智慧教室物聯網系統的設計與實現

鄭志材

摘要：將物聯網技術結合課堂教學管理，可實現教學管理的技術化、智能化、科學化，提高班級管理信息化水平。文章提出將智慧教室建設作為教育信息化背景下新課堂環境建設的一種新形式。這種形式可以實現教育資源的創造和積累，為新的智能教學模式提供硬件平臺，實現師生之間的及時互動，并在學校實施理論與實踐相結合的生態支持教學方法。同時，利用物聯網技術和傳統教學方法整合資源，基于互聯網、物聯網的優勢，有助于構建新型、高效、智能化的智慧教室。

關鍵詞：物聯網；智慧教室系統；設計

中圖分類號：TU855中圖分類號? 文獻標志碼：A文獻標志碼

0 引言

隨著科技的發展，物聯網技術的完善，建設智慧校園已經成為當前學校發展的一種新趨勢。智慧教室實現了教育信息化發展，對提高教育質量具有非常重要的意義。因為現有教育局設備的智能化程度相對較低，所以智慧教室的建設無法實現通用建設。智慧教室建設不僅需要實現智慧化，還需要考慮到各個專業、各種教學方法、建設成本等問題。本文提出基于物聯網的智慧教室構建。

1 智慧教室系統功能需求

智慧課堂的關鍵在于優化現有課堂內容，綜合應用教學資源，創建良好的課堂關系。在設計智慧教室時，應強調以下3個基本需求。

1.1 物聯網軟件應用需求

智慧教室整體包括智能門禁控制、智能環境感知、智能通風控制、智能照明控制、室內環境實時監控、管理系統兼容平臺等。

1.2 物聯網硬件需求特征

（1）負責環境信息收集和傳輸的終端。該終端設備中的硬件包括環境溫度和濕度監測、攝像頭、光強監測和分析、空氣成分監測和分析、數據存儲等。（2）自動控制功能，如門窗、教育工具等。（3）與其他軟件應用程序兼容的控制平臺。（4）物聯網綜合集成系統。

1.3 物聯網管理平臺綜合集成拓展

物聯網管理平臺綜合集成拓展可以通過以下環節實現：智慧類與現有信息管理應用的有效集成和兼容，構建功能全面的綜合管理系統；設計和交付物聯網傳感器硬件系統，設計人員必須了解現有信息系統的情況，為數據交流創造環境，提高資源利用率和系統完整性［1］。從學校現有的硬件和軟件入手，以不干擾現有設備和系統運行和使用為前提條件，應注意以下幾個方面：現有門窗的設計和施工；通風系統的電氣條件、攝像終端、投影終端和顯示終端的構造；現有電力線路的走向和適應性。基于上述硬件的設計分析以及物聯網技術應用的設計要求，合理利用現有設備資源，構建物聯網信息管理系統，設計智慧教室系統的核心功能與體系架構。

在物聯網技術背景下，各功能的技術要求如下：（1）監控顯示終端。顯示系統不僅是實現智慧教室的關鍵設備，也是實現教育現代化的重點。在智慧教室設計中，基于教學需求，利用物聯網技術來設計不同環境下的多重顯示模式，以滿足教學需要，盡可能提高教學效果。（2）環境感知分析功能。實現智慧教室中的數據實時采集、傳輸和保存。采集數據包括環境溫濕度、照明、CO2濃度、輻射等。（3）通風系統的智能控制。主要智能控制空調、風機等系統，并根據班級用途和空氣質量智能調節通風系統，確保最佳的空氣顯示。（4）采光控制。智慧教室中的環境照明智能檢測和識別，智能控制教室開放照明、門窗，實現最佳室內照明［2］。

2 智慧教室分層架構設計

本文提出的智慧教室建設是基于物聯網三層模型設計的，系統采用各級接口，可以實現設備信息之間的傳輸，將采集到的信息進行分析、處理，實現用戶終端交互。智慧教室系統架構包括感知層、應用層和網絡層，通過利用分層體系結構設計的優勢，可以提高智慧教室整體設計的靈活性，同時還可以對應用需求進行定制，以擴展和補充未來的應用需求［3］。

應用層可以為用戶提供Web應用程序，從而滿足不同用戶的各種需求。應用層能夠為每個應用程序中的用戶提供由平臺處理的數據。智能系統終端設備通過應用層為用戶提供服務。

網絡層是數據信息進行傳輸的關鍵。網絡層的信息數據傳輸方式可以分為無線傳輸和有線傳輸。

感知層是實現數據采集的基礎設備，主要包括視頻監控攝像機、移動終端、空調、智能開關等智能設備和光敏傳感器、煙霧傳感器、火焰傳感器等傳感器。

3 智慧教室核心模塊設計

3.1 智能設備的部署與網絡構建

智慧教室中的設備必須保證網絡通信、供電等基礎設施和設備的運行環境，保證智慧教室內網絡的全方位穩定覆蓋。不同的傳感器設備均對數據傳輸的安全性和可靠性提出了更高的要求。因此，本文選擇低能耗、高可靠性、高安全性的ZigBee模塊訪問傳感器設備，并采用ZigBee coordinator作為構建星形網絡策略的中心節點［4］。智慧教室中的移動終端、智能交換機、空調等關鍵設備中內置了WiFi模塊，通過光纖無線交換機、無線路由器和其他設備構建無線LAN網絡，可以統一管理這些設備。視頻監控攝像機傳輸的視頻數據要求高帶寬和網絡穩定性。有線網絡可以直接訪問，以確保及時傳輸數據。將路由器、交換機和其他設備連接到ZigBee coordinator、無線光交換機和其他設備，并將新的物聯網布局與有線和無線網絡集成。

3.2 通用物聯網平臺接入

智慧教室系統中的設備數據和信息收集量非常大，將設備連接物聯網平臺能提升數據的有效性。物聯網平臺的云服務可以實現數據集成與處理等操作。此外，因為攝像頭捕捉實時視頻數據需要非常大的傳輸帶寬，所以通過rest/http協議訪問物聯網平臺，可以確保視頻數據的快速傳輸和傳輸質量［5］。從其他設備收集的數據具有低傳輸量和低開銷的特點，通過路由器集中收集、轉發，由消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協議接入云平臺。在將設備連接到通用物聯網平臺之前，需要在云平臺中創建項目并添加云設備，以備后續使用。在外部設備中保存云設備的身份驗證信息，之后可以在設備開發平臺中使用SDK。云平臺、設備主要通過新聞稿、訂閱等形式發布消息。過濾規則引擎后，可以將消息發送給不同的數據目的地，并由不同的云計算服務進行下一步處理。

3.3 移動端應用設計

智慧教室移動終端的設計采用MVP（Model Viewer Presenter）架構模式，包括課程管理、設備管理、翻轉課堂、課堂情境、用戶管理、學習情境分析等功能模塊。移動終端程序基于用戶類型設計功能模塊，需保證多重身份的使用需求。

4 智慧教室物聯網系統實現

（1）對室內環境的智能感知。該模塊負責實時采集室內環境參數信息并且以動態數據的形式在不同的顯示終端上顯示各種參數信息，方便用戶查看。而傳感器收集到的數據需要安全儲存，方便后續的檢索與分析。在具體使用過程中，用戶可以根據使用需要修改和調整教室內的環境參數，以滿足不同智能設備在智慧教室不同使用環境中的自動控制，始終保持良好的環境質量［6］。

（2）室內照明設備的智能控制。光照強度對于教學有著重要影響，關系到學生在課堂上的學習效果。在照明系統的光強檢測模塊中，通過光敏電阻來采集光強，分析光強信息以及信息結果來控制教室中的照明系統，確保照明效果質量。系統需要分析光傳感器采集到的實時數據，然后通過對設定值的對比來調整光強，保證室內照明的合理性和舒適性，為教學創造良好的環境，提高教學效果。

（3）智能控制室內門窗設備。根據教室中的環境監測結果來了解教室中的門窗情況，決定是否打開或關閉。在自動控制門窗開關的狀態下，無論學生是否在上課，都可以根據預設的時間參數和控制結果進行智能控制。普通窗簾都是由人來切換，耗時、耗力。該系統將通用窗簾與物聯網相結合，實現窗簾的智能控制，自動調節室內光線。風速傳感器、室外雨水設備和濕度監測設備可以用來監測天氣，為教室的開放和關閉提供使用便利。當智能終端檢測到天氣數據時，它將根據天氣情況決定是否自動關閉教室、計算機室、實驗室等門窗，這樣可以避免天氣因素影響教室，避免濕度過大損壞計算機精密零件，造成計算機使用故障［7］。

（4）室內空調或風機智能控制。通風系統是由風機和空調等設備組成的。根據傳感器檢測到的教室中的氣體成分濃度，由系統自動調控通風系統的工作狀態，保證室內空氣質量。

（5）多媒體教學設備的智能控制。系統根據教學要求來調整教室內不同教育設備的運行狀態，以滿足不同教育任務的具體需要，充分發揮現代教育設備的功能。

（6）智能防火防盜系統。該系統應用云計算、移動互聯網、物聯網等信息技術，有助于加強消防安全信息化建設，作為構建校園消防系統和防盜系統的輔助。教室、宿舍配備消防和防盜系統，確保學生和教師的生命和財產安全。物聯網在原有火災自動探測系統的基礎上，安裝了智能消防水收集器、智能電力安全探測器、智能射頻識別器、物聯網智能消防系統網絡攝像頭等前端檢測設備，通過互聯網數據平臺遠程控制物聯網智能消防監控系統［8］。消防監控系統中的獨立煙霧探測器、簡易自動噴水滅火系統、可燃氣體報警器等設備，可以在出現異常情況時實現自動滅火。移動應用程序客戶端或多媒體計算機可以實時監控智慧教室的狀態，打印異常消息并快速響應報警消息。

5 結語

綜上所述，隨著科技的飛速發展，智慧教室已經成為必然的發展趨勢。智慧教室的出現，在一定程度上使師生的學習和生活更加便捷和智能，使校園管理更加規范化和制度化，降低管理者的工作難度。目前，人工智能技術愈發成熟完善，人工智能與物聯網技術融合是智慧校園建設未來的發展趨勢。利用人工智能分析學生的日常行為和學習，根據學生自身特點開發合適的學習方法可行性較強。此外，人工智能的介入將引發新一輪教育教學方式的變革。

參考文獻

［1］李燕.基于物聯網技術的智慧教室設計和實現［J］.電子世界，2018（19）：162-163.

［2］翦象慧，肖智清，龔全安，等.基于物聯網技術和智慧課堂的智慧教室系統研究與設計［J］.物流工程與管理，2018（12）：170-172.

［3］陳志欽.基于物聯網的智慧教室系統設計與實現［D］.南昌：江西師范大學，2018.

［4］張帆.基于物聯網與云平臺的智慧教室控制系統設計與實現［D］.大連：遼寧師范大學，2019.

［5］林書句.基于物聯網的智慧校園集群控制系統的設計與實現［J］.現代信息科技，2020（9）：160-163.

［6］盧志翠.基于ZigBee的智慧教室物聯網云平臺設計與實現［D］.邯鄲：河北工程大學，2020.

［7］陳志華.基于ZigBee的智慧教室物聯網設計與實現［D］.蘭州：蘭州大學，2019.

［8］劉英杰.基于Kafka和時序數據庫的物聯網數據測控系統設計與實現［D］.濟南：山東大學，2020.

（編輯 王永超）

Design and implementation of intelligent classroom system based on Internet of Things

Zheng? Zhicai

（Guangdong Business and Technology University， Zhaoqing 526040， China）

Abstract：? Combining the Internet of things technology with classroom teaching management can realize the technical， intelligent and scientific teaching management， and improve the information level of class management. The article puts forward the wisdom classroom construction as under the background of education informatization of the new classroom environment construction of a new form. This form can realize the creation and accumulation of education resources， provide hardware platform for new intelligent teaching mode， realize the timely interaction between teachers and students， in the school implementation of theory and practice of ecological support teaching method. At the same time， the use of the Internet of Things technology and traditional teaching methods to integrate resources， based on the advantages of the Internet， the Internet of things， will help to build a new， efficient and intelligent classroom.

Key words： Internet of Things; smart classroom system; design