基于物联网技术的智慧教室系统设计与实现研究

2022-11-07赵鹏

科技创新与应用 2022年31期

赵鹏

（江苏第二师范学院数学与信息技术学院，南京 210013）

信息化技术发展日新月异，为我国高校建立智慧教室和智慧校园提供了良好的技术支持。目前，我国大部分高校课堂设备已经全面引进了多媒体集成智能板、交互式数码投影仪、智能输入输出控制设备系统等多种先进技术设备。多媒体教室系统及课堂教学配套设备都正在向智能化、数字化方向迅速发展，使学生的个性化课堂环境条件得到了显著改善，课堂内的各项教学内容设计和各类教学参考资源得到了进一步优化。基于现代物联网技术创建的智慧教室，将教师、学生与其他智能设备、教学环境相互紧密连接，构成为一个高效有序统一的有机整体。高校智慧学习教室系统集高校智能多媒体硬件设备远程管控、智慧学习教室环境参数的动态调节和智慧化课堂教学系统于一体，给每位学生带来不一样的开放式互动学习的体验，让智慧学习教室课堂环境变得智能化、高效化。

1 我国智慧教室现状的分析

在我国目前大多数高校的智慧教室建设过程中，仍然存在一定的问题。之前传统的多媒体教室，教学设备的投入过度重视硬件而忽略了软件的投入，同时只考虑教学设备的好坏而轻视了设备对教学内容的呈现。在传统多媒体教室的建设过程中，一般都是将一系列的硬件进行简单组装，轻视了对教室系统的建设。各大高校的多媒体教室分布较为分散，引入的设备型号较为复杂，多媒体的操作方式也较为多样。如果传统的多媒体教室数量不断增多，就会为智慧教室的建立带来巨大的阻碍，智慧教室的弊端也会日益地显现出来。

我国智慧教室现存在的弊端有：其一，如果多媒体设备等教学设备出现了故障问题且没有及时进行修理，将会大大影响教学的进程；其二，智慧教室引入的普通电脑，其电脑Windows操作系统容易受到电脑病毒的感染，给教师课堂的教学活动带来了影响，同时也影响后期的维修工作；其三，多媒体教室的教学设备属于通用性物品，无论是学生、老师还是外来人员等都可以使用智慧教室的多媒体教学设备，容易发生偷窃和随意使用导致故障等问题；其四，智慧教室中的设备种类繁多，设备间线路过于复杂，导致教室设备安装维修困难、设备用户操作烦琐和设备故障次数频繁等问题出现。智慧教室更侧重于教室的便捷性和灵活性，解决传统多媒体教室带来的弊端，展现出智慧教室的智能性和独特性。

2 智慧教室的概念及用途

2.1 智慧教室的概念

智慧教室是在教室的基础上，随着科学技术的不断发展和人们对于生活中接触的事物不断深入地了解逐渐发展起来的。智慧教室的研究理念来源于对智慧地球概念的研究，引入了现代最先进的科学技术设备，来实现学校教室中教学设备装置的智能化发展，融入各种教学配置资源，提高了课堂教学的质量水平和教学的效率。在互联网技术的基础上，教室可以通过信号传输系统及时对课堂进行实时监控，对课堂的教学进程及时进行了解。

2.2 智慧教室的用途

将教室智慧化的主要目的是帮助教师与学生之间更有效地进行知识课程的教与学，并提升教室的智能化管理水平和节能水平。智慧教室网络中心的智能硬件网络建设规划要能够充分地满足现代化网络学校建设中信息化发展平台建设的实际发展应用需求，为学校教学的发展提供坚实的技术支持。智慧教室的智慧系统建设也是至关重要的，对智慧教室进行有效、合理地管理，以保障教室设备的正常运行。高校可以将智慧教室建设的核心互联网技术和通信技术等融入到日常的教学内容中，有利于提高全校师生的科技实践能力和研究创新水平。

3 智慧教室系统功能需求

3.1 多媒体设备的统一管理控制

在现今的课堂教学中，多媒体设备成了不可或缺的教学工具。智慧教室系统要实现对多媒体设备的统一管理控制，建立有效的管理平台，对智慧教室中的多媒体设备实现远程控制和智能联动。系统可以获取教室内投影仪、电脑和投影屏等多媒体设备的工作状态，在远程控制下，教师可以提前进行教学资源传送、课表更改对接和设备定时开关机等设置工作，使多媒体设备得到统一有效的管理控制，保障了教学设备的正常运行。

3.2 教室环境的人性化

良好适宜的教室环境，是影响学生学习效果和学习效率的重要因素。在舒适的教室环境里，学生吸收知识的效率会增加，学习的效果也会得到质的提高。智慧教室使用传感技术进行实测，且安装自动调节智能化设备，在视觉、温度、湿度、安全和光照等方面进行科学合理地调节，营造出人性化的教室环境。

3.3 教室系统功能的安全性

确保智慧教室系统的安全性，是系统正常安全运行的重要保障。智慧教室系统涉及到了智慧教室的安全和教学教室管理数据的安全性，所以需要设置1套高级别且安全性高的密码，才能确保前台数据与后台数据的一致性和安全性。在系统开发程序设定时，要保证系统能够承受漏洞攻击、恶意攻击等。智慧教室系统的安全性能要满足实际使用的需求，保证教室系统设备的正常使用，使教学有序地开展。

3.4 课堂教学资源的价值挖掘

智慧教室系统就是要真正实现教师对数字化课堂中教学信息资源真正价值的挖掘，满足课堂教学的基本需要。智慧教室系统建设首先应考虑要真正满足教师对高清数字课堂常态化使用的录播类节目资源、课堂讲义和学生电子板书资源数据等各种数字化教学大数据资源数据信息的及时地、合理高效地和系统科学地整合、开发应用、优化与利用，形成一个完整的可以真正进行开放、共享、自主与研发整合的优质数字化教学信息资源体系。通过智慧教室系统中海量数据采集、数据分析和即时预测等功能的实现，可以随时记录和分析课堂教学的情况，也可以对教师教学的方法进行实时的观测、精准的学情分析和公正的学业评价，有利于满足教师、学生个性化的需求。

4 基于物联网技术的智慧教室系统的整体架构

基于物联网技术的智慧教室系统的整体架构主要包括：感知层、控制层、数据层和网络层，如图1所示。

图1 基于物联网技术的智慧教室系统的整体架构

4.1 感知层

在智慧教室系统的内外2侧安装一个相应尺寸的数字传感采集设备，用来同时感知周围环境和自动收集智慧教室范围内所有的实际应用数据。在智慧教室系统中安装的光传感系统设备中，光线传感器模块可以专门用来实时检测整个教室光源的光线明暗程度，从而实现对各教室区域的环境灯光进行实时、合理和精确的动态调节控制；同时安装的射频感知器模块可用来实时验证每个教室管理员和每位学生、教师的个人身份信息，对课堂出勤进行考察；温湿感知器可以对教室内的温度和湿度进行实时检测，从而保持良好舒适的教室环境。

4.2 控制层

在每一间智慧教室中都要设置智能的教室控制管理平台，负责对智慧教室实时收集数据的分析和处理，也可以给予教师控制权，便于教师对教室情况及时掌握和实时跟进。同时，各个主教学楼要设置分中心控制平台，对教学楼中的各智慧教室的使用情况和上课情况进行整体的监测，控制平台的管理人员，可以对各智慧教室的使用情况、课表安排信息及教师和学生的个人信息进行随时的调取和使用，方便日常对智慧教室上课情况的考察。学校要设置总中心控制平台，实现对全校总体的实时监测。管理使用人员都要进行身份信息的验证和核实，完成控制平台的使用授权。

4.3 数据层

智慧教室系统中的语义数据层则是要将智能语音感知设备上收集来的标准化数据信息进行语义的转化，对标准化语音信息要进行科学筛选，处理完成后则要实时存储于语音数据服务器中。智慧教室中的实时数据服务器一般要直接与所在学校内部的实时数据服务器系统相互连接，学校教务管理专业人员可以随时随地通过此平台系统查看调取全校各个区域智慧教室系统的各项实时数据，及时得到智慧教室的使用情况、使用人员的信息和教学课表等数据信息。

4.4 网络层

智慧教室的网络层架构主要是由网络传输设备构建而成，主要采用以太网、星形网络和无线网络这3种异构网络。

5 基于物联网技术的智慧教室系统的功能设计

5.1 系统的考勤管理功能设计

在基于物联网技术下的智慧教学系统设计中，也应该包括师生教务考勤管理系统。全新的教务考勤管理系统有效解决了以往纸质签到或点名考勤效率慢的问题，教师和学生可以在上课之前在相应的打卡系统上进行签到、签退打卡。同时，还可以在系统上提前预订选择上课的教室，根据上课的课表进行智能的排定，避免出现不同班级上课教室冲突的情况。教务考察系统每天定时将师生的实际考察情况进行上报反馈，学校的教务系统可以及时地掌握各班级各教室的出勤情况，方便对学校师生进行实时有效地监督和管理。

5.2 系统的安防监控功能设计

智慧教室系统的安防监控功能设计，是保障教室安全秩序的重要设计。在教室全方位安装安防监控设备，比如：烟雾传感器、门磁感应器和无线人体感应器等。烟雾传感器可以及时对发生火灾产生的烟雾和有毒气体进行感应和及时预警；门磁感应器可以预防校外人员或危害性人员进入教室；无线人体感应器可以对教室整体情况进行实时的监测，发生危险事故时，可以第一时间进行预警和自主报警。同时，门禁系统会严格管控教室进出的人员，并对人员的信息进行收集汇报。当教室的安全指数没有达到安全的标准，安防监控系统会自主发出报警信息，有效地解决了智慧教室存在的安全问题，为教师和学生的安全建立了技术保障。

5.3 系统的灯光控制功能设计

在智慧教室设计中，灯光照明设备也是重要的一部分。将灯光照明设备都连接到一条线路上，这样可以实现对灯光的统一控制。人员可以通过移动客户端、网关触摸屏等设备对灯光照明设备进行远程控制开关，根据教室的明暗自主调节灯光的亮度。对灯光进行调节和切换，可有效保护学生的视力。通过灯光管理系统可以方便查询各个智慧教室的灯光照明情况和灯光亮度，减少电力的浪费。

5.4 系统的窗帘控制功能设计

智慧教室的窗帘控制系统是在原先传统窗帘的基础上，利用物联网技术和传感器技术，对教室窗帘进行智能化控制和调整。系统可以设置手动控制和远程控制2个模式。手动控制模式是在固定的位置上安装窗帘的控制开关，师生可以通过开关按钮对窗帘进行适当地调节，使教室处于合适的光照亮度。远程控制模式是通过无线网络的远程控制系统，使用移动设备对窗帘进行连接，来实现用户远程控制的目的。

5.5 系统的空调控制功能设计

智能空调控制系统是由智能插座、全角度红外转发器的共同作用来实现空调的远程控制，在教室里安装这2种设备，就可以使空调接受远程设定并实现对空调的远程控制。同样，使用人员可以通过移动设备端连接教室空调，对空调的开关和温度设定进行远程控制，使教室保持合适的室温。

6 基于物联网技术的智慧教室系统实现

6.1 考勤管理系统实现

在考勤管理系统中，可以及时查看教室的使用情况、班级学生信息、讲课教室信息和考勤状况等。考勤管理可以根据学生的出勤状况分为：迟到、早退、正常和缺课，对学生的学号、姓名和上课课程等信息进行记录并上报。

6.2 安全管理系统实现

在安全管理系统中，可以自动监测教室内的气体含量和烟雾含量，如果监测数据没有达到安全的标准，安全系统就会对教室内危险情况进行及时的预警，保障教室的安全。如果教室的门窗没有关好，系统也会归为不安全情况，发出警报提醒。

6.3 照明管理系统实现

在照明管理系统中，可以监测各个教室灯光照明的具体情况、照明的实际亮度和照明的总时长。同时可以设置灯光的自动调节功能，通过监测教室内是否有人员存在，灯光在有人进入时，设置自动开始，并调节适当的光照亮度；当监测教室无人员存在时，设置自动关闭。照明管理的智能化，能够很大程度降低学校的用电量，方便学生的日常学习活动。