基于物联网的智慧教室研究

周芹

摘要：首先分析了高校多媒体教室在传统管理模式下存在的问题；然后从多媒体教室有效管理的角度出发，阐述了智慧教室和物联网技术的概念；最后对基于物联网技术的智慧教室进行了研究，设计了一套完善的、可行的智慧教室建设方案。

关键词：物联网；智慧教室；系统设计

中图分类号：TP399 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）32-0269-03

On Studing Intelligent Classroom Based on Internet of things

ZHOU Qin

（Department of Computer Engineering， Dongguan polytechnic College， Dongguan 523808， China）

Abstract：Firstly， the paper analyzes the problems existing in the traditional management mode of multimedia classrooms in Colleges and universities； Then， from the perspective of effective management of multimedia classroom， expounds the concept of smart classroom and internet of things technology； Finally， studies the intelligent classroom Based on the Internet of things technology， and designs a set of perfect and feasible construction scheme of the intelligent classroom.

Key words： Internet of things； Intelligent classroom； System design

1 概述

物联网通过传感器、RFID以及各种采集设备，把某一范围内物体的数据通过各种通信链路进行传输、通信，达到物物相連，智能控制的目的。广泛地应用于城市管理、交通、医疗、物流、社区管理中，掀起了计算机发展的第三次浪潮。在教育领域，物联网也得到了广泛的应用，出现了智慧校园、智慧教室[1，2]。2010年，许多国家提出了智慧校园，国内的许多高校把智慧校园建设纳入学校建设的重大规划中。目前，国内的很多高等院校已经建设了智慧校园，还有部分还处于建设中，智慧校园已经成为数字校园发展的一个必然趋势[3，4]。因为建设周期长，牵涉的部门多，各个高等院校侧重点不同，智慧校园目前还没有统一的规范和标准。我国各大型的软件开发公司都有智慧校园的案例，目前主要的功能有网络监控、校园卡业务、大数据共享平台、门禁身份识别、监控系统等。在高校“智慧校园”的建设中，和教学密切相关的“智慧教室”也逐渐受到关注。“智慧教室”建设是一个复杂的系统化工程，本文基于目前高等院校的多媒体教室现状，提出了一个基于物联网、移动互联的智慧教室的解决方案，实现教室的智能控制和管理，为师生提供一个更好的交互式的教学环境。

2 研究现状

2.1 智慧教室的概念

随着“智慧地球”的概念提出，引导式教学、项目式教学、启发式教学等多种教学模式的研究，为了深化教学改革，在教学中以学生为中心，增强学生之间、师生之间的交流与互动，利用互联网技术把多媒体教室的设备和教学资料通过各种网络连接到智慧教室平台，促进教学工作更好地开展[5，67]。

智慧教室没有统一的标准，有些称为未来教室、未来课堂等，国内外也有很多公司和学者研究了智慧教室。1985年苹果公司启动了“明日苹果教室”（ACOT）研究项目，通过近十年的研究探讨技术和教育的关系；微软资助赛格德大学进行了未来课堂项目的研究；国内的一些高等院校如武汉大学、清华大学、华中师范大学、浙江大学等也建设了智能教室项目[8，9]。

2.2 高校多媒体教室管理现状

目前各高校都已经启动了智慧校园建设，但是功能单一，大多数仅仅是校园卡、门禁系统等，多媒体教室还没有实现智能化管理，存在如下的问题：

1） 管理维护难度大

高校多媒体教室数量多、分布广，且多媒体教室建设于不同时间段，设备品牌、型号不尽相同，传统管理模式需要管理员定期对每台多媒体计算机操作系统进行升级、更新补丁等；并且无法对多媒体教室投影机的使用状况进行实时监控和数据采集等。若多媒体设备出现故障，管理人员需进行现场维护，因设备故障多，管理人员少，无法及时响应所有设备故障，故工作效率低、维护难度大给管理人员带来难题。

2） 缺乏安全稳定性

高校多媒体教室承载了各系大部分课程，是教与学的重要场所。每间多媒体教室的使用者不同，不同的上课教师需要不同的教学课件和素材，会经常用U盘拷贝一些文件到多媒体电脑里，这样容易感染病毒，存在较大的系统安全隐患。由于多媒体电脑安全稳定性差，影响到正常的教学秩序。

3） 非智能化控制能源浪费大

目前我国各类学校，特别是高等院校大部分教室都有多媒体教学设备、照明设备和温控设备等，而这些设备目前都处于人工管理模式，例如教室门、照明设备、温控设备等由物业公司管理员负责开或关，还未实现教学环境的智能化控制，所以经常存在教室无人设备常开的现象，造成大量的能源浪费。

3 基于物联网的智慧教室体系架构

针对目前高校多媒体教室管理中存在的问题，本文从多媒体教室有效管理的角度出发，在物联网技术的基础上，通过引入相关的感知和控制技术，以及相关软硬件资源的整合，实现多媒体教室的智能化管理，为师生提供更人性化的服务。整个架构包括智慧教室控制层、网络层、感知控制层，包含了智慧教室建设的方方面面，将整个信息化环境很好地融合在一起。endprint

各层的功能如下：

1） 感知控制层

感知层作为整个系统的底层，为上层的应用层采集基础数据，主要包括RFID芯片、传感器、控制器、智能终端设备、摄像头、二维码等。

传感器是智能控制主要的数据采集者，主要有温湿度传感器、光线传感器、位置传感器。温湿度传感器为采集教室的温湿度，为空调和电扇的智能控制提供数据；光线传感器为教室的灯光、窗帘智能控制提供数据；智能终端主要包括手机、平板电脑和电脑，通过WIFI或互联网接入智慧教室平台；智能控制器包括教室的中央控制器、空调、灯光、窗帘等智能控制器，中央控制器接收传感器的数据，通过智慧教室平台进行智能判断，控制空调、灯光、窗帘的状态。

2） 传输层

传输层主要提供移动网络（3G/4G/5G）、Wifi、互联网、ZigBee网络、无线传感器网络服务，实现各层之间以及设备控制器之间安全、实时、可靠的数据交互。

3） 应用层

应用层主要包括具体的应用，主要包括：空调管理、教学管理系统、多媒体教室资产管理、窗帘管理、灯光管理、远程实时监控系统、考勤系统、通风换气系统等应用。每个应用系统在硬件上是独立的，统一通过智慧教室软件平台进行管理，通过软件可以查看各个应用中设备的运行状况。

4 系统设计

智慧教室系统总体包括硬件和软件部分，硬件部分主要为空调管理、教学管理系统、多媒体教室资产管理、窗帘管理、灯光管理、远程实时监控系统、考勤系统、通风换气管理，软件部分主要为智慧教室软件平台，对各个硬件系统进行监控和管理，同时，智慧教室还提供大量开放的应用程序接口和函数库，计算机专业的师生可以在此基础上进行二次开发，为师生提供一个开放式的实训和学习平台。

图2为系统的网络拓扑图，智慧教室管理平台安装部署在服务器上，通过交换机和各个教室相连，教室里面安装一个带WIFI的路由器，传感器和智能控制器通过ZigBee网络和中控进行通讯，通过中控连接到网络中。各个应用层的设计思路如下：

1） 教学管理系统

教学管理系统主要的硬件设备有电脑、投影机、音箱、功放、麦克风、射频读写器、中央控制器，硬件集中安装在讲台中。教师走进教室，在读卡器上刷校园卡，系统进行身份识别，通过控制器自动开启投影、功放、音箱、投影机的电源，并启动电脑。教师使用完合上讲台桌面盖板，自动关闭相关的所有设备。

2） 学生考勤系统

学生考勤系统由读卡器、校园卡（IC卡）和相关的软件组成。在教室的入口处安装一个读卡器，学生进入时刷卡，读卡器读取学生的学号、班级、进入教室时间等信息，存储到电脑主机中，教师打开智慧教室系统，系统自动读取文件中的学生数据，进行迟到、旷课的判断，并推送考勤结果给教师。

3） 资产管理系统

资产管理系统主要由：RFID读写器、RFID标签以及相关的集成软件系统。教室内的所有固定资产都贴上RFID标签，标签存储设备的型号、类型、运行状态等基本信息。在教室的前后门安装RFID读写器，可以随时通过集成软件查看教室的固定资产，还可以对未授权带出教室的设备进行报警。

4） 窗帘管理

窗帘管理系统主要由光线传感器、智能控制器组成。通过光线传感器采集数据，根据不同的场景模式把窗帘打开到最佳的位置。同时，还可以通过智慧教室平台进行远程控制窗内的开关、定时开关。

5） 灯光管理

灯光管理系统主要由光线传感器、位置传感器、灯管控制器、窗帘系统和相关软件组成。可以根据光线传感器自动切换白天或夜晚模式，并根据人体位置、光线强弱自动切换到最佳光线。同时，还可以检测到投影机的开关，切换到投影模式，营造最适合的上课氛围。通过智慧教室平台还可以实现教室灯光的远程监控与管理。

6） 空调控制系统

空调管理系统由空调控制器、温湿度传感器和集成软件组成。传感器采集教室的温度、湿度信息，通过控制器对空调进行调节。可以通过智慧教室管理平台设置需求开启空调的温度范围，室内温度超出范围外则需要开启空调。

7） 通风换气系统

通过换气系统主要通过CO2传感器采集教室内的CO2浓度，若超过规定的阈值，通过ZigBee网络和通风换气系统的智能控制器进行通讯，开启排气扇。

8） 视频监控系统

在教室前后角安装红外摄像头，当教室有人出现，即开始录像，若持续一段时间画面不动，则停止录像。录像数据通过专线连接到视频处理存储设备进行压缩存储，并能够实时传播视频数据。

综上所述，所有子系统硬件部分主要负责数据的采集和智能控制，所有子系统的软件功能集成到智慧教室管理平台，管理人员可以直接设置各个子系统的参数，查教室各个子系统设备的运行状态，并能够通过系统直接对设备的状态进行控制。

5 结束语

智慧教室结合了互联网、移动网络、物联网、无线传感网络以及软件开发等技术，实现了多媒体所有设备运行状态的实时监控与管理，提高教室管理人員的工作效率；通过采集光线、温度、空气数据，实现了灯光、空调、排气扇等设备的智能控制，为教师和学生提供良好的教学环境；提供开发的应用程序接口，为师生提供良好的实训平台。目前智慧教室的建设还只是停留在设备的智能控制上，未来智慧教室研究的重点在于如何通过人机交互提升教学质量。

参考文献：

[1] 程敏. 信息化环境中智慧教室的构建[J]. 现代教育技术，2016，26（2）：101-107.

[2] 张亚珍，张宝辉，韩云霞. 国内外智慧教室研究评论及展望[J]. 开放教育研究，2014，20（1）：81-91.

[3] 黄荣怀，胡永斌，杨俊锋，肖广德. 智慧教室的概念及特征[J]. 开放教育研究，2012，18（2）：22-27.

[4] 周浪，林哲，胡晓芳，李峰. 一种基于物联网的智慧教室方案的设计与实现[J]. 无线通信技术，2014，23（4）：53-56.

[5] 阎坚，桂劲松. 基于物联网技术的智慧教室设计与实现[J/OL]. 中国电化教育，2016（12）：83-86.

[6] 金江军. 智慧教育发展对策研究[J]. 中国教育信息化，2012（22）：18-19.

[7] 陈磊，徐佳丽. 基于物联网的高职智慧教室建设研究[J]. 职教论坛，2014（35）：23-25.

[8] 徐春林. 一种基于“互联网+”的高校智慧教室设计[J]. 淮海工学院学报：自然科学版，2016，25（4）：21-24.

[9] 靳旭莹，马晓萍，申巍. 智慧教室的初探[J]. 教育教学论坛，2014（44）：8-10.endprint