線網絡通信模塊采用固定IP地址，當遠程控制模塊發出控制信號后，與服務器數據庫中的數據進行比對，確定設備的具體位置。

3.3 遠程用戶控制模塊

管理員通過遠程控制模塊發出指令，可對多媒體設備執行開關機、切斷電源、重啟等操作，實現對教學設備的遠程管理和控制。根據不同用戶的需求，管理員可對控制端進行權限設置，賦予不同的用戶不同的權限，實現分級管理。

3.4 數據庫管理模塊

用信息化手段建立多媒體教學設備檔案，可實現對系統數據的有效管理。管理人員根據管理要求和用戶需求，通過數據庫管理模塊對設備集合進行分類集群管理，對用戶群體進行分級管理，對資產信息進行分類管理，對報修、維修信息進行跟蹤管理。建立不受區域影響、多角度協同的多媒體教學設備動態管理庫，實現多媒體教學設備全生命周期管理。

3.5 服務器管理模塊

服務器管理模塊響應用戶的服務請求進行數據處理。用戶指令通過網絡傳輸至單片機后，單片機根據指令要求對教學設備進行相應控制操作。同時，服務器對傳感器所采集的教學設備運行數據進行大數據分析，和數據庫中的特征數據進行比對，在客戶端實時顯示設備運行數據及異常信息，以便管理員及時查看并進行相應處理。

4 系統功能實現

基于物聯網的教學設備遠程集群控制系統的功能如圖1所示。管理員通過移動終端實時監測各個樓宇的教學設備使用情況，通過嵌入式微處理器實現系統核心控制功能。系統通過溫度、電流等傳感器對設備的運行數據進行監測與采集。通過校園網將采集的數據實時傳輸至控制終端，管理人員在管理終端即可實時掌控多媒體教學設備的狀態。如設備顯示異常，管理員即可通過管理終端反饋的信息對設備狀態進行分析并定位識別，第一時間到達設備所在地點進行維修維護。

圖1 系統功能

管理員也可通過控制終端對多媒體教學設備進行個性化功能操控及參數設置。系統將主控制單元與紅外遙控電路連接，實現對多媒體設備的開、關機操作。同時，管理員可對位于學校不同樓宇、不同位置的多媒體教學設備分級分類，按照不同的需求將設備集成為不同的群組，對不同群組設備實施針對性的指令，實現對多媒體教學設備個性化監控和管理，進一步降低管理成本，提高管理效率。

管理員通過多媒體教學設備信息管理系統，為多媒體教學設備建立運維檔案，解決傳統管理手段存在的無法查看設備全生命周期的使用情況、維修記錄、使用時長、更換情況等問題，實現多媒體教學設備的全過程智能管理。管理人員通過設備管理系統可查看教學設備的檢修情況、設備使用狀態、設備使用率以及燈泡等耗材的使用時長等。設備檔案信息可以幫助管理人員對設備及時做出更換已到使用壽命的投影儀燈泡等提前維護性操作，實現多媒體教學設備的動態系統管理。

5 結語

多媒體教學設備的管理一直是高職院校教學科研工作的重要組成部分。基于物聯網的多媒體教學設備智能遠程集群控制系統的應用，實現了在校園網覆蓋范圍內對不同樓宇的多個教室多媒體教學設備的集中控制和智能化管理。這提高了管理人員的管理效率和管理水平，將后期的被動維修轉變為前期的主動維護，減少了多媒體教學設備的故障率，提升了多媒體教學設備的使用壽命，實現了多媒體教學設備的全生命周期管理，進一步保障了學校教學、科研等相關工作的順利開展。隨著學校信息化的不斷深入發展，該系統將在高職院校多媒體教學設備的管理中有著更為廣泛的應用。在今后的管理過程中，本研究還應繼續鉆研，在此系統的研發基礎之上，不斷融入課程管理、錄播室管理、監控系統等模塊，使系統的應用和管理達到更高的水平，更好地服務高職院校師生教學與科研。