基于三层架构的智慧教室设计

2021-07-19黄寒燕

电脑与电信 2021年5期

黄寒燕

（江西财经大学，江西南昌 330013）

1 引言

教室是课堂教学和学生学习的主要场所之一，创造一个良好的科学育人的环境可以极大地提高学生受教育的水平。在现代教育方式中，越来越多的先进技术被用于课堂环境中，如：无尘教学系统、温湿度感应系统、灯光控制系统、学生管理系统等。随着科学技术的不断进步，传感网络、射频识别、移动通信、中间件技术等深度融入教室，构建基于物联网的智慧教室，让课堂教学更加高效，并能够打破传统“填鸭”教育方式，丰富学生学习生活，开发学生独立思考和自主学习的能力。

2 智慧教室概念

智慧教室诞生于现代教育思想改革与科学技术革新的时代背景下，以更贴近互动式教学、现代化教学和智能化课堂管理为目标，运用物联网技术、大数据技术、云计算技术、移动通信技术等实现人机交互，辅助课堂教学[1]。智慧教室是科学技术与课堂教育深度融合，通过对教学环境外部条件的优化进行课堂教学创新，增强人与物、人与人之间的互动，提升课堂教学质量。智慧教室的构成按照实施环境可分为硬件部分和软件部分，硬件部分包括传感器、监视器、RFID读写器、网络适配器等物联网搭建的基础设备；软件部分是基于通信技术、传感技术、网络技术搭建的满足现代化教学需求的应用平台，整合教室资源进行一体化管理[2]。智慧教室的设计按照系统功能可分为教学一体化系统、空调自动控制系统、监控系统、灯光自动调节系统、温湿度自动调节系统、资产管理系统等[3]。

3 智慧教室架构设计

智慧教室将可利用智能化教学设备进行物理搭建，并通过软件技术实现物物互联，其架构层次可分为感知层、网络层和应用层三个部分。搭建智慧教室应用场景，其整体架构设计如图1所示。

图1 智慧教室三层架构

感知层是利用传感器、摄像头、RFID、电子标签等感知设备对教室空间的环境信息进行采集，并将采集到的数据进行数据汇总与加工，利用网络层传送给应用层进行应用。感知层是由多个信息采集节点以星型网络结构搭建，各节点根据采集设备功能采集教室信息，如：温湿度传感器节点采集教室温度和湿度、亮度传感器采集教室亮度、网络摄像头采集教室视频、RFID 传感器接收学生考勤和移动侦测学生活动、电子标签记录学生信息/考试信息等。

网络层负责教室教学与管理的数据传递与处理，一方面处理教室教学过程中产生的数据，另一方面通过校园网络进行教室内外部信息的交换。利用光载无线交换机构建智慧教室无线网络，结合交换机和路由器将教室内各种硬件设施进行组网连接，形成人机交流的网络系统，实现智慧教室信息的互联互通与教学设备的智能控制[4]。网络层可采用的通信组网技术包括CAN 现场总线、RS-485 总线、以太网、Zig-Bee 无线技术、WIFI 无线技术、5G 网络等，将有线网络和无线网络相结合，满足智慧教室的通信需求。

应用层是将网络层传递来的感知层数据进行加工应用，通过教学系统、考勤系统、监控系统、环境自动控制系统等实现智慧教室管理。教师与学生可以通过电脑、手机等设备连接到应用层进行智慧教室的应用，构建成一个完整的智能教学生态系统，辅助教师教学、学生学习和教室的智能化管理。

4 智慧教室物理环境设计

4.1 物理环境搭建

智慧教室物理环境是以电子教学设备、管理设备自动化控制为目的建立的物联网环境，能够将多媒体教学设备、教室照明设备、空调、音响、门禁等统一管理，并实现自主感应控制。首先利用独立CAN控制器对智慧教室物理环境进行综合布线，将教室中的电子、电气设备设立统一的、唯一的标识编码，设立独立的控制节点，由智能网关发送指令进行控制，可按照报文标识符设置节点信息传送的优先级，CAN总线进行各节点之间的信息通信交互，用户可通过终端设备连接智能网关进行设备的设置与管理[5]。智慧教室物理环境如图2所示。

图2 智慧教室物理环境

智能教室硬件环境的控制可通过网络实现本地或异地管理，用户通过互联网连接智能网关，操控控制平台，进行智慧教室设备的管理。加设防火墙和使用节点虚拟专用网络VPN设备，保证智慧教室设备使用的安全。

4.2 物联环境控制

智慧教室的采集系统是由温湿度传感器、光照感应器、烟雾传感器、红外传感器等构成，传感器联动教室控制设备，如温湿度传感器连接中央空调、光照传感器连接灯光照明和窗帘、烟雾传感器连接消防、红外传感器连接摄像头等[6]。各类传感器根据设置的教室环境状态进行监测，当教室环境高于或者低于传感器设置的感应范围则自动反馈中央控制系统对硬件设备进行开关或者调解决策，实现智慧教室物理环境的智能化管理。各类传感器节点的布置采用ZigBee 技术进行节点管理，对所覆盖范围的传感对象进行监控[7]，采集系统结构如图3所示。

图3 采集系统结构

随着智慧教室的电气设备越来越丰富，采用个体节点、汇聚节点和控制节点多节点联动机制进行管理，其中个体节点负责控制单个传感器设备，汇聚节点聚集同类传感器采集信息，控制节点对汇聚节点的信息进行处理上传到外部网络，同时控制节点也可以接收外部指令下发给各个体节点进行个体电气设备的独立控制。

5 智慧教室软件环境设计

智慧教室软件环境是由多个独立的硬件系统实现教室的管理，主要包括：智能教学系统、教室环境管理系统、学生管理系统等[8]。针对不同开发环境搭建的硬件系统需要独立应用与维护，存在软硬件供应体系不同管理难度大、维护成本高等问题，因此设计基于云计算跨平台的智慧教室软件系统实现智慧教室一体化管理。

5.1 关键技术

智慧教室软件环境涉及关键技术主要有虚拟化技术、云存储技术、数据库技术和云安全技术等。为了实现操作系统与底层物理设备分离，采用虚拟化技术建立资源池，按照用户类型分配系统应用功能[9]。首先使用VMware 技术和Hyper-V技术将智能教室物理环境设备与数据中心服务器进行资源整合，由虚拟机对资源进行集中管理与控制，根据用户权限开启对应智慧教室功能，如：教师可开启智能教学系统具有针对性地进行教学互动和课堂诊断，学生则可开启智能学习系统选择名师视频辅导、课堂随机测试；其次，采用云存储技术对课堂产生的活动信息进行逻辑存储，并通过TPC进行存储资源的调配和统一管理；最后，采用VSwitch虚拟网络交换机技术对网络虚拟化，实现用户桌面与主机分离，直接在云端进行系统应用，保证云数据中心的安全[10]。

5.2 软件平台架构设计

智慧教室软件系统基于云服务搭建应用服务层（SaaS）、中间件层（PaaS）和基础设施层（IaaS）[11]。SaaS层为用户提供教学、空调、照明、通风、考勤、监控等可视化操作系统；PaaS层进行用户管理、数据管理、资源管理、安全管理、认证管理和接口管理等；IaaS 层提供服务器资源、网络资源、计算资源、存储资源、算法资源、应用软件等，软件平台架构如图4所示。