一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧教室控制系統(tǒng)設(shè)計

陳中威，陳明芳，樊秋月，蘇江

（廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東珠海，519090）

0 引言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為新一代信息技術(shù)的范疇，已然走入尋常百姓家，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家裝，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的個人智能穿戴產(chǎn)品，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧交通以及基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧城市建設(shè)處處可見。隨著國內(nèi)各大高校教育理念的不斷創(chuàng)新和探索，教育領(lǐng)域越來越重視信息技術(shù)和傳統(tǒng)教室的深度融合，傳統(tǒng)教室及其設(shè)備逐漸向數(shù)字化、智能化、便捷化方向發(fā)展。而“能調(diào)節(jié)教室環(huán)境、多樣化的課堂交互，教室安全的智能化監(jiān)控，教學(xué)內(nèi)容的立體化呈現(xiàn)和教學(xué)資源共享獲取”于一體的智慧教室成為一種必然趨勢，智慧教室的建設(shè)將會為學(xué)生提供更加舒適，科學(xué)、適景的學(xué)習(xí)氛圍，從而提高學(xué)習(xí)的質(zhì)量和效率。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧教室控制系統(tǒng)設(shè)計，將人與課室軟硬件設(shè)備、學(xué)習(xí)環(huán)境通過多樣化的網(wǎng)絡(luò)進行連接，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的人人相連，人物相連和物物相連，通過智慧教室控制系統(tǒng)設(shè)計最終可以實現(xiàn)對教學(xué)全過程的精準(zhǔn)把控和高效管理。智慧教室控制系統(tǒng)集課室多媒體設(shè)備的智能化管理、智能化的教室環(huán)境調(diào)節(jié)，智慧化的教學(xué)互動于一體，全方位支撐高校教學(xué)模式的改革和創(chuàng)新，讓枯燥的課堂，變得智能，高效、簡單、有趣。

1 智慧教室控制系統(tǒng)需求分析

需求分析是做好智慧教室控制系統(tǒng)設(shè)計的前提，而需求分析主要體現(xiàn)在教室的“智慧性”，即智能化教室環(huán)境管理、教學(xué)資源的一鍵獲取和整合、教學(xué)實時互動捕捉與管理、多樣化的教學(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)等。因此，在進行智慧教室控制系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)著重分析下述需求：

（1）教室環(huán)境的個性化。多項研究表明學(xué)生在自然舒適的環(huán)境下學(xué)習(xí)質(zhì)量和效率會有很大的提升，智慧教室控制系統(tǒng)就是利用各種傳感器實時監(jiān)測教室環(huán)境，自動調(diào)節(jié)相關(guān)教學(xué)設(shè)備，為教師和學(xué)生打造出利于授課和學(xué)習(xí)的最佳環(huán)境，主要包括使人體舒適的溫濕度、光照度以及全身心融入的視聽覺感受等，目的就是讓師生能夠在最適宜的環(huán)境下高效開展教與學(xué)的相關(guān)活動。

（2）教學(xué)設(shè)備的智能化統(tǒng)一監(jiān)管。設(shè)計集操作和監(jiān)控為一體的教室設(shè)備智能化管理平臺，實現(xiàn)對教學(xué)中所用設(shè)備的智能互聯(lián)和遠程監(jiān)控。不但可以遠程查看教室設(shè)備運行情況，還可對課室內(nèi)的計算機、投影儀、音響廣播等設(shè)備進行集中統(tǒng)一控制，從而將眾多設(shè)備實現(xiàn)有效的智能互聯(lián)，例如，可根據(jù)教室排課情況，自動設(shè)置計算機、投影和音響系統(tǒng)的自動開關(guān)機，另外根據(jù)課室溫度實時變化，遠程自動調(diào)節(jié)室內(nèi)空調(diào)溫度，無需人工現(xiàn)場介入。

（3）課堂教學(xué)資源的錄制、整合和潛在價值的智能挖掘。高校教室傳感器設(shè)備的置入，如攝像頭的裝置，不僅讓教學(xué)過程在遠端清晰可見，還可監(jiān)控課堂學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)以及課室內(nèi)的突發(fā)狀況。智慧教室控制系統(tǒng)必須滿足課堂授課的實時錄制和回放，從而打造開放，共享的線上教學(xué)資源，同時還可采集教學(xué)過程中的相關(guān)教、學(xué)、研的數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能化分析。智慧教室通過數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等功能，記錄和分析學(xué)生全過程的課堂行為表現(xiàn)，為教師精準(zhǔn)分析學(xué)生學(xué)情、學(xué)業(yè)評價、教學(xué)效果提供技術(shù)支撐，滿足教、學(xué)、管各方的個性化需求。

（4）支持靈活多樣的學(xué)教互動。大學(xué)生不同于中小學(xué)生，一般都具備獨立思考和自主學(xué)習(xí)的能力，大學(xué)課堂不再是簡單地教師講授和學(xué)生學(xué)習(xí)，而是教師和學(xué)生，學(xué)生和學(xué)生之間交流互動的空間。智慧教室應(yīng)提供教學(xué)互動及人機互動能力，支持多樣化教學(xué)互動模式，比如提供文本互動、答題語音互動、視頻互動等，這樣一來，可進一步激發(fā)高校的教育模式改革。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧教室控制系統(tǒng)架構(gòu)的總體設(shè)計

在智慧教室控制系統(tǒng)中，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及STM32 單片機系統(tǒng)將傳統(tǒng)課室中教學(xué)軟硬件設(shè)備通過傳感器和各種網(wǎng)絡(luò)連接起來，實現(xiàn)設(shè)備的物物相連，智慧教室控制系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計在物聯(lián)網(wǎng)典型的三層架構(gòu)基礎(chǔ)之上，增加了控制層，以便于整個智慧教室的操控和管理。總體架構(gòu)主要包括：系統(tǒng)感知層、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層、系統(tǒng)應(yīng)用層和系統(tǒng)控制層，除此之外還包括系統(tǒng)的主控設(shè)備。系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計如圖1 所示。

（1）感知層。感知層主要用來數(shù)據(jù)信息的采集。位于整個系統(tǒng)的最底層，主要是通過各種傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù)信息，如溫濕度傳感器、光照傳感器、RFID 芯片、攝像頭、報警器等，以上傳感器采集的信息可以為空調(diào)溫度控制、教室門窗智能控制、教室照明控制，異常報警控制等提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層用來傳遞感知層所采集的信息，可通過有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)將采集的數(shù)據(jù)與應(yīng)用層，感知層進行信息傳遞，此外還可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)設(shè)備控制器之間的數(shù)據(jù)交換，確保采集到的數(shù)據(jù)都能準(zhǔn)確地處理和傳送。

（3）應(yīng)用層。應(yīng)用層是智慧教室面向用戶的核心部分，主要包括：空調(diào)管理、教室光照管理、門窗管理、多媒體設(shè)備管理、課室實時動態(tài)監(jiān)控、授課錄制、學(xué)生考勤、教學(xué)資源管理及教學(xué)互動等。應(yīng)用層通過對感知層采集的數(shù)據(jù)進行存儲、傳輸、分析和挖掘，結(jié)合具體的教學(xué)場景，對課室相關(guān)設(shè)備進行智能化控制，以實現(xiàn)教學(xué)過程的精準(zhǔn)監(jiān)控和高效管理。

（4）控制層。控制層主要是通過各種外設(shè)終端來進行智慧教室的操控，包括：電腦終端控制，手機專用APP 控制、小程序控制、平板電腦控制、多媒體控制等。控制層旨在通過不同的操控方式，實現(xiàn)智慧教室控制的簡單化，多樣化及高效化。

（5）主控設(shè)備。主控設(shè)備貫穿整個智慧教室控制系統(tǒng)設(shè)計，不僅是智慧教室的大腦，而且為智慧教室系統(tǒng)提供源源不斷的能量。MCU 模塊猶如系統(tǒng)的大腦，根據(jù)指令開啟相關(guān)設(shè)備的控制，MCU 模塊使用STM32F407 單片機芯片實現(xiàn)，整個系統(tǒng)的能量由交直流電提供并配備應(yīng)急電源。供電電源電路設(shè)計原理圖如圖2 所示。其中單片機芯片工作電壓為3.3V，其余模塊工作電壓為5V，系統(tǒng)使用直流5V 2A 的電源適配器將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，適配后的直流電接入到電源電路中，芯片所使用的電壓通過穩(wěn)壓元件AMS117-3.3 將5V 電壓轉(zhuǎn)換為3.3V。如果出現(xiàn)課室斷電情況，機房會立即啟動備用UPS 應(yīng)急電源，將外部不可控因素對系統(tǒng)的影響降到最低。

圖2 電源電路原理圖

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧教室控制系統(tǒng)功能設(shè)計

■3.1 智慧教室內(nèi)外部環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

基于傳感器采集的教室內(nèi)外部環(huán)境數(shù)據(jù)，通過各種類型網(wǎng)絡(luò)傳輸及MCU 模塊的處理，通過物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一管理平臺實現(xiàn)對教室內(nèi)的溫濕度、燈光、門禁、攝像頭等設(shè)備的自動控制，從而確保教室內(nèi)燈光，溫濕度、通風(fēng)等達到一個適合學(xué)習(xí)的場所，為師生的教與學(xué)提供一個相對舒適的外部環(huán)境。教室內(nèi)外部環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)框圖如圖3 所示。

圖3 教室內(nèi)外部環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)框圖

3.1.1 空調(diào)及空氣凈化消毒控制功能

系統(tǒng)通過教室內(nèi)安置的溫濕度傳感器，可實現(xiàn)固定時段的空調(diào)設(shè)備的自動開啟和關(guān)停，比如南方高校教室空調(diào)使用的時間一般自動設(shè)置為5 月至10 月，此外系統(tǒng)能根據(jù)檢測到的教室內(nèi)外部溫度變化，自動升高或降低空調(diào)溫度，自動增大或降低風(fēng)速，確保為師生工作與學(xué)習(xí)提供一個舒適的溫度環(huán)境。

新冠全球大流行下，高校作為人員密集場所，做好教學(xué)場所的消毒凈化工作必不可少，空氣凈化功能主要是通過課室內(nèi)裝置的空氣質(zhì)量探測設(shè)備，實時檢測教室內(nèi)空氣質(zhì)量，如PM2.5、二氧化碳含量等，然后系統(tǒng)根據(jù)事先設(shè)定的空氣參數(shù)自動開啟凈化空氣功能，此外在教室使用完畢后，系統(tǒng)自動啟用紫外線等消殺設(shè)備，清除有害細(xì)菌，確保教室內(nèi)始終保持優(yōu)良的空氣指數(shù)。

3.1.2 光照強度控制功能

智慧教室可通過后臺設(shè)置相關(guān)參數(shù)，通過傳感器捕捉教室內(nèi)光照強度，根據(jù)光照強弱通過MCU 模塊控制課室內(nèi)優(yōu)先自動關(guān)閉或開啟一個或多個窗簾，從而實現(xiàn)室內(nèi)自然光線的自動調(diào)節(jié)。系統(tǒng)一旦檢測到室內(nèi)光照不足，會自動開啟日光燈裝置，此外還可根據(jù)學(xué)生落座密集情況，精準(zhǔn)實現(xiàn)某一特定區(qū)域的照明調(diào)節(jié)，使燈光照明資源使用最大化，避免產(chǎn)生資源浪費。

3.1.3 門窗控制功能

系統(tǒng)能通過傳感器自動檢測教室門窗的開關(guān)狀態(tài)，并通過網(wǎng)絡(luò)將信息及時傳送給MQTT 服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)收到的信息，對設(shè)備發(fā)出相關(guān)指令操作，比如，關(guān)閉教室門窗或開啟教室門窗。門控開關(guān)電路設(shè)計原理圖如圖4 所示，門控開關(guān)GS 和門關(guān)閉GC 檢測分別由芯片STM32F407 控制，電阻R1、晶體管Q1、繼電器RL1 和二極管組成功放電路。門控開關(guān)的工作電壓為5V，芯片通過對GS 端的控制實現(xiàn)教室門的開啟和關(guān)閉，關(guān)門操作執(zhí)行后，芯片還可以通過GC 端檢測教室門是否完全閉合。為確保教室的安全，教室置入門禁系統(tǒng)，可通過IC 卡、指紋、密碼等多種方式進行開啟。當(dāng)課室使用完畢，人去室空時教室自動進行監(jiān)控狀態(tài)，當(dāng)有人蓄意非法破壞教室門窗時，系統(tǒng)后臺會發(fā)出蜂鳴報警，提示管理人員及時查看教室情況，確保非法闖入不被允許。

圖4 門控開關(guān)電路原理圖

■3.2 智慧教室多媒體設(shè)備智能控制系統(tǒng)

多媒體設(shè)備是教師教學(xué)的核心設(shè)備，通過設(shè)計多媒體智能控制系統(tǒng)，能夠協(xié)助課室管理員課前自動開啟設(shè)備和課后自動關(guān)閉設(shè)備，一方面省去了教師開關(guān)設(shè)備的繁瑣，另一方面大幅提升管理員的工作效率，此外，電腦、投影、話筒等設(shè)備可以實現(xiàn)相互連接，設(shè)備的運行狀態(tài)可以及時記錄，設(shè)備的報障可以一鍵發(fā)起，日常的設(shè)備維護也可記錄在案。

3.2.1 教學(xué)設(shè)備的智能控制

通過STM32 單片機模塊對教室內(nèi)的電腦、投影儀、音響、話筒等設(shè)備進行集中統(tǒng)一控制。教師和課室管理員可以通過現(xiàn)場一鍵開啟或關(guān)閉相關(guān)設(shè)備，也可以遠程登錄課室管理APP 實現(xiàn)，減少教師課前不必要的時間等待，確保教師到課室，設(shè)備即運行。授課結(jié)束后，教師可以通過觸摸屏一鍵關(guān)閉所有設(shè)備，系統(tǒng)也可設(shè)定時間，在人去室空時，自動關(guān)閉相關(guān)設(shè)備，一方面可以節(jié)約資源，另一方面也可以省去管理員“掃樓”管設(shè)備的艱辛。

3.2.2 教學(xué)設(shè)備運行狀況控制

系統(tǒng)后臺能實時掌握各課室教學(xué)設(shè)備的運行狀況，比如投影儀清晰度，音響的音量，設(shè)備的啟停等，避免管理員無謂的現(xiàn)場維護。系統(tǒng)還可以將設(shè)備每日的運行狀況記錄在案，形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，方便管理員的高效管理，比如可以通過系統(tǒng)后臺查詢或?qū)С鲈O(shè)備的開啟、關(guān)閉時間，設(shè)備的利用效率等，也可生成多種形式的報表，方便管理人員向上級匯報工作，課室的管理效率得到了極大的提升。

3.2.3 教學(xué)設(shè)備的智能互聯(lián)

系統(tǒng)可以實現(xiàn)課表和教室相關(guān)設(shè)備的自動聯(lián)動，在教師上課前，自動開啟教學(xué)所用的相關(guān)設(shè)備，對于授課中常用的網(wǎng)址鏈接，教學(xué)輔助系統(tǒng)也可一鍵開啟，為教師提供貼心舒心的服務(wù)，不但節(jié)省了教師和學(xué)生的時間，還大大降低系統(tǒng)誤操作所帶來的問題，提升教學(xué)的實施效果。課后，系統(tǒng)會自動檢測課室內(nèi)狀況，確保人去室空后，自動關(guān)閉教學(xué)設(shè)備，避免教學(xué)資源的浪費，提升了設(shè)備利用率。當(dāng)有教師需要錄制課程授課時，課室內(nèi)的攝像頭根據(jù)學(xué)生落座情況和教師授課活動空間等自動調(diào)整到合適角度，確保開展高清去噪的課程授課錄制，錄制結(jié)束后，及時保存文件到后臺服務(wù)器，為確保視頻文件的高可用性，在視頻錄制完成后，可自動進行異地備份，大幅提升視頻文件的容災(zāi)能力。

3.2.4 設(shè)備遠程報修與維護功能

教學(xué)設(shè)備的故障問題繞不開，躲不過，在授課過程中一旦出現(xiàn)設(shè)備故障，授課教師可通過一鍵對話功能將故障上報，系統(tǒng)可自動捕捉設(shè)備故障詳細(xì)信息，包括故障教室，故障具體內(nèi)容，故障時間，報修教師、報修時間等，然后系統(tǒng)會通過微信、郵件等形式發(fā)送報障提醒至課室維修人員。維護人員可遠程調(diào)用室內(nèi)攝像頭查看故障現(xiàn)場情況，第一時間進行設(shè)備排障，如遠程檢測電腦操作系統(tǒng)，遠程打系統(tǒng)補丁，遠程測試設(shè)備的開啟和關(guān)閉以及遠程進行軟件的下載和安裝等。

■3.3 教學(xué)管理控制系統(tǒng)

教學(xué)管理控制系統(tǒng)可以通過調(diào)用課室安置的攝像頭，實時捕捉教師授課情況和學(xué)生聽課狀態(tài)，教學(xué)管理系統(tǒng)還配備智能考勤助手，方便教師在移動端查看學(xué)生到課情況。教師日常授課借助攝像頭可錄制豐富教學(xué)資源庫，一方面方便教師對課堂授課進行復(fù)盤，另一方面為學(xué)生提供課程回看功能，加深學(xué)生對知識的理解。教學(xué)管理控制系統(tǒng)實現(xiàn)框圖如圖5 所示。

圖5 教學(xué)管理控制系統(tǒng)實現(xiàn)框圖

3.3.1 課堂考勤系統(tǒng)

課堂考勤系統(tǒng)主要有考勤APP、人臉識別和藍牙定位三部分組成，課前學(xué)生需開啟智能手機的藍牙功能，確保學(xué)生在正確的時間和正確的地點進行考勤簽到，在簽到的同時需要學(xué)生進行人臉識別驗證，確認(rèn)簽到是否為本人所操作，如果簽到過程中因為網(wǎng)絡(luò)不暢，或其他原因?qū)е潞灥讲怀晒Φ那闆r，學(xué)生可以申請讓授課教師進行調(diào)整，這樣通過考勤系統(tǒng)將得到準(zhǔn)確的課堂考勤數(shù)據(jù)，便于教師對學(xué)生平時出勤成績的評定。

3.3.2 視頻錄播控制系統(tǒng)

視頻錄播系統(tǒng)通過課室內(nèi)置攝像頭，音響話筒及MCU處理模板等將教師日常授課情況錄制成冊，可以是實時的全部錄制，也可以是部分錄制。對于部分優(yōu)秀教師的公開授課可通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多平臺同步直播，方便學(xué)生多平臺獲取知識。視頻錄播系統(tǒng)的引入為高校教學(xué)質(zhì)量管理開展教學(xué)督導(dǎo)和教學(xué)評價提供了便利。

3.3.3 教學(xué)資源管理

授課教師可以通過資源管理模塊上傳電子課件、教學(xué)日歷，教案、視頻微課、實訓(xùn)指導(dǎo)書等多樣化的教學(xué)材料和資源，以課程為中心，并以樹型結(jié)構(gòu)的形式展現(xiàn)教學(xué)資源，方便學(xué)生查找相關(guān)資源。對于課程學(xué)習(xí)內(nèi)容，教師可自定義發(fā)布對象，接收知識內(nèi)容的班級人群等。另外還可以根據(jù)學(xué)生自學(xué)課程資源情況，及時調(diào)整課程進度和授課的方式方法。對于之前課堂錄制的授課視頻，微課等，可以同步至教學(xué)資源管理系統(tǒng)，這樣一來，可以為學(xué)生提供課外隨時觀看，反復(fù)觀看的途徑。

3.3.4 教學(xué)互動管理

教學(xué)互動是圍繞課程來展開，針對課程，可以提供多樣化的教學(xué)互動功能，比如課堂在線討論、問題答疑、視頻互動、文字評論，在線作業(yè)及考試等，充分凸顯教學(xué)互動在教學(xué)過程的作用。另外，每個多媒體課室還配備觸摸交互式投影屏，學(xué)生通過掃碼等手段，將手機終端和觸摸投影屏相連，即時實現(xiàn)手機小屏與投影大屏的互動連接，最重要的可以實現(xiàn)教學(xué)資源的一鍵共享和使用。

4 結(jié)束語

在普通的智慧教室控制系統(tǒng)設(shè)計中，設(shè)計人員一般將設(shè)備的智能化控制作為重點，而對人機交互和數(shù)據(jù)分析挖掘考慮不足，而基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧教室控制系統(tǒng)設(shè)計通過引入最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和STM32 單片機系統(tǒng)，使課室的軟硬件資源得到了極大的整合，實現(xiàn)了課室的智能化控制：比如通過各種傳感器為教學(xué)創(chuàng)造個性化的物理環(huán)境，實現(xiàn)教室多媒體設(shè)備的集中統(tǒng)一控制，為教學(xué)資源管理和教學(xué)互動提供有力支撐，助力教師打破原有傳統(tǒng)教學(xué)模式，變革和創(chuàng)新教學(xué)教法，學(xué)習(xí)方式。

隨著需求的不斷變化和新技術(shù)的快速發(fā)展，智慧教室控制系統(tǒng)下一步設(shè)計將會引入大數(shù)據(jù)分析技術(shù)及區(qū)塊鏈技術(shù)，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)可以將教室設(shè)備的使用情況進行量化管理，比如可以統(tǒng)計設(shè)備使用率和故障率、課室使用率等，此外。諸如學(xué)生回答問題的次數(shù)，教師與學(xué)生互動的頻次等都可以通過大數(shù)據(jù)技術(shù)進行捕捉，收集相關(guān)數(shù)據(jù)并分析后，可以生成各種類型的數(shù)據(jù)報表，比如餅狀圖，柱狀圖，為管理層的相關(guān)決策提供數(shù)據(jù)支撐。區(qū)塊鏈技術(shù)的引進主要是確保整個系統(tǒng)的安全可靠性，打破原有中心化的系統(tǒng)，使智慧教室各個節(jié)點都能保存和記憶完整數(shù)據(jù)，大幅提升了智慧教室控制系統(tǒng)的高可用性。新技術(shù)的發(fā)展進步必然會促使智慧教室控制系統(tǒng)的改進，為了更好地服務(wù)師生，服務(wù)教學(xué)，更加智能化，自動化的教室將會不斷涌現(xiàn)。