基于人工智能的智慧教室平台设计与实现

陈芳

摘  要： 为提高教室的多媒体智能交互和信息控制能力，提出基于人工智能的智慧教室平台设计方案。智慧教室平台采用远程自动控制和总线集成控制的智能设计方案，运用下位机集成信息处理方法进行传感信息处理，将多媒体教学信息通过集成信息处理端进行总线传输和信息融合，在上位机模块进行智能通信设计。结合分散控制进行交叉编译操作，实现教室平台控制指令实时传输和分布式存储，在嵌入式环境下实现智慧教室平台优化设计。测试结果表明，设计的智慧教室平台具有很好的人工智能性和集成控制能力，信息的交互性较好，可靠性较高。

关键词： 人工智能; 智慧教室平台; 信息交互; 集成控制; 嵌入式环境; RFID技术

中图分类号： TN911.2?34; TP273                  文献标识码： A                    文章编号： 1004?373X（2019）09?0183?04

Design and implementation of intelligent classroom platform

based on artificial intelligence

CHEN Fang

（Information Construction and Laboratory Management Center， Ningde Normal University， Ningde 352100， China）

Abstract： The design scheme of the intelligent classroom platform based on artificial intelligence is put forward to improve the multimedia intelligent interaction and information control abilities of classroom. The intelligent design schemes of remote automatic control and bus integrated control are adopted in intelligent classroom platform， and the integrated information processing method of lower computer is used to process the sensing information. The multimedia teaching information is transmitted and fused in the integrated information processing terminal through bus， and the intelligent communication design is carried out by means of the upper computer module. The decentralized control is combined to perform the cross?compiling operation to realize the real?time transmission and distributed storage of classroom platform control instructions. The optimal design of intelligent classroom platform is realized in embedded environment. The test results show that the designed intelligent classroom platform has perfect artificial intelligence， integrated control ability and information interactivity， and high reliability.

Keywords： artificial intelligence; intelligent classroom platform; information interaction; integrated control; embedded environment; RFID technology

0  引  言

随着多媒体信息技术和物联网技术的发展，智慧教室平台的智能性研究受到人们的关注。在多媒体网络构架体系中进行智慧教室平台设计，提高教学平台的人工智能性，智慧教室平台的设计建立在物联网的三层结构体系上，采用WiFi无线局域网实现智慧教室平台的网络覆盖[1]。采用无线传感器网络技术和RFID技术进行信息采集和教学资源调度，在人工智能环境中实现智慧教室平台的总线集成控制。在智慧教室平台中，融合通信技术和网络技术实现教学设备和教学资源的网络控制和远程集成控制，研究智慧教室平台的优化设计方法，能有效提高教学智能性水平，在教学实践中具有很好的应用价值[2]。

本文设计基于人工智能的智慧教室平台。首先进行智慧教室平台的总体设计，分析智慧教室平台的三层结构体系;设计智慧教室平台的多媒体服务器和传输信令，将多媒体教学信息通过集成信息处理端进行总线传输和信息融合;在上位机模块进行智能通信设计，采用模块化设计方法进行智慧教室平台的集成开发设计;最后进行平台测试，展示了本文设计的智慧教室平台的人工智能性。

1  平臺总体设计构架

智慧教室平台建立在物联网的三个层次（应用层、网络层、感知层）结构体系基础上。首先进行智慧教室平台的总体设计，采用射频识别（RFID）技术进行智慧教室平台的原始信息采集，在总线传输模块中进行控制指令传输，在集成信息处理模块中实现对智慧教室平台的串行总线控制，在Multigen Creator 3.2开发环境下进行智慧教室平台的总体设计[3]。教室平台的网络模块建立在物联网体系结构基础上，以校园网、局域网作为智慧教室平台的网络层，采用Microsoft Visual Studio开发组件进行智慧教室平台的TCP/IP协议开发。设计的智慧教室平台的功能模块主要有电源模块、人员考勤模块、LED显示系统、资产管理系统等。采用TCP/IP协议和UDP协议进行智慧教室平台的网络设计，构建物联网视频监控系统实现智慧教室平台的网络控制，设计中央集中控制器实现智慧教室平台与计算机网络通信[4]。根据上述分析，构建智慧教室平台的总体结构框图如图1所示。

图1  智慧教室平台的总体设计

根据图1的总体设计构架分析，智慧教室平台远程自动控制系统采用局部总线控制方法，在嵌入式环境下进行系统的模块化设计，然后进行系统的硬件开发，结合嵌入式ARM处理器进行智慧教室平台的集成设计和计算机控制。智慧教室平台的硬件模块包括传感器模块、集成控制模块、总线模块、接口模块和电源模块[5]，采用Mesh网络架构方法进行智慧教室平台各种设备的输入输出控制和集成处理，得到智慧教室平台的功能模块组成如图2所示。

图2  智慧教室平台的功能模块组成

2  平台开发实现

2.1  开发环境描述

智慧教室平台采用远程自动控制和总线集成控制的智能设计方案，设计的智慧教室平台建立在Multigen Creator 3.2和嵌入式的ARM开发环境下，采用DSP和RAM作为智慧教室平台的核心处理器[6?7]，采用嵌入式ADSP21160处理器设计中央处理器模块进行智慧教室平台的智能信息处理和集成信息分析。设计微处理器进行智慧教室平台的输出接口控制和多媒体控制，实现智慧教室控制的集成信息处理。将多媒体教学信息通过集成信息处理端进行总线传输和信息融合，在上位机模块进行智能通信设计，设计的智慧教室平台的技术指标如下：

1） 建立VIX总线模块进行控制指令的集成调度和传输。智慧教室平台的主频为24 MHz，平台的设计功率为5 kW，功率放大倍数为80 dB。

2） 总线控制的采样率[>200] kHz，教室平台进行多媒体控制的D/A分辨率不低于12位。

3） 设计RFID考勤机，RFID进行数据采集的分辨率为13 dB左右，具有远程考勤和标签识别功能，输出静态功率损耗为20 W。

4） 设计特高频RFID读卡器进行误差控制，得到输出误差级12 dB

再结合智慧教室平台的需求分析与系统功能分析，进行智慧教室平台的硬件模块化设计和软件开发。

2.2  智慧教室平台硬件设计

本文设计的智慧教室平台上位机模块可进行智能通信设计。结合分散控制进行交叉编译操作，采用ADSP21160处理器作为核心处理芯片，在嵌入式ARM处理器控制下进行智慧教室平台的核心功能模块开发[9?11]。建立VIX总线控制指令进行智慧教室平台的总线传输调度设计，构建交叉编译模块进行程序编译。智慧教室平台的子系统分别包括教学系统、LED显示系统、人员考勤系统、资产管理系统、空调控制系统和灯光控制系统等。

设计的智慧教室平台的硬件模块分别描述如下：

1） 教学系统。教学系统主要实现对智慧教室平台的多媒体教室资源管理和控制功能，采用ISA/EISA/Micro Channel扩充总线进行智慧教室平台远程自动控制，以ADSP?BF537BBC?5A作为程序控制器进行远程信息采集和智慧教室平台的教学资源管理[12]，得到智慧教室平台的教学系统子模块设计如图3所示。

2） LED显示系统。LED显示系统实现智慧教室平台的教学信息LED显示功能，其LED显示的时钟频率为22 MHz或24 MHz，采用32位或64位的LED时钟控制总线实现智慧教室平台输出信息的LED显示[13]。总线主控的口将CPU子系统与外围设备分开，LED显示系统的硬件设计如图4所示。

图3  智慧教室平台的教学子系统模块开发

图4  智慧教室平台LED显示系统的硬件设计

3） 人员考勤的RFID系统。人员考勤系统采用串行总线控制方法进行人员考勤管理，采用RFID进行人员考勤射频识别，采用PCI，ISA及MCA指令控制方法实现智慧教室平台的信息集成配置和I/O口设计[14]，得到人员考勤RFID系统设计如图5所示。

图5  人员考勤系统的硬件设计

4） 空调控制系统和灯光控制系统。空调控制系统和灯光控制系统采用ARM嵌入式微处理器进行集成控制，结合分散控制进行交叉编译操作，实现教室平台控制指令实时传输和分布式存储，采用CPLD设计空调控制系统的控制接口，设计PCI接口实现灯光控制，采用AMCC公司的AMCCS5920进行空调控制系统和灯光控制系统的输出接口设计，得到系统集成设计电路组成如图6所示。

图6  智慧教室平台控制系统集成设计

综上分析，基于人工智能设计方法可实现智慧教室平台的优化设计。

3  平台性能测试

在PCI9054仿真平台中测试本文设计的智慧教室平台的系统稳定性。测试的时钟总线传输速率为100 MB/s，采用200 MB/s的LOCAL总线进行指令传输控制，采用8个32位Maibox寄存器实现智慧教室平台的PCI配置和I/O端口的中断设计。根据上述测试环境描述，分析智慧教室平台进行信息传输的准确性，得到测试结果如图7所示。

图7  智慧教室平台的性能测试

分析上述结果得知，采用本文设计的智慧教室平台进行教学信息传输和控制，具有很好的传输准确性和控制性，信息的交互性较好，可靠性较高。

4  结  语

在多媒体网络构架体系中进行智慧教室平台设计，可提高教学平台的人工智能性。智慧教室平台的网络模块建立在物联网体系结构基础上，平台的主要功能模块主要有电源模块、人员考勤模块、LED显示系统、资产管理系统等。采用RFID进行人员考勤射频识别，空调控制系统和灯光控制系统采用ARM嵌入式微处理器进行集成控制，结合分散控制进行交叉编译操作，实现智慧教学平台的优化设计。研究得知，本文设计的智慧教学平台具有很好的人工智能性和集成控制能力。

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