云邊端協同的物聯網智慧教室設計

摘要：隨著物聯網技術的持續發展，其影響力已廣泛融入各行各業，促進了智能化創新升級，尤其體現在教育領域。物聯網技術推動教育從傳統模式向“智慧教育”轉型，助力構建智能化教學環境，其中“智慧教室”為最典型的應用之一。文章詳細闡述物聯網技術在教育領域的具體應用，為教育科技同行提供實踐參考。

關鍵詞：智慧教室；物聯網；情景聯動；物模型；Zigbee

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）34-0046-03開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

0引言

物聯網技術依托多種信息感知能力，可實時采集環境數據并進行傳輸、計算和控制，從而實現現實世界的全面數字化和網絡化，促進物與物、物與人之間的數字化連接與實時智能交互。在教育信息化2.0時代，借助物聯網技術，以數據為核心驅動力，可快速實現智慧教育產品的智能化創新與應用[1]。本文將探討“智慧教室”方案，嘗試基于物聯網技術構建智能化教學環境。

1“云-邊-端”協同的整體方案

隨著智能終端設備的普及，物聯網系統的數據處理復雜度增加，傳輸與控制的實時性要求亦隨之提高，這對傳統的“云-端”模式形成了沖擊。因此，智慧教室引入“云-邊-端”協同模式[2]，將邊緣計算理念融入物聯網方案中。此模式減少了通信響應時延，擴大了系統處理能力，同時保障了網絡故障期間的業務運作。具體方案如圖1所示。

“端”是教室內各類教學裝置，包括智能設備、傳感器、攝像頭等，這些設備是系統的數據來源，同時也是接收并執行云平臺、邊緣網關指令的終端。終端設備的通信協議首選Zigbee3.0，同時支持RS232/485、WLAN。

“邊”是部署在教室內的物聯盒子。該盒子作為邊緣網關，集成RS232/485、Zigbee、WLAN等接口，負責采集終端數據，并通過實時邊緣計算觸發情景聯動策略，實現自動化環境控制。同時，邊緣網關依據相關通信標準，實現與云平臺的數據交換。

“云”是部署在學校機房或云端的中心服務集群。云端平臺負責所有邊緣網關及其接入設備的管理，并提供音視頻流媒體服務與音視頻雙向通信服務。

2端設備的接入

2.1設備集成方式

終端設備構成基本的環境感知和數據采集能力。設備集成優先采用高安全性、高可靠性和低功耗的ZigBee方案。攝像頭和安卓一體機采用單獨的接入方案。具體集成方式如表1所示。

轉接盒：通過轉接盒和Zigbee3.0標準，優化網絡拓撲結構設計，實現短距離的高效傳輸，同時有效規避信號傳輸時的干擾[3]。

攝像頭接入：邊緣網關借助ONVIF協議實現攝像頭設備發現，同時基于GB28181協議對接云端的視頻流媒體服務器[4]。

安卓一體機：安卓一體機是教室內設備與情景聯動的可視化控制臺。一體機連接邊緣網關，通過邊緣網關進行設備操控和策略執行等任務。同時，一體機也集成音視頻通話的終端能力，對接云端平臺相關服務。

情景面板：情景面板提供一鍵上課和一鍵下課按鈕，按鈕點擊將觸發邊緣網關內的上下課情景策略，下發操控指令，實現設備的批量開關機與窗簾幕布的開閉等。

3邊緣網關設計

3.1物模型定義

智能終端設備種類繁多，數據標準、業務功能和操控方式差異顯著，難以統一管理。為解決此問題，智慧教室引入“物模型”作為設備標準化抽象的數據模型，使用統一的模型語言描述和操控各類智能終端設備，實現數據層、特征層和決策層的融合[5]。物模型描述文件包含的內容如表2所示。

3.2云邊通信機制

邊緣網關負責管理教室內的所有設備，向云端發起設備注冊或上報設備狀態變化，并接收云端或安卓一體機的查詢。涉及設備的所有數據通信均使用物模型描述語言進行溝通。通信引入MQTT服務，采用基于“主題（Topic）”的消費發布-訂閱機制，實現消息的收發。主題的定義和分類說明如下：

1）設備管理（device_manage/feedback/notify）：涵蓋設備入網注冊、退網、登錄、變更等雙向管理指令。

2）設備心跳（device_heartbeat/feedback）：邊緣網關向云端平臺通報設備連接狀態。

3）屬性變更通知（properties_notify）：設備屬性變更時，網關須主動通知云端平臺（支持批量通知）。

4）屬性查詢與應答（properties_get/feedback）：云端平臺或安卓一體機發起的設備屬性查詢指令（支持批量查詢），網關負責應答。

5）屬性設置與應答（properties_set/feedback）：云端平臺或安卓一體機發起的設備屬性設置指令（支持批量設置），網關負責反饋設置結果。

6）事件通知（event_notify）：邊緣網關發起的設備事件上報，如故障等。

7）服務調度與應答（services_call/answer）：云端平臺或安卓一體機發起的設備服務調度指令。

3.3情景聯動

物聯網的三個特征分別為全面感知、可靠傳遞以及智能處理[6]。情景聯動是融合這三大特征的價值體現，提供面向應用場景的智能控制能力。情景聯動的業務邏輯為“當滿足觸發條件時，即執行指定動作”。業務底層由一系列聯動策略構成，聯動策略包括3個核心部分：觸發器列表、執行器列表、多個觸發器組成的規則表達式。聯動策略在云端平臺配置并下發至邊緣網關，后續的感知、傳輸、執行均在教室本地運行，不再依賴云平臺。

觸發器：包括時間、設備、策略3種觸發器。時間觸發器支持日期、時間、節假日的循環或單次觸發條件；設備觸發器負責監聽傳感設備的實時數據變化；策略觸發器支持根據其他策略的執行狀態來觸發本策略執行。

執行器：包括設備、消息、策略3種執行器。設備執行器支持設備實時操控；消息執行器對接校園網其他系統，實現IM消息通知和短信通知等；策略執行器負責控制其他策略，包括激活、啟停指定策略，調整指定策略的狀態等。

規則表達式：用于描述情景聯動的條件邏輯。表達式是以數學表達式的形式存在，比如：（A==12）amp;amp;（B==“abc”||C==true）amp;amp;（！D）。表達式的解析和計算結果用于決定策略是否執行。

4云端平臺設計

云端平臺除常規的配置管理、系統監控、用戶管理等外，其主要核心業務包含遠程設備管理和音視頻服務。

4.1設備管理

智慧教室管理的核心為教學設備的全生命周期管理，這也是教室資產管理的重要內容[7]。智慧教室云平臺的設備管理主要包含設備注冊、物模型管理、空間管理三個方面。

設備注冊：公共的物聯網設備托管平臺通常要求設備在管理臺提前錄入。然而智慧教室云平臺采用入網發現機制，設備無須逐一提前錄入。設備入網時，邊緣網關自動上報云端，便于教室自由增減設備。

物模型管理：為便于識別設備的類型、品牌、功能，云平臺須提前根據設備類型配置物模型。例如針對格力空調，須提前定義其功能，包括冷暖、溫度閾值等。設備入網時，邊緣網關上報云平臺，攜帶設備ID、物模型ID等，云平臺將自動識別并新增設備。

空間管理：為便于日常運維管理，云平臺支持空間劃分，提供樓棟-樓層-教室的多級空間管理。每臺設備或邊緣網關可劃歸至指定空間。

4.2音視頻服務

音視頻服務包括視頻流媒體服務與音視頻VoIP通信服務兩大系統。

視頻流媒體服務采用開源解決方案SRS，主要服務于教室內攝像頭。SRS為一個開源的（遵守MIT協議）簡單高效的實時視頻服務器。攝像頭配置并啟用GB28181協商和推流，經由視頻服務器提供Web瀏覽器或手機App端的視頻播放，播放以WebRTC為主。

VoIP通信服務采用自研的音視頻會話服務，該服務基于SIP協議[8]，主要支持點對點的二者音視頻通話，提供基本的呼叫、接聽、掛斷等功能，視頻基于H264，音頻采用Opus。

5網絡故障處置機制

針對網絡通信異常情況，智慧教室云平臺具備相應的容災容錯處置機制，確保核心業務不受影響，數據不出現錯亂，通信恢復時能及時校準數據。在不同通信狀態下，系統的處置機制如下。

5.1網絡故障期間的處理

網絡故障期間，邊緣網關獨立運作，不受影響，本地的情景聯動繼續正常工作。此時，設備數據上報云端雖發生失敗，但邊緣網關不予重試。同時，邊緣網關將繼續定期發送自身的心跳消息。云平臺在此期間無法正常遠程調控設備，亦無法接收設備的定期心跳消息，設備看板將顯示該邊緣網關網絡故障，網關所屬的所有下游設備均顯示網絡故障。

5.2網絡恢復時的處理

網絡恢復時，云平臺將重新接收邊緣網關的心跳通知并予以答復。邊緣網關接收到心跳答復時，將重發故障期間的設備入網與脫網消息，以此保持與云平臺間的設備清單同步。

5.3消息丟失的處理

網絡不穩定時，消息收發易發生消息丟失的情況。除借助消息中間件MQTT外，通信消息采用請求/應答模式，未收到響應的指令將視為失敗，并允許重試。邊緣網關上報普通的設備狀態變化不依賴服務端響應，因此云平臺設備數據可能不正確。但用戶查閱該設備時，云平臺會檢查設備數據的更新時間，若更新間隔超過5分鐘，云平臺將自動發起實時查詢，借此校正雙方數據。

6結束語

物聯網技術及其應用為智慧教育的發展帶來新的契機。本文以“智慧教室”應用為例，介紹如何應用物聯網技術構建智能化的教育體驗。系統采用“云-邊-端”協同模式的設計理念，引入物模型數據規范，提供靈活的情景聯動能力和容災保障能力，為師生提供健康、科技、智能化的教學環境，是教育環境數字化和教育創新的新嘗試。系統的設計、構建、剖析亦為教育科技同行提供經驗分享與借鑒，共同加速智慧教育應用的創新迭代。

下一步，計劃在現有系統基礎上擴展環境感知和互動能力，拓展智慧教室的數字化廣度與深度。同時，進一步提供標準化的數據開放和能力開放，融入智慧校園平臺，并結合數字孿生技術，打造全場景、全要素、全周期的數字化與智能化智慧校園。這也是未來智慧教育在校園物聯網領域應用實施的技術趨勢。

參考文獻：

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[8]中華人民共和國信息產業部.會話初始協議技術要求（第一部分基本的會話初始協議）[S].中華人民共和國通信行業標準，2003：1-6

【通聯編輯：謝媛媛】