基于物聯網技術的智慧多媒體教室設計

王 琴， 鄭 敏

(太原理工大學信息化管理與建設中心，山西太原 030024)

0 引言

隨著信息技術的發展，各高校將多媒體教學建設作為教育信息化進程的重要環節，大力建設網絡化的多媒體教室，進一步改善教學環境，普及多媒體教學，從而提高教學質量，促進教育改革和發展，然而，目前國內許多高校都有多個相距較遠的分校區，學校的多媒體教室就分布在各校區的不同的教學點，且教學設備型號各異，操作繁瑣，對教師要求高，課堂設備故障率高，管理人員工作強度大，技術人員無法直接快速了解故障情況，使得課堂多媒體教學設備故障得不到及時處理，嚴重影響學校的現代化教學質量。如何集中管理好多個校區的多媒體教室成為了擺在現代教育工作者面前一個急待解決的難題。

近年來，隨著物聯網技術飛速的發展，為其在智能領域的應用打開了廣闊的前景，物聯網較早應用于智慧交通、智慧物流等領域［1］，并起到了良好的示范作用。物聯網技術的日漸成熟，為現代化教育系統帶來了新的機遇和挑戰，物聯網技術為高校分校區的多媒體教室信息化管理帶來了全新的技術手段和管理方法［2］，為了達到更優化的教學環境和效果，使學校的現代化教學管理水平更上一個臺階，我們研究物聯網關鍵技術，設計智慧多媒體教室，以實現多個校區的多媒體教室的智能化控制、遠程管理、遠程維護以及安全防護，從而進一步提升學校多媒體教學的信息化、自動化、互動化水平。

1 物聯網

“物聯網”被稱為繼計算機、互聯網之后，世界信息產業的第三次浪潮，物聯網在歐美被稱為“The InternetofThings” (IOT)，強 調 “any things connection”［3］，物聯網通過傳感器、射頻識別、全球定位等信息設備，按照約定的協議，把任何物體與互聯網連接起來，進行被測物的聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等各種信息的交換和通信，以實現被測物的智能化感知、識別、定位、跟蹤、監控、交互和管理的一種網絡，它是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡［4］。

1.1 物聯網技術

物聯網的關鍵技術涵蓋了從信息獲取、信息傳輸、信息存儲、信息處理直至應用的全過程。其信息的獲取是通過RFID射頻識別和傳感器等技術，隨時隨地采集物體的識別信息和感知信息;信息的傳輸是通過通信網絡，隨時隨地對接入網絡的物體進行信息發送、傳輸和接收;信息的處理是利用各種智能計算技術，對海量的感知數據和信息進行分析并處理，從而實現聯網物體的遠程智能化控制和管理。

1.2 物聯網的組成

典型的物聯網系統由RFID系統、中間件Savant系統和Internet系統［5］三大部分組成。

RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別，是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象，可快速地進行物品追蹤和數據交換。RFID系統主要由標簽(Tag)、閱讀器(Reader)、天線(Antenna)組成。

Savant是處在解讀器和Internet之間的中間件。Savant是具有數據捕獲、監控、傳送功能的數據挖掘工具，Savant系統需要完成的主要任務是數據校對、解讀器協調、數據傳送、數據存儲和任務管理。

1.3 物聯網的架構

物聯網網絡體系結構可以簡單地劃分為感知層、網絡層和應用層三個層［6］，如圖1所示。

圖1 物聯網結構

感知層位于物聯網架構的最下層，是物聯網信息的源頭。其利用多種傳感器、傳感網絡、RFID、GPS、攝像頭、無線電通信以及智能嵌入設備等來全面立體感知現實世界中的各種信息，物體不僅自己有感知，同時在局部空間里面還具有互動性。

網絡層就是把Wi-Fi無線網絡、全球WiMAX微波網絡、蜂窩移動網絡等各種網絡接入互聯網，完成信息的存儲、信息的融合和信息的遠距離傳輸等功能。

應用層主要完成數據的挖掘和應用的決策，即服務的發現和服務呈現的工作。

2 智慧多媒體教室設計

多媒體教學系統包含了全部電化教學、計算機輔助教學和演示手段，是目前最受歡迎、最便于使用、效果最理想的教學演示系統。它將多媒體計算機、視頻實物展臺、投影機等先進的視聽設備以及其他可遙控設備有機地連接，構成現代化視聽教學環境。

2.1 教學設備組成

多媒體教室教學設備由多媒體計算機、投影儀、視頻展示臺、中央控制系統、投影屏幕、音響設備及環境設備等多種現代教學設備組成，如圖2所示。

圖2 多媒體教學設備組成

多媒體教室的中央控制器采用內置網絡管理模塊，教室加裝傳感器和攝像頭，通過網絡對每間多媒體教室的控制設備和受控設備進行遠程監視、控制、管理和基本維護，使多媒體教室得到高效使用和管理。

2.2 基本架構

隨著物聯網的發展，傳感器技術已開始得到廣泛關注和應用，通過它構成的無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network)，可連接物理世界和數字世界［7］。智慧多媒體教室采用體積小、能量消耗低、價格低廉的無線傳感器技術、RFID射頻技術、GPS技術、攝像頭和無線電通信技術加以設計，其物聯網的基本架構主要分為感知層、接入網絡層和應用層，如圖3所示。

2.2.1 感知層設計

圖3 智慧多媒體教室基本架構

多媒體教室的感知層設計，①在各校區的每間多媒體教室機柜中安裝RFID系統，使用者通過射頻IC卡確認身份后，方可使用教室中的多媒體教學設備;②在每間多媒體教室中安裝教師和學生攝像頭，實時采集多媒體教學過程中設備運行狀態的視頻圖像，管理人員通過遠程視頻圖像對所觀察到的問題進行快速處理;③在可控教學設備中安裝相應的檢測傳感器，為遠程控制多媒體機柜、計算機、投影儀、電動幕布、功率放大器、電動窗簾、教室前排燈光以及音響等教學設備提供感知信息。④對貴重設備投影儀安裝GPS定位及無線防盜報警系統。

利用RFID、攝像頭和傳感器所構筑的智慧多媒體教室感知層，通過IC卡進行身份認證，通過攝像頭隨時監視教學情況，通過傳感器可自動監測每個教室的設備狀態以及各種技術指標和參數，從而實現多媒體教學過程的全方位“實時感知、動態控制和智慧處理［8］”，進一步提高教學設備的智慧運行維護水平。

2.2.2 網絡層設計

多媒體教室的網絡層設計，為了將獲取的感知信息無障礙、安全、可靠進行傳輸，在網絡層的設計中，首先要考慮選擇適合的通信協議和信息融合技術。

目前的全球因特網所采用的協議族是TCP/IP協議族。IP是TCP/IP協議族中網絡層的協議，是TCP/IP協議族的核心協議。網絡應用所采用的協議大多是IPv4協議，然而2011年2月3日，國際互聯網協會ICANN官方宣布:全球最后一批IPv4地址分配完畢。這標志著，第一代互聯網地址的“池子”已經全空了［9］，目前IPv4地址消耗嚴重，很容易導致網絡資源耗盡而癱瘓，無法滿足物聯網對大量地址的需要，而IPv6是基于IPv4的優化更新，在校園網絡建設中可發揮優質服務效能，并可實現基于網絡的優質計算、高效能點對點通信聯系、互聯應用、無線傳輸［10］，IPv6具有豐富的地址空間，可實現真正的端到端的互聯互通，安全性高。如果說IPv4實現的只是人機對話，而IPv6則擴展到任意事物之間的對話，它不僅可以為人類服務，還將服務于眾多硬件設備，它將是無時不在，無處不在的真正的寬帶網。我校無線校園網已接入中國下一代互聯網(CNGI-CERNET2)，用戶只需添加IPv6協議(Win7及Vista系統已自帶)即可訪問豐富的IPv6資源，開展有關研究和體驗。下一代互聯網(CNGICERNET2)無線校園網的建成可以很好的支持智慧多媒體教室的建設。

通信網是一種由通信端點、節點和傳輸鏈路相互有機地連接起來，以實現在兩個或更多的規定通信端點之間提供連接或非連接傳輸的通信體系。利用現有的通信網將學校多媒體教室總控制室的電話座機、各校區的多媒體教室管理技術人員的移動電話和總控制室的監控計算機相互有機地連接起來，管理技術人員可實時了解課堂多媒體教學設備運行情況，從而實現多媒體教室設備故障的及時排除。將通信網絡與無線校園網進行融合，可實現多媒體教室教學設備信息實時準確地傳輸與交互［11］。

2.2.3 應用層設計

由于多校區多媒體教學系統具有設備多、連接復雜、技術性強、系統利用率高等特點，應用層的設計采用云計算技術進行架構，由于云計算所提供的計算、存儲、平臺和服務等各種資源均采用虛擬化技術，且支持用戶共享軟硬件資源，云計算可將傳統的分散在廣闊地域的計算資源整合為一個虛擬的、可統一調度、按需使用的計算資源［12］，因而采用云計算技術構建云服務的多校區多媒體教室，建成資源節約型［13］的多媒體教學環境，達到教學環境最優化。

云計算具有超大規模、高擴展性、虛擬化、高可靠性、通用性、廉價等特點［14］，應用層采用云計算、模式識別等各種智能計算技術來完成多媒體教室的管理和數據的采集、數據的處理、數據的存儲、數據的共享以及信息的智能交互，并通過總控制室顯示屏顯示多媒體教室各種測量參數、實時數據、故障報警、圖形和報表等信息，實時遠程監測與控制多媒體教室終端教學設備的運行工作狀況，精確表述多媒體教室教學設備故障原因，實現遠程實時處理故障，遠程協助教師完成多媒體教學設備的操作。

3 結語

物聯網是目前在國際上備受關注的前沿熱點研究領域，已經引起了學術界和工業界的高度重視，被認為是對21世紀產生巨大影響力的技術之一［15］，基于物聯網技術的智慧多媒體教室的設計，將多校區的多媒體教室全面接入傳感網絡，使得多校區多媒體教室獲得了全面感知，可有效提高多媒體教室的管理和維護效率，以及處理教學故障的靈活性和響應速度。

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