智慧教室物联网技术研究与实现

2021-03-07李国良

电子技术与软件工程 2021年24期

李国良

（山东华宇工学院信息工程学院山东省德州市 253034）

自从“智慧地球”这一概念提出之后，“智慧校园”便成为了学校信息化发展的主要方向之一。虽然当前很多学校都认识到了“智慧化校园”建设的重要性，但是当前很多信息化教室系统一般都是构架在整个校园网上的巨大分式系统，该系统需要分布广泛、数量众多的设备支撑，并且对软件硬件的匹配程度要求较高，促使在当前信息化教师系统维护的过程中，需要耗费大量的人力物力财力资源。在物联网技术支撑之下开展智慧教室构建，可以充分展现出物联网技术的优势，引入云计算技术手段，便可以实现“网管设备+基本套接字通信能力”的通信模式，这就不需要使用繁复的协议与后端服务器联通，这样一来便可以有效降低系统构建与维护成本，为智慧教室构建做出强大基础保障。本文将针对智慧教室物联网技术研究与实现进行详细分析。

1 智慧教室“系统”构架

在物联网技术的支撑下，构建智慧教室系统，必须要结合智慧教室的实际功能需求，对系统构架层次进行明确。在物联网智慧教室系统构架设计当中，主要由四个层次搭建起的框架，分别是“终端层、室内监控层、中间层、硬件层”，其主要原理如图1所示。在分布式功能理念与数据分层理念的框架之下，满足多样化的信息管理功能，并实现硬件与软件之间的高效率联动。

图1：智慧教室系统构架图

1.1 终端层

在智慧教室系统构架当中，终端层是最基础框架层次。终端层主要负责直接与用户指令连接，可以结合用户们的指令需求，有针对性的提供个性化服务。借助终端层，可以将不同多媒体设备，借助传感器进行连接。教师在应用智慧教室时，便可以控制智能统一化系统控制中心，对各个多媒体设备进行运转管理、参数调控，切实为教师教学、学生学习带来便捷的体验，有效节约每个设备调试的时间精力，增强教育教学效率。

1.2 室内监控层

针对室内监控层来说，该层次构建目的便是将各个设备进行监控，有效确保各个系统正常、高效运转。针对智慧教室来说，在室内监控层构架之下，便可以将教室门窗、教室灯光等相关设备开展智能化监测控制，这样有效确保室内温度、光线的柔和舒适，有效帮助广大教师和学生们提供一个舒适的学习环境，杜绝光污染对学生教室造成的身心健康，提升学生们的学习效率。

1.3 中间层

中间层构架的主要作用，便是为智慧教室系统提供相关数据支撑，对智慧教室当中各个设备的使用数据信息进行存储、分析、传输。中间层承担着整个智慧教室的基础数据管控功能，可以借助中间层构架的数据信息分析，及时发现智慧教室系统构架存在不科学的内容，及时发现问题、优化系统构架。

1.4 硬件层

硬件层与软件层是相互对应存在的，硬件层是智慧教室构建当中不可或缺的重要构架层次，是智慧教室系统运行不可忽视的关键。在硬件层当中涵盖了驱动智慧教室系统正常运行的所有硬件设备，是智慧教室系统当中不可或缺的重要物质基础。如图1所示。

2 智慧教室“网络”构架

在物联网技术支撑下进行智慧教室网络构架时，网络构架是不可或缺的重要基础。智慧教师运行是在网络驱动之下对各个多媒体设备进行控制，网络相当于智慧教室的“血脉”，网络系统构架如图2所示。开展物联网智慧教室网络构架时，应该结合不同模块的作用、功能的差异化特点，将智慧教室网络系统规划为三个层次，分别是“无线数据节点、无线数据传输网络、数据路由器”。

图2：智慧教室网络系统构架

2.1 无线数据节点

结合无线数据节点来说，该层次主要是借助传感器手段，对智能教室系统运行过程中的数据信息进行收集、传输。在智慧教室当中的数据信息主要涵盖了温度数据信息、湿度数据信息、光照强度数据信息、空气污染情况数据信息。

2.2 无线数据传输网络

针对无线数据传输网络构架层次，主要便是用来设备物联网和局域网，借助此种手段来实现数据信息传输。

2.3 数据路由器

在智慧教室网络构架当中，数据信息来源于各个传感器。数据路由器构架层次的目标便是对各个传感器的数据信息进行收集，并且将其数据信息统一提供到既定的数据信息处理模块当中，对这些数据信息开展统一化的处理分析，并且给出最终的控制制定。

3 智慧教室“功能模块”构架

3.1 教学模块

在智慧教室教学模块当中的硬件设备主要涵盖了音响、投影设备、麦克风等诸多设备。在物联网技术的支撑下，构建出教学模块统一控制系统，能够在统一系统之下，对各项设备进行控制。在教学模块系统当中，教师可以自动投放教学课件，有效拜托传统黑板和粉笔对知识传授的制约。通过多媒体投影设备将与教学内容有关的视频、图片引入到课堂当中，能够更加便于学生们对知识理解。在答题提醒器、音响设备的支撑下，还可以第一时间与学生们进行互动，切实活跃了课堂教学氛围，有效提升了教学效率。

3.2 LED模块

在智慧教室当中，LED 模块则是借助物联网技术手段，在智慧教室系统构架中引入LED 模块，实现LED 面板锁组成，其主要的功能便是直接显示教师内的环境数据信息参数，这样便可以为教学工作提供更多便捷。

3.3 智能感知模块

在智慧教室当中，室内环境感知是该系统当中不可忽视的重要模块，直接影响着智慧教室的舒适程度。在室内环境智能模块当中，最为主要的系统构成便是“数据传输、数据处理、传感器”等诸多体系，以便于为系统提供强大的数据信息支撑。借助传感器设备来吸收教室环境当中的各项数据信息，借助数据传输环节来对室内环境相关的数据信息进行传输，通过网络数据系统实现对智能教室的数据信息开展深入分析探究。将处理好的数据信息传输到中心控制系统当中，从而借助数据来发出相应的指令，从而对教室内部各个设备实现智能化控制。

3.4 远程互动教学模块。

为了实现教育教学工作深入开展，智慧教室应该满足远程互动教学的需求，借助远程互动教学模块，可以切实有效的实现远程教学工作互动，实现信息化教学工作发展。在开展远程互动教学模块构建的过程中，作为一种跨系统、夸平台的高清远程互动教学系统，一般是由远程音频互动服务器、互动客户终端所构成。在引入远程互动教学模块的过程中，互动终端可以支持教学网关、录播主机、计算机、智能手机、平板电脑等诸多设备的联合应用，切实满足了远程教学工作互动的实际需求。

3.5 空余教学模块

智慧教室已经在社会各个学校当中广泛运用，针对高等院校来说，智慧教室往往需要满足学生们日常自主学习的需求，很多高校学生也因为找自习室浪费了大量的时间，这也直接降低了广大学生们的学习积极性，浪费了学生们大量的时间精力，并且浪费了学校的资源利用效率。那么在智慧教室当中引入空余教学模块，便可以在APP 当中，动态化对空余教室进行查询。在智慧教室传感器的作用和智慧教室监控系统的作用下，实现智慧教室影像视频动态化传输，在此基础上学生们便可以动态化的在手机APP 上查看每个自习室的影像视频和人数情况，明确哪个教师有空余座位，切实在提升教师资源利用效率的基础上，为广大学生教师们自主学习提供便利。

3.6 笔记管理模块

智慧教师的功能模块应该随着教学需求，不断优化创新。在人们对智慧教室系统日益依赖的当下，智慧教室不仅需要支持教师的课前云端备课，而且还应该实现动态化的课堂教学评价。借助笔记管理模块，对学生们在课堂当中的反应、反馈情况进行分析，了解学生们当前学习当中潜在的困难，为课后复习、教学工作提供强大的基础保障。在笔记管理模块当中，能够动态化的对教师教学、学生探讨、师生互动、教学氛围等各项环节开展实时动态记录。这样教师便可以借助实时动态的记录内容，对本堂课存在的问题和不足进行分析，及时优化教学策略。此外，在笔记管理模块当中，教师还可以将预设好的课件内容、重点知识、课堂笔记传输到智慧教室笔记管理模块当中，学生们便可以在家借助手机APP 随时随地的复习知识，切实在提升教师们的教学效率的基础上，为教学工作可持续发展与优化做出基础保障，并且能够为学生们复习知识、预习知识、家长了解学生在校情况提供便捷。