一款基于物联网技术的智慧教室控制系统设计

陈中威，陈明芳，樊秋月，苏江

（广东科学技术职业学院，广东珠海，519090）

0 引言

近年来，物联网技术作为新一代信息技术的范畴，已然走入寻常百姓家，基于物联网技术的智能家装，基于物联网技术的个人智能穿戴产品，基于物联网技术的智慧交通以及基于物联网技术的智慧城市建设处处可见。随着国内各大高校教育理念的不断创新和探索，教育领域越来越重视信息技术和传统教室的深度融合，传统教室及其设备逐渐向数字化、智能化、便捷化方向发展。而“能调节教室环境、多样化的课堂交互，教室安全的智能化监控，教学内容的立体化呈现和教学资源共享获取”于一体的智慧教室成为一种必然趋势，智慧教室的建设将会为学生提供更加舒适，科学、适景的学习氛围，从而提高学习的质量和效率。

基于物联网技术的智慧教室控制系统设计，将人与课室软硬件设备、学习环境通过多样化的网络进行连接，实现物联网技术的人人相连，人物相连和物物相连，通过智慧教室控制系统设计最终可以实现对教学全过程的精准把控和高效管理。智慧教室控制系统集课室多媒体设备的智能化管理、智能化的教室环境调节，智慧化的教学互动于一体，全方位支撑高校教学模式的改革和创新，让枯燥的课堂，变得智能，高效、简单、有趣。

1 智慧教室控制系统需求分析

需求分析是做好智慧教室控制系统设计的前提，而需求分析主要体现在教室的“智慧性”，即智能化教室环境管理、教学资源的一键获取和整合、教学实时互动捕捉与管理、多样化的教学内容呈现等。因此，在进行智慧教室控制系统设计时，应着重分析下述需求：

（1）教室环境的个性化。多项研究表明学生在自然舒适的环境下学习质量和效率会有很大的提升，智慧教室控制系统就是利用各种传感器实时监测教室环境，自动调节相关教学设备，为教师和学生打造出利于授课和学习的最佳环境，主要包括使人体舒适的温湿度、光照度以及全身心融入的视听觉感受等，目的就是让师生能够在最适宜的环境下高效开展教与学的相关活动。

（2）教学设备的智能化统一监管。设计集操作和监控为一体的教室设备智能化管理平台，实现对教学中所用设备的智能互联和远程监控。不但可以远程查看教室设备运行情况，还可对课室内的计算机、投影仪、音响广播等设备进行集中统一控制，从而将众多设备实现有效的智能互联，例如，可根据教室排课情况，自动设置计算机、投影和音响系统的自动开关机，另外根据课室温度实时变化，远程自动调节室内空调温度，无需人工现场介入。

（3）课堂教学资源的录制、整合和潜在价值的智能挖掘。高校教室传感器设备的置入，如摄像头的装置，不仅让教学过程在远端清晰可见，还可监控课堂学生学习状态以及课室内的突发状况。智慧教室控制系统必须满足课堂授课的实时录制和回放，从而打造开放，共享的线上教学资源，同时还可采集教学过程中的相关教、学、研的数据，并实现数据的智能化分析。智慧教室通过数据收集、数据分析、数据挖掘等功能，记录和分析学生全过程的课堂行为表现，为教师精准分析学生学情、学业评价、教学效果提供技术支撑，满足教、学、管各方的个性化需求。

（4）支持灵活多样的学教互动。大学生不同于中小学生，一般都具备独立思考和自主学习的能力，大学课堂不再是简单地教师讲授和学生学习，而是教师和学生，学生和学生之间交流互动的空间。智慧教室应提供教学互动及人机互动能力，支持多样化教学互动模式，比如提供文本互动、答题语音互动、视频互动等，这样一来，可进一步激发高校的教育模式改革。

2 基于物联网技术的智慧教室控制系统架构的总体设计

在智慧教室控制系统中，利用物联网技术及STM32 单片机系统将传统课室中教学软硬件设备通过传感器和各种网络连接起来，实现设备的物物相连，智慧教室控制系统总体架构设计在物联网典型的三层架构基础之上，增加了控制层，以便于整个智慧教室的操控和管理。总体架构主要包括：系统感知层、系统网络层、系统应用层和系统控制层，除此之外还包括系统的主控设备。系统总体架构设计如图1 所示。

（1）感知层。感知层主要用来数据信息的采集。位于整个系统的最底层，主要是通过各种传感器采集相关数据信息，如温湿度传感器、光照传感器、RFID 芯片、摄像头、报警器等，以上传感器采集的信息可以为空调温度控制、教室门窗智能控制、教室照明控制，异常报警控制等提供数据支撑。

（2）网络层。网络层用来传递感知层所采集的信息，可通过有线网络、无线网络、ZigBee 网络提供的服务将采集的数据与应用层，感知层进行信息传递，此外还可以实现数据与系统设备控制器之间的数据交换，确保采集到的数据都能准确地处理和传送。

（3）应用层。应用层是智慧教室面向用户的核心部分，主要包括：空调管理、教室光照管理、门窗管理、多媒体设备管理、课室实时动态监控、授课录制、学生考勤、教学资源管理及教学互动等。应用层通过对感知层采集的数据进行存储、传输、分析和挖掘，结合具体的教学场景，对课室相关设备进行智能化控制，以实现教学过程的精准监控和高效管理。

（4）控制层。控制层主要是通过各种外设终端来进行智慧教室的操控，包括：电脑终端控制，手机专用APP 控制、小程序控制、平板电脑控制、多媒体控制等。控制层旨在通过不同的操控方式，实现智慧教室控制的简单化，多样化及高效化。

（5）主控设备。主控设备贯穿整个智慧教室控制系统设计，不仅是智慧教室的大脑，而且为智慧教室系统提供源源不断的能量。MCU 模块犹如系统的大脑，根据指令开启相关设备的控制，MCU 模块使用STM32F407 单片机芯片实现，整个系统的能量由交直流电提供并配备应急电源。供电电源电路设计原理图如图2 所示。其中单片机芯片工作电压为3.3V，其余模块工作电压为5V，系统使用直流5V 2A 的电源适配器将交流电转换成直流电，适配后的直流电接入到电源电路中，芯片所使用的电压通过稳压元件AMS117-3.3 将5V 电压转换为3.3V。如果出现课室断电情况，机房会立即启动备用UPS 应急电源，将外部不可控因素对系统的影响降到最低。

图2 电源电路原理图

3 基于物联网技术的智慧教室控制系统功能设计

■3.1 智慧教室内外部环境监控系统

基于传感器采集的教室内外部环境数据，通过各种类型网络传输及MCU 模块的处理，通过物联网统一管理平台实现对教室内的温湿度、灯光、门禁、摄像头等设备的自动控制，从而确保教室内灯光，温湿度、通风等达到一个适合学习的场所，为师生的教与学提供一个相对舒适的外部环境。教室内外部环境监控系统设计实现框图如图3 所示。

图3 教室内外部环境监控系统设计实现框图

3.1.1 空调及空气净化消毒控制功能

系统通过教室内安置的温湿度传感器，可实现固定时段的空调设备的自动开启和关停，比如南方高校教室空调使用的时间一般自动设置为5 月至10 月，此外系统能根据检测到的教室内外部温度变化，自动升高或降低空调温度，自动增大或降低风速，确保为师生工作与学习提供一个舒适的温度环境。

新冠全球大流行下，高校作为人员密集场所，做好教学场所的消毒净化工作必不可少，空气净化功能主要是通过课室内装置的空气质量探测设备，实时检测教室内空气质量，如PM2.5、二氧化碳含量等，然后系统根据事先设定的空气参数自动开启净化空气功能，此外在教室使用完毕后，系统自动启用紫外线等消杀设备，清除有害细菌，确保教室内始终保持优良的空气指数。

3.1.2 光照强度控制功能

智慧教室可通过后台设置相关参数，通过传感器捕捉教室内光照强度，根据光照强弱通过MCU 模块控制课室内优先自动关闭或开启一个或多个窗帘，从而实现室内自然光线的自动调节。系统一旦检测到室内光照不足，会自动开启日光灯装置，此外还可根据学生落座密集情况，精准实现某一特定区域的照明调节，使灯光照明资源使用最大化，避免产生资源浪费。

3.1.3 门窗控制功能

系统能通过传感器自动检测教室门窗的开关状态，并通过网络将信息及时传送给MQTT 服务器，服务器根据收到的信息，对设备发出相关指令操作，比如，关闭教室门窗或开启教室门窗。门控开关电路设计原理图如图4 所示，门控开关GS 和门关闭GC 检测分别由芯片STM32F407 控制，电阻R1、晶体管Q1、继电器RL1 和二极管组成功放电路。门控开关的工作电压为5V，芯片通过对GS 端的控制实现教室门的开启和关闭，关门操作执行后，芯片还可以通过GC 端检测教室门是否完全闭合。为确保教室的安全，教室置入门禁系统，可通过IC 卡、指纹、密码等多种方式进行开启。当课室使用完毕，人去室空时教室自动进行监控状态，当有人蓄意非法破坏教室门窗时，系统后台会发出蜂鸣报警，提示管理人员及时查看教室情况，确保非法闯入不被允许。

图4 门控开关电路原理图

■3.2 智慧教室多媒体设备智能控制系统

多媒体设备是教师教学的核心设备，通过设计多媒体智能控制系统，能够协助课室管理员课前自动开启设备和课后自动关闭设备，一方面省去了教师开关设备的繁琐，另一方面大幅提升管理员的工作效率，此外，电脑、投影、话筒等设备可以实现相互连接，设备的运行状态可以及时记录，设备的报障可以一键发起，日常的设备维护也可记录在案。

3.2.1 教学设备的智能控制

通过STM32 单片机模块对教室内的电脑、投影仪、音响、话筒等设备进行集中统一控制。教师和课室管理员可以通过现场一键开启或关闭相关设备，也可以远程登录课室管理APP 实现，减少教师课前不必要的时间等待，确保教师到课室，设备即运行。授课结束后，教师可以通过触摸屏一键关闭所有设备，系统也可设定时间，在人去室空时，自动关闭相关设备，一方面可以节约资源，另一方面也可以省去管理员“扫楼”管设备的艰辛。

3.2.2 教学设备运行状况控制

系统后台能实时掌握各课室教学设备的运行状况，比如投影仪清晰度，音响的音量，设备的启停等，避免管理员无谓的现场维护。系统还可以将设备每日的运行状况记录在案，形成基础数据库，方便管理员的高效管理，比如可以通过系统后台查询或导出设备的开启、关闭时间，设备的利用效率等，也可生成多种形式的报表，方便管理人员向上级汇报工作，课室的管理效率得到了极大的提升。

3.2.3 教学设备的智能互联

系统可以实现课表和教室相关设备的自动联动，在教师上课前，自动开启教学所用的相关设备，对于授课中常用的网址链接，教学辅助系统也可一键开启，为教师提供贴心舒心的服务，不但节省了教师和学生的时间，还大大降低系统误操作所带来的问题，提升教学的实施效果。课后，系统会自动检测课室内状况，确保人去室空后，自动关闭教学设备，避免教学资源的浪费，提升了设备利用率。当有教师需要录制课程授课时，课室内的摄像头根据学生落座情况和教师授课活动空间等自动调整到合适角度，确保开展高清去噪的课程授课录制，录制结束后，及时保存文件到后台服务器，为确保视频文件的高可用性，在视频录制完成后，可自动进行异地备份，大幅提升视频文件的容灾能力。

3.2.4 设备远程报修与维护功能

教学设备的故障问题绕不开，躲不过，在授课过程中一旦出现设备故障，授课教师可通过一键对话功能将故障上报，系统可自动捕捉设备故障详细信息，包括故障教室，故障具体内容，故障时间，报修教师、报修时间等，然后系统会通过微信、邮件等形式发送报障提醒至课室维修人员。维护人员可远程调用室内摄像头查看故障现场情况，第一时间进行设备排障，如远程检测电脑操作系统，远程打系统补丁，远程测试设备的开启和关闭以及远程进行软件的下载和安装等。

■3.3 教学管理控制系统

教学管理控制系统可以通过调用课室安置的摄像头，实时捕捉教师授课情况和学生听课状态，教学管理系统还配备智能考勤助手，方便教师在移动端查看学生到课情况。教师日常授课借助摄像头可录制丰富教学资源库，一方面方便教师对课堂授课进行复盘，另一方面为学生提供课程回看功能，加深学生对知识的理解。教学管理控制系统实现框图如图5 所示。

图5 教学管理控制系统实现框图

3.3.1 课堂考勤系统

课堂考勤系统主要有考勤APP、人脸识别和蓝牙定位三部分组成，课前学生需开启智能手机的蓝牙功能，确保学生在正确的时间和正确的地点进行考勤签到，在签到的同时需要学生进行人脸识别验证，确认签到是否为本人所操作，如果签到过程中因为网络不畅，或其他原因导致签到不成功的情况，学生可以申请让授课教师进行调整，这样通过考勤系统将得到准确的课堂考勤数据，便于教师对学生平时出勤成绩的评定。

3.3.2 视频录播控制系统

视频录播系统通过课室内置摄像头，音响话筒及MCU处理模板等将教师日常授课情况录制成册，可以是实时的全部录制，也可以是部分录制。对于部分优秀教师的公开授课可通过网络实现多平台同步直播，方便学生多平台获取知识。视频录播系统的引入为高校教学质量管理开展教学督导和教学评价提供了便利。

3.3.3 教学资源管理

授课教师可以通过资源管理模块上传电子课件、教学日历，教案、视频微课、实训指导书等多样化的教学材料和资源，以课程为中心，并以树型结构的形式展现教学资源，方便学生查找相关资源。对于课程学习内容，教师可自定义发布对象，接收知识内容的班级人群等。另外还可以根据学生自学课程资源情况，及时调整课程进度和授课的方式方法。对于之前课堂录制的授课视频，微课等，可以同步至教学资源管理系统，这样一来，可以为学生提供课外随时观看，反复观看的途径。

3.3.4 教学互动管理

教学互动是围绕课程来展开，针对课程，可以提供多样化的教学互动功能，比如课堂在线讨论、问题答疑、视频互动、文字评论，在线作业及考试等，充分凸显教学互动在教学过程的作用。另外，每个多媒体课室还配备触摸交互式投影屏，学生通过扫码等手段，将手机终端和触摸投影屏相连，即时实现手机小屏与投影大屏的互动连接，最重要的可以实现教学资源的一键共享和使用。

4 结束语

在普通的智慧教室控制系统设计中，设计人员一般将设备的智能化控制作为重点，而对人机交互和数据分析挖掘考虑不足，而基于物联网技术的智慧教室控制系统设计通过引入最新的物联网技术和STM32 单片机系统，使课室的软硬件资源得到了极大的整合，实现了课室的智能化控制：比如通过各种传感器为教学创造个性化的物理环境，实现教室多媒体设备的集中统一控制，为教学资源管理和教学互动提供有力支撑，助力教师打破原有传统教学模式，变革和创新教学教法，学习方式。

随着需求的不断变化和新技术的快速发展，智慧教室控制系统下一步设计将会引入大数据分析技术及区块链技术，通过大数据技术可以将教室设备的使用情况进行量化管理，比如可以统计设备使用率和故障率、课室使用率等，此外。诸如学生回答问题的次数，教师与学生互动的频次等都可以通过大数据技术进行捕捉，收集相关数据并分析后，可以生成各种类型的数据报表，比如饼状图，柱状图，为管理层的相关决策提供数据支撑。区块链技术的引进主要是确保整个系统的安全可靠性，打破原有中心化的系统，使智慧教室各个节点都能保存和记忆完整数据，大幅提升了智慧教室控制系统的高可用性。新技术的发展进步必然会促使智慧教室控制系统的改进，为了更好地服务师生，服务教学，更加智能化，自动化的教室将会不断涌现。