基于物联网技术的教室管理系统设计

谭云月

关键词：物联网；智慧教室；云平台；校园信息化；PaaS平台

0 引言

随着物联网技术的不断进步，物联网技术在校园信息化建设中的重要性也在逐渐提高，智慧教室也不例外。智慧教室是数字技术应用于学习场景下的产物，是多媒体教室和网络教室相融合的现代化教室。智慧教室以物联网技术为基础，利用 5G、云计算、人工智能、大数据、区块链等信息技术来构建[1]。

智慧教室作为物联网技术在校园信息化建设中的重要一环，正在逐步取代传统教室，以构建全新的教室环境来提高学生学习质量和效率。但是目前的智慧教室还存在诸多问题，例如教室中的各个系统模块隶属不同厂商，有各自的管理平台，数据链条没有完全打通，这也导致智慧教室的设备在后续拓展中会加剧这些问题的严重程度；注重多媒体设备的建设，但是教室的设备没有纳入平台进行总体管理，没有教室整体态势感知能力等[2]。

基于此，提出一种基于物联网技术的教室管理系统设计。该系统由“平台+硬件”的方案实现，硬件上利用集中式网关对教室内的多媒体和其他智能设备进行管理；平台利用物联网PaaS平台作为数字底座，直接管理教室内的集中式网关，完成基本数据收集和设备管控，在数字底座上层实现智慧教室管理应用平台，实现智慧教室的整体态势分析、信息展示和管理功能，方便学校对教室进行“一站式”管理[3]。

1 教师管理系统需求分析

基于物联网技术的教室管理系统为了解决教室中各个智能化模块互不隶属，平台管理困难，不易进行设备拓展和教室整体态势感知能力差的问题，需要具备以下能力。

1.1 海量设备接入和高并发能力

每个教室都需要接入若干种不同的物联网设备或者其他硬件，这些硬件直接或间接地都要同管理平台进行通信，平台需要具备同时接入这些设备的能力，并且要考虑到高并发的情况。

1.2 教室内设备纳管能力

教室内的硬件设备要全部直接或间接接入管理平台进行纳管，要具备在平台上查找和控制这些设备的能力。

1.3 教室内态势感知能力

管理平台需要具备对教室状态进行统计分析的能力，包括多媒体设备使用情况、教室温湿度、教室内实时画面等。

1.4 设备拓展能力

管理平台需要考虑未来新增设备的可能性，在不影响现有系统运行的情况下，还需要具备一定的设备拓展能力。

2 系统总体架构

教室管理系统主要是由硬件和軟件两大部分组成，硬件由集中式网关、摄像头、门锁、空调控制设备、电子班牌、多媒体设备等构成，其中集中式网关作为教室内硬件设备的唯一入口，为它们提供网络并进行统一管理；平台由设备管理平台和教室管理系统应用平台构成，其中设备管理平台为物联网PaaS平台，作为数字底座对接每个教室的集中式网关；平台与硬件通过校园网或者5G校园专网进行通信[4]。系统总体架构如图1所示。

硬件设备层由集中式网关及其接入的设备组成，接入设备包括教室多媒体设备、智能门锁等。其中，集中式网关是教室内设备连通外部网络的唯一出口，集中式网关通过蓝牙、Wi?Fi、串口和网线等方式与教室内智能设备进行通信，并通过直连校园网或者通过5G模组连接5G校园专网的方式为整个教室的智能设备提供网络[5]。

平台层中的设备管理平台，具备设备接入，设备状态管理，设备上行数据记录与推送，命令下发等功能，作为整个系统中集中式网关接入的上级平台直接对其进行管理。

平台层中的智慧教室应用平台作为应用层直接面向管理人员，能够实现教室信息管理、教室状态管理与监控、教室使用情况分析和后台管理等功能。

3 教室管理系统硬件接入设计

教室管理系统硬件作为整个系统的感知层，负责智慧教室各个部分功能的具体实施，硬件拓补图如图2所示。

整个硬件接入部分的核心由每个教室一一对应的集中式网关构成，该网关需要具备一定处理能力，能运行OpenWRT等类似的操作系统以具备一定的网络处理能力，外部下行接口需要具备网口、串口以及Wi?Fi和蓝牙功能，才能对教室内各类型设备和传感器进行管理和控制，同时上行接口需要具备光纤和千兆网口或者搭载5G通信模组，以期能够接入校园网或者5G校园专网，连接平台侧的设备管理平台完成设备纳管[6]。

智能门锁采用Wi?Fi直连的方式，与集中式网关进行连接，网关除了负责对智能门锁提供必要的网络支持，同时也会对智能门锁进行纳管，开关门命令和状态，都由集中式网关同设备管理平台通信后进行转发，协议采用MQTT进行通信。

红外空调控制器和温湿度传感器采用RS485串口方式与集中式网关进行连接，通过平台对网关进行相应配置后，就可以操作红外控制器控制教室内空调的运行状态，利用温湿度传感器检测教室内的温度状态。

教室多媒体设备包括电脑、音频设备和投影、智能电视等设备，教室的多媒体电脑开机自启动运行专用软件获取投影、音视频设备状态，与集中式网关通过网口或者交换机进行通信，上报设备使用状态，包括设备开关状态和使用时间等。

摄像头与集中式网关通过网线或者交换机连接进行通信，使用通用的视频流传输协议如ONVIF等协议直接与设备管理平台连接通信，上传教室内的视频数据。

电子班牌一般采用基于安卓的大屏幕平板放置在教室门外，使用Wi?Fi与集中式网关通信，通信协议采用MQTT 协议，主要用于展示课表信息和教室信息，如果具备前置相机，也可具备签到功能。

4 教室管理系统平台架构设计

4.1 物联网PaaS 平台简介

PaaS（Platform-as-a-Service） 是平台即服务的缩写。他是云计算的三种服务模式之一，在这个模式下，PaaS平台通常包括开发软件系统所必需的底层基建与中层运维，如基础架构、软硬件设施、数据库代码、网络维护等，使用者仅需要负责上层业务功能开发，从而大大加速了应用程序的开发。

PaaS平台在物联网的应用十分广泛，因为在通常的物联网场景下，平台需要考虑到设备海量接入、高并发和海量数据积累等问题，如果从头到尾都通过自研方式解决，无疑会带来很多研发方面的问题，增加时间和人力投入。通过引入物联网PaaS平台封装成设备接入层，就可以做到顶层业务代码和设备接入层代码的完全解耦，利用PaaS平台提供的物联网设备接入基础设置，就可以减少开发投入，专注于业务本身的实现。一般常用的物联网PaaS平台如OneNET、阿里云IoT等都支持各类物联网协议，支持设备海量接入和高并发处理，具备安全的数据推送和反向控制能力，有完善的固件管理和升级功能，以及详细的日志展示，通过私有化部署或者直接在公有云上使用，可以极大地简化开发流程，满足各类基于物联网设备的应用平台的开发。

4.2 教室管理系统平台功能设计

教室管理系统平台作为智慧教室内设备管理、教室信息管理、教室使用情况分析等功能的载体，在整个系统设计中具有重要作用。教室管理系统平台前端展示为Web页面，可在Web端进行各项操作，前端Web基于VUE框架，以组件化思想进行打造，后端采用SpringCloud打造微服务系统，并且采用高性能消息中间件保障与硬件层的集中式网关的消息处理能力。平台整体采用模块化设计，可拓展性强[7]。

教室管理系统平台由两部分组成，分别是智慧教室应用平台和设备管理平台，其架构如图3所示。

设备管理平台作为集中式网关及其下挂設备直接接入的平台，对集中式网关及其下挂设备进行直接的数据交互，可以采用成熟的物联网PaaS平台作为其基础，如OneNET平台或阿里云IoT等平台做校园内私有化部署，具体功能模块包括设备接入模块、协议解析模块、设备管理模块、数据推送模块和相应的API 接口、日志模块和远程升级模块等[8]。集中式网关通过校园网或者5G校园专网的方式接入平台，平台通过MQTT协议对网关上报的数据进行解析和存储转发，并对来自上层的智慧教室应用平台的命令解析后向网关下发下行命令对其进行控制，利用数据推送模块和API接口与上层的智慧教室应用平台进行数据交互和命令交互[9]，日志模块用于查看接入硬件设备的各项动作的日志，远程升级模块管理所有在集中式网关管理下的硬件设备的固件版本和升级操作。

智慧教室应用平台，作为直接面向管理人员的管理平台，由设备控制模块、用户交互模块、教室信息管理模块、教室状态管理与监控模块、教室使用情况分析模块和后台管理模块构成。设备控制模块通过API 与下层的设备管理平台，获取教室内各个设备的状态[10]；用户交互模块包含必要的前端交互能力，是管理人员操作整个应用平台的入口；教室信息管理模块则是查看全部纳管状态的教室内的信息，包括教室楼栋编号位置等；教室状态管理与监控模块负责获取每个教室内具体的设备状态并进行集中式网关及其下挂设备的注册、配置和管理；教室使用情况分析模块包括数据驾驶舱和分析报表等功能，用于向管理人员进行数据展示和分析教室当前的状态；后台管理模块包含人员配置和管理员配置等功能。

5 总结

本文提出的物联网技术的教室管理系统设计，该系统采用“平台+硬件”的方案，其中平台侧通过在平台运用物联网PaaS平台作为接入层的方式对教室内的设备进行统一接入管理，而硬件侧使用集中式网关作为统一接口，做到智慧教室中对应的功能模块统一接入、统一管理和统一使用。该系统通过引入物联网相关的感知和控制技术，整合教室软硬件资源，实现教室的智能化管理，解决了当前部分智慧教室中各个功能模块各自管理，智慧教室整体态势感知和管理能力不足的问题。