基于物聯網的高校智能教室系統設計與實現

摘" 要：在闡述智能教室內涵及特點的基礎上，將物聯網技術融入傳統高校多媒體教室，利用物聯網技術對教室內設備進行集中管理和控制，能有效提升高校多媒體教室信息化水平。文章分析了物聯網智能教室管控系統的功能需求，設計了系統拓撲體系架構和系統體系架構，構建了基于物聯網技術的智能教室管控平臺。

關鍵詞：物聯網；高校；智能教室；教室管理；系統架構

中圖分類號：TN915" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：2096-4706（2025）01-0177-07

Design and Implementation of Intelligent Classroom System Based on Internet of Things in Colleges and Universities

Abstract： On the basis of expounding the connotation and characteristics of the intelligent classroom， the Internet of Things technology is integrated into the traditional multimedia classroom in colleges and universities， and the centralized management and control of the equipment in the classroom by using the Internet of things technology can effectively improve the information level of the multimedia classroom in colleges and universities. This paper analyzes the functional requirements of the intelligent classroom management and control system of the Internet of Things， designs the system topology architecture and system architecture， and constructs the intelligent classroom management and control platform based on the Internet of Things technology.

Keywords： Internet of Things; colleges and universities; intelligent classroom; classroom management; system architecture

0" 引" 言

高校教室是實現高校人才培養、教育教學的重要基地[1]。近年來，隨著物聯網技術的飛速發展，高校的教室管理正向科學化、信息化、系統化邁進，高校教室信息化水平直接影響高校教育資源的分配與利用。物聯網智能教室系統建設需要考慮軟硬件成本，在充分利用現有設備的基礎上，制定出一套集安全性、可靠性、實用性、兼容性、可擴展性于一體的解決方案。利用物聯網技術建設的高校智能教室管控系統為改善教學條件和提升教學水平提供支持，從而全面提升教室管理效率，為高校師生信息化應用水平的提升營造良好的實踐環境[2]。下面以南方醫科大學的物聯網智能教室管控平臺建設為例，重點分析系統需求、設計及實現。

1" 物聯網智能教室系統需求

基于物聯網技術的高校智能教室管控系統是將教室各類設備通過物聯網技術融合為一體，為管理人員管理和維護教室內的設備提供方便快捷的服務。智能教室管控系統集成了物聯網技術中傳感器數據采集、互聯網關、終端應用開發等多種技術，從高校智能教室的需求出發，在設計開發過程中，主要分析如下幾項功能需求：

1）教室智能設備控制模塊。教室管理人員可以通過該模塊查看教室內各設備的工作情況，實現對教室設備的全面管控，該模塊將燈光、窗簾、投影、計算機、功放、音響、空調、傳感器、室內環境實時監測等設備通過云端進行遠程控制，達到場景式控制和可視化管理，實現對設備設施智能化維護，對發生故障的設備進行預警和診斷[3]。對教室設備進行全面管理和控制，除可以使用對某一臺機器單獨操作外，該模塊還可以批量操作多種設備，從而節約教師和工作人員課前準備的時間，提升課堂教學的效果。

2）IP對講廣播應用系統。為適應信息化教室管理，滿足數字化、智能化教室的建設需求，及時解決設備故障、應急廣播、考場管理等問題，可通過IP廣播方案解決應用需求。教室對講系統將可視對講機進行物聯，實現教室與設備控制中心管理人員、教室與教室之間的實時遠程對講。該系統可用于教師、學生在教室內請求管理者的協助，教室管理人員向指定區域發布重要通告、應急廣播等。

3）信息統計、異常告警、可兼容性。智能教室管控系統能夠實時對教室的設備使用情況進行統計分析，若設備出現異常情況，管控系統自發啟動告警系統，及時通知維修工作人員，便于管理員及時對設備進行維修維護。該系統基于B/S架構實現，兼容性好，支持任意瀏覽器訪問。

4）物聯網智能管控中心。物聯網智能教室管控系統將監控攝像頭、投影、電腦、窗簾、空調、燈光、傳感器、互聯網關等設備進行統計分析，利用物聯網技術構建智能化的物聯網系統。為各類設備的數據信息共享和互動創造了條件。在明確智能教室管控平臺的核心功能及其架構的基礎上，建設具有綜合值班、教學觀摩、考試巡查、遠程控制、應急指揮等功能的系統，可在網絡管理模式、教學巡視模式、考試巡查模式、視頻監控模式之間自由組合切換。系統架構如表1所示。

系統架構是基于云計算的物聯網一體化教學應用，以上各項功能的相應內容如下：

1）數據分析采集。存儲業務數據和系統數據，如基礎數據（人員、課室、課程等），主題數據（利用商業智能BI進行數據挖掘分析）、統計數據、日志數據和相關非結構化數據。

2）環境感知分析。通過傳感器采集教室內電腦、投影、功放、空調、電源、窗簾等設備數據信息，提供無線傳感網絡和硬件設備的數據，同時對各類設備的數據進行分析和處理。

3）數據傳輸。基于因特網、校園網、校園無線網絡，以物聯網關為核心，通過多協議融合，實現多終端多協議的物聯網連接。連接感知層與應用層，使二者可以高效、穩定地聯系，以可靠、安全為原則，在相應智能教室中進行智能網關的架構，把收集到的信息傳輸給應用層，將各類硬件設備連接成為一個體系，構成一個互聯互通的網絡。

4）信息應用。搭建信息相互鏈接的平臺，構建設備管理和控制、人員考勤、環境監測及智能管理等系統模塊[4]，為學生、老師、管理人員提供可視化的數據展示和教學相關的互動與應用。

2" 物聯網智能教室系統設計

2.1" 系統架構設計

物聯網智能教室系統設計預留了應用程序接口和相關擴展接口，使其具有較好的擴展性和可兼容性，這樣可以更好地進行設備控制，以便系統能夠提供合理且可擴展的多應用程序系統架構[5]。系統的具體構造如表2所示。

系統架構主要包括感知層、網絡層、應用層及硬件通信層。內容如下：

1）感知層。感知層包括傳感器信息采集來自底層硬件設備的數據，已達到控制和調用的目的。主要對教室內相關設備進行采集，利用傳感器收集設備信息，監控攝像頭，對教室環境進行數據感知、數據采集，對各類智能設備的互聯互通提供數據支撐。

2）網絡層。網絡層把收集到的信息傳輸給應用層，同時將各類硬件設備連接起來，構成一個互聯互通的網絡體系。網絡層云計算技術的應用確保建立實用、安全、可靠的信息化、智能化系統，網絡層面向數據，包括存儲、分析、傳輸等數據管理服務。

3）應用層。主要處理好信息和人機界面交互，在控制終端，實現手機、平板、電腦對設備的控制等，通過數據處理提供所需的信息服務。實現對投影、電腦、窗簾、燈光、空調等設備的檢測與控制，構建門禁考勤、設備管控、環境監測等系統模塊。

4）硬件通信層。硬件通信層包括控制器、寄存器、運算器、存儲單元、緩存、總線等，滿足物聯網智能教室管理的實際需求，構建完整的智能教室系統硬件體系，滿足智能教室管控系統運行的硬件環境。

2.2" 拓撲結構設計

對物聯網智能教室管控系統的相關需求，建立了總體框架，在計算機使用中，結合模塊化的設計，對各種功能進行擴展，同時為模塊預留接口[6]。各個模塊之間通過通信接口進行數據交互，以便更好地控制各類設備。系統拓撲結構設計如圖1所示。

基于物聯網系統安裝部署的特點和優勢：

1）全面感知。感知包括傳感器信息采集硬件設備的數據、處理并實時傳輸上層的數據、智能組網，以達到控制和調用的目的。物聯網關較好的伸縮性及整體架構的可擴展性，適時性高，響應時間短、兼容性好，對于電腦、投影、窗簾、燈光、空調等智能化改造，無須升級配套和改造現有線路，充分利舊，減少重復投資。

2）可靠傳遞。數據可靠傳輸保證數據的完整和安全，是保證物物相聯的關鍵要素，物聯網是一種異構網絡，不同實體之間的協議格式可能會有差異，故而需要通過相應的軟硬件來實現協議格式轉換，以確保項目間信息的實時、準確地傳輸。實現了不同傳感器之間的數據統一處理及信息交互。通信網關將不同傳感器的通信協議轉化為事先約定的、統一的通信協議，降低系統的耦合性，實現統一標準、統一規范、統一數據和統一平臺。

3）智能化處理。利用云計算引入流數據聚類算法，實現音視頻配置，通過動態推拉流技術，對數據信息進行分析處理，實現對教室設備智能化控制。充分利舊，將學校已經建設好的各種品牌型號的監控攝像頭進行實時觸發監控視頻流的調取，減少網絡負載，需要觀看時才從監控攝像頭調取推送，提高資源利用率。

2.3" 網絡架構設計

基于物聯網的智慧教室系統終端通過多重網絡進行數據的交互。依據各個模塊作用和功能的差異性，系統采用云部署模式，即整個物聯網智能管控系統的邏輯結構從邏輯上看只在云中部署的一個實例。所有的用戶都通過統一門戶訪問智能教室管控系統，所有應用系統以及數據統一在本系統中實現與部署，與教務等其他系統的整合也全部在本系統中完成。

本系統設置有展示模塊、倉儲模塊、傳輸模塊以及采集模塊，不同的終端可以通過無線數據傳輸，校園網、互聯網等實現數據交互[7]。具體構成如圖2所示。

在網絡架構設計中，經分析需求與規劃，此網絡架構采用物聯網關、數據交換機、遠程管控系統的結構方式：

1）物聯網關。通過傳感器采集物聯網環境中設備的數據，實現網絡感知和通信，在傳感器協議之間進行轉換，并在發送之前處理傳感器的數據[8]。根據受控接入設備的類型和要求，不同的連接控制器件來完成控制，如空調（紅外控制器+智能空開），燈光（照明控制器）、窗簾（窗簾控制器），投影燈其他串口通信設備用邊緣智能終端（協議轉換器）。

2）數據交換機。為控制投影、電腦、空調、燈光等傳感器的數據提供接口，完成數據接轉，將傳感器采集到的數據信息通過交換機集中傳輸給數據中心，由數據中心進行分析和處理。

3）遠程控制設備及系統。系統為管理者提供多維度的遠程設備管控方式，管理者可以從校園區劃的角度對特定區域的設備執行整體遠程控制（如針對一個校區，針對某一樓層，針對單間教室），也可以單從設備的角度對某種設備執行遠程管控（如打開所有智能教室的投影儀、電腦、窗簾等設備）。管理員無須到達現場，通過遠程交互，便可實現對所有設備的管控和調度，實現教室設備的智能化、透明化和人性化[9-10]。

3" 智能教室物聯網系統實現

以南方醫科大學物聯網智能教室為例，根據我校實際情況和需求，物聯網智能教室運維管理控制平臺主要實現如下功能：

1）多媒體教學設備智能控制平臺。根據教室管理需要，管理員可通過智能教室管控系統對各類教學設備、教學資源進行調節和配置，如圖3所示。

2）IP對講廣播系統，室內設備智能控制。通過IP廣播方案解決應用需求，教室對講系統將可視對講機進行物聯，實現教室與設備控制中心管理人員、教室與教室之間的實時遠程對講。可根據實際需要完成對設備的開啟與關閉，既可以單獨也可以批量開啟或關閉相應的設備，提升管理效率的同時達到節能減耗的目標，如圖4所示。

3）教室空間可視化。平臺采集空間設備信息與空間資源使用情況，通過跨平臺數據整合、大數據分析研判、數據挖掘等手段，生成可視化數據資源地圖，為管理者提供教學全流程質量分析，實時監測教室運行狀態。從教室空間應用，到教學活動數據，再到資源應用數據都做了全方面分析，為教學督導、教室建設、設備管理提供數據依據，如圖5所示。

4）軟硬件綜合集成管控平臺權限管理。針對不同用戶實行權限分配與管理，為不同用戶的賬戶設置不同操作權限，包括超級管理員、普通管理員、防丟預警接收員、教師管理員、二級審核和三級審核等，如圖6所示。

5）教學巡檢、APP或微信二維碼報修。通過監控攝像頭采集到的圖像數據對學生到課人數進行分析，加強教學過程的精細化管理，了解教室設備的運行狀態，使學校教室管理走向常規化、科學化、高效化。智能管控系統支持APP或微信掃碼報修，管理人員點擊報修故障記錄后，通過觀看設備故障前幾分鐘的音視頻，根據需要及時進行維修，維修數據形成統計報表，為管理者提供決策依據，如圖7所示。

6）教室預約。通過和教務課表對接，提升教室使用效率，支持多種終端進行訪問，師生可通過PC、平板、手機對教室進行查詢、申請，方便師生隨時預約和使用，如圖8所示。

4" 結" 論

以物聯網技術為基礎，建立智能化和模塊化管理模式，針對高校智能教室管控系統，闡述了基于物聯網的智能教室設計的重要意義，目標及原則。在智能教室的設計過程中，充分利用物聯網技術促進系統功能優化、服務優化，實現教室管理的創新與發展，為學校的教室管理與教學保障服務提供多元化、個性化、創新化支持，為廣大師生創造較好的課堂教學環境和教學氛圍，提升了教學效果，提升高校課堂教學的信息化水平，更好地滿足了現代信息化教學的需要。

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