基于物联网技术的智慧教室设计与实现

阎 坚，桂劲松

(1.中南大学 信息与网络中心，湖南 长沙 410083；2.中南大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙 410083)

基于物联网技术的智慧教室设计与实现

阎 坚1，桂劲松2

(1.中南大学 信息与网络中心，湖南 长沙 410083；2.中南大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙 410083)

随着高校对多媒体教室等教学资源投入的增多，如何促进教学环境的全面智能化，使得多媒体教学设备得到高效利用和有效管理，成为主要关注的问题。该文针对某高校目前使用的智慧教室系统所存在的问题，结合物联网技术提出了一种新的智慧教室系统架构，并给出了一种具体实现方案。现有智慧教室系统是架构在整个校园网上的巨大分布式系统，对分布广泛、数量众多的网关设备的软硬件要求高，因而构建与维护成本也高。新架构与实现方案利用物联网技术并结合云计算，使得网关设备只需要具备基本的套接字通信能力，而不需要使用更高层协议与后端服务器通信，从而降低了对数量巨大的网关设备的软硬件要求，有利于节省系统构建与维护成本。

物联网技术；云计算；智慧教室；物联网网关

一、引言

随着信息技术融入教育教学业务[1]，智慧教育学习环境[2][3](如智慧教室)建设成为高校教学资源投入的新方向。将云计算引入教育领域将显著地加快信息技术促进教育变革的进程[4][5]，云智慧教室[6]环境的搭建为信息技术与课程整合创新提供了非常有利的条件[7]，为教与学提供了人性化、智能化的互动空间[8]，顺应了“互联网+”教育的发展趋势[9]。

二、实践案例的启示

以作者所在的高校为例，多媒体教室分布在多个校园的不同教学区，设备型号众多，操作方式多样。教师必须了解各个型号的差异和使用的差别，才能顺利使用多媒体设备，工作强度较大。若多媒体设备出故障且不能得到及时处理，则会影响教学进程。同时，若任何人(如教师、学生、外来人员等)均能开启多媒体教室的设备，则会造成管理上的混乱。

目前，该高校解决了多媒体教室系统与学校部分其他系统(如排课系统、一卡通等)的信息共享，实现了上课教师的身份识别。设置于各个多媒体教室中的网关具备512M的内存、4G存储空间，通过通用I/O(General-Purpose Input/Output, GPIO)接口与教室多媒体设备(如投影仪、电源开关、投影幕布、电脑等)关联，实现对这些设备的感知与控制，即将设备状态信息发送给后端服务器，并根据接收的服务器指令对设备进行控制。采用SQLite(即一种轻型的关系型数据库管理系统)构建与管理数据库，存储局部规则和设备地址等持久信息。该类网关需要实现更高层次的网络应用层协议，采用J2ME技术实现RFID和串口通讯功能，向下实现对多媒体设备的控制，向上实现与设备访问服务器(Device Access Server，DAS)的通信。由于存在不同类型的多媒体设备，为了能够通过网关设备对其进行统一的处理，网关设备通过串口和各个多媒体设备进行关联，根据匹配的设备类型，自动寻找预存于服务器数据库中的智能设备的合适指令码并下发，从而实现统一处理。

DAS是设备和应用服务系统之间的中间层，方便不同厂商的不同类型设备接入。同时，DAS通过IP实现对不同教室的寻址，每一间教室分配唯一内部IP地址，而教室内部设备地址由网关分配，从而实现远程批量的设备控制。DAS基于远程过程调用(Remote Procedure Call，RPC)通讯软件来实现与部署于各个多媒体教室中网关设备的通信，实现对全校教室的统一管理。应用服务器部署在学校数据中心机房，其指令通过DAS下发到指定教室的网关设备，接收到指令的网关查询本教室的设备地址，并通过RXTX(即一个提供串口和并口通信的开源Java类库)模块对适配的端口发送指令，从而实现对教室设备的控制。同时，网关设备周期性向服务器发送心跳包，报告自己的状态，提供管理员查询的依据。

基于上述介绍可知，该高校现有智慧教室应用系统是一种架构在整个校园网上的分布式系统，各个分散的网关设备与集中部署的应用服务端之间通信需要更高层次应用层协议的支持，使得数量众多的网关设备的软硬件(如处理器、存储资源、协议栈以及业务功能处理逻辑等)成本增加。本文受物联网技术应用案例[10][11]的启发，利用物联网技术对该高校智慧教室系统进行全新设计，提出了一种新智慧教室系统构架，并给出了一种具体实现方案。该方案降低了对数据众多的网关设备的软硬件要求，即网关设备只需具备基本的套接字(Socket)通信能力，而无需利用更高层次的应用层协议与后端服务器通信，有利于节省系统构建与维护成本。

三、基于物联网技术的智慧教室架构

基于物联网应用体系结构，分为三个层次：感知层、传输层、应用层。感知层部署于每间多媒体教室内，各种物联网组网技术均可使用，通过物联网网关与各种传统网络设施连通。传输层可利用现有校园网设施，将网关汇聚的感知层数据传输到云中心的应用服务器处理；网关的通信协议可以轻量化，也无需部署复杂的应用层处理功能，从而实现与后台应用业务逻辑的解耦。应用层对收集到的感知数据进行处理，如基于亮度传感器感知的数据，判断若处于上课时间，且教室亮度低于阈值，则下发指令打开照明灯。该指令的下发一直传输到指定教室的环境设备控制器(该控制器可根据不同指令类型，分别对照明灯、空调、空气净化器等设备的开启、调节等操作进行控制)，接收到该指令的环境设备控制器查询本教室的照明灯设备地址，并通过RXTX模块对适配的端口发送指令，从而实现对该设备的控制，即打开照明灯。对多媒体教学设备的控制过程也类似，不再赘述。本文提出的智慧教室系统架构如右图1所示。

管理员可以在监控中心的大屏幕上显示平台综合信息，任课老师可以在多媒体教室的计算机上通过客户端程序查询到本堂课的关联信息。智慧教室服务器用于部署教室管理平台(应用服务器)，以及设备访问服务中间件(DAS)，并与校园卡信息接口以及排课系统进行对接，并互联与共享信息。管理员或教师通过下载相关App，可以随时监控平台综合信息或查询到指定堂课的关联信息。

四、智慧教室的设计方案

基于物联网技术的智慧教室系统设计需要考虑感知层、传输层、应用层三个层次的设计需求。对面积不大的小型教室，感知层采用星型拓扑结构。星型点为网关设备(如普通无线路由器)，教室内的所有感知点都直接与网关设备通信。网关直接连入有线校园网，为数据传输到云中心提供传输通道。根据智慧教室应用需求，部署在云中心的应用层需要处理从感知层收集的数据，通常涉及数据的清洗、存储、分析、检索等操作。应用客户端是用户(如管理员、教师等)与智慧教室应用系统交互的界面，其实现应与应用服务端的业务处理功能实现解耦，因此，需要设计一个中间件层以便实现这个解耦目标。对逻辑简单的应用，中间件与应用服务端通常一并考虑进行设计。小型教室感知数据的传输、处理、使用等各个阶段所涉及到的软硬件功能模块如图2所示。

图1 智慧教室系统架构图

图2 小型智慧教室的实现方案示例图

对面积较大的教室，既然并非所有感知点都能与网关直接通信，那么星型拓扑结构就存在局限性。因此采用ZigBee技术(即一种低速低功耗的多跳无线传输技术)组建树型网络拓扑。该拓扑既具有感知区域的可扩展性又具备逻辑控制的简洁性，是大型教室感知网络拓扑设计的一种理想选择。如下页图3所示，这是一种在大型教室中感知数据的传输、处理、使用等各个阶段所涉及到的软硬件功能模块，与图2的主要区别在于使用了ZigBee技术而不是WiFi技术来进行感知数据的汇聚传输。

在确定ZigBee网络拓扑结构后，还需要确定ZigBee节点类型以及设计问题，包括ZigBee终端节点、ZigBee路由器、ZigBee网关等。ZigBee终端节点不承担维持网络结构的任务，其任务是将感知的数据通过串口读入，封装成可进行路由转发的数据包，再发送给相邻的ZigBee路由器。ZigBee路由器需要承担维持网络结构的任务，接收相邻节点(包括ZigBee终端节点和ZigBee路由器)发过来的数据包，并进行路由转发(例如，根据接收的数据包中的目的地址，查询自身维护的路由表，将数据转发给路由表中匹配项所指出的下一级节点)。

图3 大型智慧教室的实现方案示例图

(一)智慧教室的感知点部署与组网

在感知层，需要根据具体应用的功能、性能、与传输节点对接的技术要求等，确定传感器种类。从不同的分类角度，传感器种类数目差异很大，例如，从接口类型分，通常有串行接口和并行接口，数目比较固定，而从功能角度分，则数目众多、难以枚举。传感器接口种类的不同对数据传输性能的限制也不同。例如，UART是一种通用串行数据总线，用于异步通信，可以实现全双工传输和接收，具有这种接口的传感器的传输距离从几米(RS-232)到百余米(RS-485)，最大传输速率约115.2Kbps。I2C是一个双向的两线连续总线，一种串行扩展技术，高速模式支持快至3.4Mbps的速度，具有这种接口的传感器需要时钟同步。

各类设备控制器的核心部件可采用Beagle BoneBlack，其中AM3358是ARM Cortex-A8内核的微处理器，使用Linux作为操作系统，采用JDK8作为虚拟机环境，从而达到了人机展现、数据传输、设备控制多个环节均采用一套编程语言的目的，极大地简化了开发过程和部署复杂度。

在网络层，需要考虑将局部的感知节点组建为局域网。对小型教室，若感知点集成了WiFi模块，即可与普通无线路由器构成星型拓扑。对大型教室，采用ZigBee技术组网，其组网过程由一个协调器节点发起。首先协调器选择一个信道和一个网络ID (即Personal Area Network ID，PAN ID)，随后启动整个网络。此外，协调器还承担网络的配置工作。一旦完成这些工作，协调器就跟一个ZigBee路由器的作用一样，因此，可以选择一个ZigBee路由器来充当协调器。

ZigBee终端节点和ZigBee路由器都可以考虑选用HFZ-CC2530EM-V1.0 模块来开发。该类模块采用了德州仪器(TI)的ZigBee 射频芯片CC2530-F256，片上集成了高性能低功耗8051 内核、12比特ADC、2 个USART 以及功能强大的DMA功能等，支持ZigBee2007/Pro协议栈。

在ZigBee终端节点上，需要进行应用程序开发，也可以将已开发好的程序烧写到ZigBee终端节点，通过HFZ-CC2530EM-V1.0 模块的调试接口，可方便地进行程序的调试、下载和协议分析。路由对应用层是完全透明的，应用程序只需向下发送去往任何设备的数据到协议栈中，栈会负责寻找路径，因此，ZigBee路由器只要具有ZigBee2007/Pro协议栈即可胜任工作。

(二)智慧教室的物联网网关

若采用ZigBee技术，则需要设计特定的ZigBee网关。ZigBee网关除了承担将ZigBee网络与有线校园网或因特网连通的任务外，还要充当数据收集网络汇聚点的角色，并将汇聚的数据发送到应用服务端进行处理。因此，可考虑选用基于Cortex-A8的开发板x210ii来实现ZigBee网关的设计目标。x210ii是一块以S5PV210为主控芯片的开发板，由核心板、底板和液晶板三大块组成，支持USB接口WiFi、以太网DM9000CEP、GPRS接口、外置USB 3G模块、GPS接口等。x210ii通过串口外接一个CC2530，以实现与ZigBee网络的连接，通过以太网DM9000CEP与有线校园网连通，或通过外置USB 3G模块，实现通过蜂窝网接入因特网的目标。同时，基于x210ii的Android平台方便开发客户端程序将感知数据传输到远端的应用服务器端。

(三)后台应用与移动App

在处理和应用阶段，需要考虑搭建一个后端处理平台。一种做法是购买服务器设备、搭建服务器端软件平台，包括安装数据库管理系统软件(如MySQL)、Web服务器软件(如Apache或Tomcat)等，并需要考虑为服务器设备配置固定IP地址，并申请域名等；另一种做法是购买校内云服务，通过提交相关资源需求参数(如服务器配置、访问带宽、IP地址等)向校内云服务提供单位购买后端处理平台资源。无论采用哪种后端处理平台搭建方式，若采用Apache，前端开发语言可选PHP，后端网络应用程序开发语言可选Java或PHP；若采用Tomcat，则相应选用JSP和Java。

在后端处理平台上，需要开发部署与嵌入式开发平台(如使用了Cortex A8的开发板)上已开发的客户端程序相对应的服务端应用程序，以便于接收感知数据并进行相应处理。这里涉及与客户端的Socket连接的建立、客户端发送数据的收取、接收数据的清洗、数据库表的建立与数据存储、数据的增删改查等操作。另外，需要开发部署与用户APP通信的服务端应用程序，可通过提供API接口的方式，实现用户APP端与后台业务处理端的解耦。API提供功能的实现属于中间件层的工作，可使用PHP在中间件层编程实现。用户APP可基于Android平台采用Java实现。

四、结束语

物联网目前是备受关注的前沿研究领域，己经引起了学术界和工业界的广泛重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。基于物联网技术的智慧教室的设计，把地理隔离的各校区内多媒体教室内的所有感知点统一接入传感网络，进而连入校园网，与排课系统、一卡通等系统互通共享，随时获取各个教室的设备感知情况，真正实现对多校区教室的全面感知，有效地提高了多媒体教室的管理和维护效率。

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Design and Implementation of Intelligent Classroom Based on Internet of Things Technology

Yan Jian1, Gui Jinsong2
(1.Information and Network Center, Central South University, Changsha Hunan 410083; 2.School of Information Science and Engineering, Central South University, Changsha Hunan 410083)

With the increase of the input into the multimedia classroom and other teaching resources in colleges and universities, how to make the teaching environment comprehensively intelligent so as to e ff ectively use and manage multimedia teaching equipment has become a major concern. Based on the problems existing in the intelligent classroom system of a certain college, this article puts forward a new intelligent classroom system framework combined with the Internet of things, and presents a concrete implementation plan. The current intelligent classroom system of the university is a huge distributed system on the whole campus network, which puts high requirements on the software and hardware of the widespread countless gateway equipment, so the costs of construction and maintenance are high. The new framework and implementation plan with the use of the Internet of things combined with cloud computing decouple the application logic association of the gateway equipment and background operation, thus it reduces the requirements for software and hardware of the gateway equipment with huge data and saves the costs of system construction and maintenance.

IOT; Cloud Computing; Intelligent Classroom; IOT Gateway

G434

A

阎坚：工程师，主任助理，研究方向为教育技术应用(1196064816@qq.com)。

桂劲松：副教授，研究方向为无线网络、移动计算(jsgui06@163.com)。

2016年9月20日

责任编辑：赵兴龙

1006—9860(2016)12—0083—04