校园智慧教室的物联网技术的应用

2018-07-12李小孟

电脑知识与技术 2018年12期

李小孟

摘要：当前信息化技术的飞速发展给职业学院的教学及管理带来了前所未有的更新发展，现在大部分学院都拥有现代教育教学设备，办学条件趋于完善。所有教室均配有先进的多功能电子白板多媒体教学设备与考试摄像监控系统；拥有上千台教学用电脑；各专业都配设了专门的实习实验场所；校园局域网可满足多媒体远程互动教学、网络资讯服务、备课及办公自动化等多种需要，本文研究的就是基于物联网技术的校园智慧教室，针对当前学院智慧教室的大量电器设备管理和日常管理实效化、智能化、科学化的实际需要，利用新一代物联网技术和智能感知设备构建校园智能化网络，帮助管理者提升智慧教室电器设备使用、维护和管理的效率，实现设备管理及能耗管理的数字化、智能化，决策的科学化，管理的现代化。提高管理者的工作效率、降低管理成本和人工成本。

关键字：智慧教室；物联网；节能；感知

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）12-0253-02

1 背景与意义

随着教育信息化的不断推进，学校里面的教学设备和电器设备也日渐丰富，多媒体教学一体机，网络中控台，投影仪，大功率空调等教学、电器设备已经成为教室里的标配，这些设备在给教学带来巨大便利的同时也给管理者带来巨大的困扰。放学忘关空调等设备的事件时有发生，日积月累，不光会产生巨额的能源浪费，还极大降低了这些昂贵设备的使用寿命。国务院“十一五”规划提出“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低20%左右的目标，2007年9月教育部向全国教育系统各部门颁布了《关于开展节能减排学校行动的通知》，重点强调加强学校师生的节能意识，加强节能环保基础教育，营造节能减排校园文化，进一步推动节约型校园的建设。所以日渐丰富的教学、电器设备跟与日俱增的能耗消费之间的矛盾越来越突出，急需用技术手段、科学的方法对这些设备进行合理的管控，从而达到科学的利用而又不浪费能源的效果。

2校园智慧教室管理平台建设内容

2.1建设内容

校园智慧教室平台的建设是针对学院教室的电器设备控制、电器设备运行状态监控、能耗监测、用电安全、教室安防和环境监测等管理需求，实现实效化、精细化、智能化管理。其具体建设内容如下：

1）实现教室电器设备远程和集中智能化控制，弥补管理漏洞，避免人工误操作、减少工作强度、提高管理效率、降低人工成本。

2）实现教室设备运行状态实时监控和能耗监测，方便管理者实时、全面了解设备运行状况和能耗情况，保证教室电器设备能够高效运行，支持决策过程的智能化和科学化，为科学管理和决策提供有效的数据支撑和保障。

3）实现教室用电安全管理，减少用电安全隐患，对教室用电管理做到及时准确。

4）实现教室安防监控管理，帮助管理人员实时监控、提前预警、准确定位、及时响应和快速处理。

5）通过环境监测和智能感知自动触发智能设备做出智能控制和调节。保证电器设备的合理利用，满足节能的需要。

3系统设计与实现

3.1系统总体框架

如上图示，系统采用4层架构，分别为物理设备层、智能感知和控制层、网络层和应用层。

物理设备层主要由各类受控电器设备组成；

智能感知控制层由各类传感/控制器组成，主要完成对电器设备的控制和状态、环境等信息的采集；

网络层由系统核心设备智能物联网网关和校园网组成，主要完成组网和信息的传递，网关的主要功能是提供无线连接和无线协议与有线TCP/IP协议之间的协议转换；

应用层由部署在服务器的系统软件以及安装在终端的APP组成，主要完成系统数据的汇聚、存储、分析和处理，以及提供用户操作界面。

1）物理设备层

物理设备层即受控电器设备层，由常见环境设备（如插座、灯光、风扇、空调、饮水机等）组成。目前系统已经可以集成校园内绝大部分的电器设备。

2）智能感知和控制层

智能感知和控制层由各种物联网智能控制、传感、仪表设备构成。包括三类设备，一类是感知设备，如烟雾感应器、门磁感应器等；第二类是控制器，包括控制灯光的智能开关、控制空调的空调控制模组等；第三类是测量类，如带能耗采集的智能插座、能耗采集模组等。智能感知/控制层主要完成信息的采集以及控制命令的执行。

3）网络层

网络层主要由智能物联网网关组成，该网关主要负责物联网无线网络和TCP/IP网络的桥接、控制指令的下发和设备状况的上传、无线设备基本信息及其路由管理、情景及安防控制等核心功能。网关将传感器采集的信息进行汇聚，并且根据ID分发控制命令给相应的传感设备。

4）应用层

应用层主要由系统服务器和客户端应用（PC web app、Android app）构成，系统服务器提供后台业务逻辑服务和数据存储服务，客户端应用为用户操作提供简洁、友好的图形化交互界面。

3.2 关键技术

1）物联网技术

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是"信息化"时代的重要发展阶段。其英文名稱是："Internet of things（IoT）"。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。

这有两层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是物物相息。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。

2）物联网网关技术

物联网网关用于物联网网络与TCP/IP网络的桥接互连，是实现物联网协议与TCP/IP协议转换的重要设备，也是整个物联网系统的核心设备。不仅转换上端发给设备的各种控制指令，而且还要将传感器设备上报的数据转换为TCP/IP协议包发送给应用层。物联网网关不仅要实现TCP/IP网络层的各种协议，如TCP/IP、UPNP、DDNS、HTTP、DNS等基础协议外，还要实现物联网设备入网/脱网、路由转发、路由重建等多种物联网网络的协议。网关还负责情景的执行，智能情景的自动判断和触发，安防检测以及告警，同时，物联网网关还提供非智能设备虚拟，安防告警短信推送等集成和扩展功能。

3）互联互通技术

在一个物联网系统中，存在有多个控制节点以及传感器节点，如何保证这些物联网节点的可靠通讯，在传输速率、功耗、传输可靠性上如何达到最佳的匹配、如何保证网络的安全性，如何保证不同厂商、不同种类设备的互联互通，是物联网应用的核心和难点，我们在物联网的系统设计理念中，一直遵循提供一个开放的系统和平台，运用我们先进的互联互通技术，保证物联网系统中的所有设备的互联互通。

4）网关虚拟化技术

网关虚拟化使得多个课室可共享同一个物理网关，且逻辑上每个教室对应有一个独立的逻辑网关，这个独立的逻辑网关下可有自己的设备、情景配置以及权限管理。

该网关及其校园设备智能控制和管理系统软件系统内置了网关虚拟化的技术实现，使得多个教室可以共享同一物理网关，且功能权限管理和使用上与每个教室部署一个物理网关等价，这使得实际工程项目节省网关数量和成本成为可能。

5）移动智能终端的远程管理技术

本方案的物联网网关具有远程网络穿透技术，通过部署融合的DHCP、UPNP，DDNS等网络协议于物联网网关和移动终端应用中，让智能移动终端APP实现远程报警、远程控制和远程查看等功能。

3.3校园教室为例的组网架构

以校园教室控制为例的组网架构：

1）物联网系统管理服务器

部署方式：在校园机房架设物联网系统管理服务器，使服务器联通校园及互联网。

功用介绍：用于管理和配置物联网设备，对传感器采集上来的设备数据进行数据存储、数据处理、数据统计分析，支持用户的多级管理。

2）企业级物联网智能网关

部署方式：部署于各楼层教室走廊内，根据实际的教室布局情况，实现多教室共享一物理网关，各物联网关联通校园网及互联网，并能与服务器进行通信。