教室智能化管理的設計與實現

黃孝新 黃思樂 姜公信

【摘要】傳統高校教室設備復雜多樣，故障率高，智能化管理存在一定瓶頸。本文以北理工珠海學院的教室為背景，通過對教室的設備架構和控制模式重新設計，利用云計算、物聯網等信息技術，實現教室設備根據教務系統的任務進行智能控制，將使用場景復雜的教室管理變得智能、簡單。

【關鍵詞】多媒體；教室；智能化；物聯網

一、研究背景

高校多媒體教室的多媒體設備主要由中央控制器、視頻輸入設備、視頻輸出設備、音頻輸入設備、音頻輸出設備等組成，如圖1：

隨著計算機技術的不斷發展，部分多媒體設備控制系統逐漸將多媒體教室內的空調、燈光等強電設備也集中管理起來，但此部分功能主要是基于原有的多媒體設備控制系統，并無根本改變多媒體設備的組成結構，控制方式也基于原有的中央控制主機功能進行擴展。從多媒體教室的管理和使用來看，傳統多媒體教室設備組成及控制方式，存在網絡布線麻煩、設備部署繁雜、管理不便、用戶體驗不佳、資源浪費嚴重等諸多弊端，具體如下：

1.多媒體教室設備繁多，集成度不高，主要包括計算機、視頻輸入輸出設備、音頻輸入輸出設備等傳統多媒體設備，以及空調、燈光、風扇等設備。

2.基于傳統中控系統的設備連接繁瑣、故障排查難，設備穩定新、可靠性均受影響。

3.多媒體教室的管理除多媒體設備集中管理外，空調、燈光、風扇等外設均主要依靠物業人員進行人工管理，導致教室管理效率低，人員管理成本高，同時也因管理效率問題，造成大量資源浪費。

4.因設備繁雜，導致教學人員使用設備較為繁瑣，很多時候需要借助于管理人員；目前主流的手機、平板等移動設備較難接入多媒體教學平臺，教學人員教學資源暫時受限。

隨著計算機技術、物聯網技術及云計算的發展，各高校也在積極探索適合自身教學、管理需求的智慧教室的方案。北京理工大學珠海學院結合自身管理特點，對教室的智能化管理進行了設計和實現。

二、教室智能化管理的設計

本文主要依托北京理工大學珠海學院對教室智能化管理的需求，對教室的多媒體設備及智能控制進行系統改造設計。

（一）設計原則

教室智能化管理的設計須符合北京理工大學珠海學院的實際管理情況，具備落地實施的條件。北京理工大學珠海學院多媒體教室為一體化管理模式。因此，教室智能化管理的設計不僅包括多媒體設備，而且包括教室內空調、燈光、風扇等所有設備。

1.智能原則

教室智能化管理設計須滿足智能化控制原則，改變現有的人工管理和維護的現狀；根據系統計劃任務，達到教室的智能化管理；利用物聯網技術，把教室全部設備集中連接、控制。

2.簡化原則

利用先進信息技術，增強設備的集成力度，進一步簡化設備組成，改變傳統的多媒體教室設備組成結構。同時，教室應優化操作界面，簡化教學人員的使用。

3.成本原則

設備的與設計，需有利于進一步減低設備投入成本；其次，教室智能化設計須考慮管理成本，盡量簡化，易維護，減少管理人員成本支出；同時考慮節能設計，避免資源浪費。

（二）設計架構

1.教室智能化控制系統設計

本系統將教務系統與教室的控制系統進行數據對接，以教務系統的使用，包括課表、借用等任務，作為教室智能化管理和控制的計劃任務，通過計劃任務實現對教室的投影機、電腦、音響等多媒體設備及空調、燈光、風扇等設備進行智能化控制，實現教室的智能化管理，其設計架構如圖2：

教室智能化管理和控制系統的設計關注以下幾點：

（1）教室的智能化控制系統是以教務系統的課表、考試安排、借用等使用任務作為智能化管理和控制的數據依據，實現多媒體教室的智能管理。

（2）教室的智能化管理和控制充分考慮學校的管理實際，在以教務系統相關數據作為智能控制計劃任務時，增加可提前或延后執行任務的時間設置，時間可根據學校的使用情況設置。

（3）充分考慮教室內各類設備特性，設定智能控制的順序，例如，在計劃任務結束時，依次先以正常程序關閉空調、投影機、投影幕、電腦等設備，以免因直接斷電關閉設備，影響設備壽命；待以上設備正常關閉后，再執行關閉電源指令，控制教室電源。

（4）因智能控制主要依托網絡傳輸相關數據和指令，因此，本設計考慮在斷網或服務器異常的情況下，默認教室電路全為開路，保證教室正常使用，以免影響正常教學。

（5）本設計主要通過系統的計劃任務來實現教室的智能化管理和控制，因考慮教室使用場景復雜多樣，須建立教室移動化、集中化控制機制，即管理人員通過互聯網可隨時隨地管理和控制教室。

2.多媒體設備系統設計

傳統的多媒體設備系統中以傳統中央控制器為核心設備，其他輸入設備和輸出設備等均通過有線接入中央控制器，以滿足日常教學需求。多媒體設備系統設計主要以Android系統為核心技術，對傳統中央控制器進行改進設計；同時，結合云計算和物聯網等信息技術，組成新的多媒體設備系統架構，以滿足日常教學需求，具體設計架構如圖3：

多媒體設備系統設計主要關注以下幾點：

（1）建立以Android系統為操作系統的、高度集成的、低能耗的智能中央控制設備為核心的多媒體系統，其余教學設備通過有線或無線接入至智能中央控制設備，形成完整的多媒體教學系統，簡化多媒體設備系統組成。

（2）結合云計算技術，在多媒體設備中接入云桌面；每間教室將分配一個公共云桌面，或教師可直接使用自己的云桌面，直接用于教學；云桌面可集中管理、維護，大大減低教室管理人員的維護難度和復雜度；教師使用自身的云桌面進行教學，個性化更強，更具針對性。若遇斷網，也可直接使用中控的Android系統，應急用于教學。

（3）多媒體的教學外設，包括投影機、電腦、話筒、音響等，主要通過有線或無線投屏技術接入中控。平板、手機等外設可通過無線投屏接入到多媒體設備系統中，實現教師和學生的移動設備可隨時在教室內投屏分享，豐富課堂。

三、教室智能化管理的技術實現

（一）多媒體核心設備-智能中控

智能中控是一臺帶Android操作系統的硬件設備，不僅滿足其他輸入、輸出設備通過有線或無線接入，而且結合學校云桌面，形成多媒體計算機，滿足多媒體教室的日常教學。同時，智能中控集成了傳統多媒體設備中的功放、無線路由器、多媒體中央控制等硬件功能，大大簡化了多媒體設備的系統組成，如圖4：

（二）智能化控制硬件系統

在不改變教室內原強電箱線路的情況下，將空調、燈光、風扇等強電回路接入控制電箱的繼電器模塊，通過控制繼電器模塊實現教室強電的控制功能。后臺控制管理系統通過網絡TCP/IP協議，與電箱網關設備進行通訊，網關設備將TCP/IP協議轉換為RS485通信協議與教室控制模塊進行通信。通信數據指令通過串口軟件對教室內相應設備進行配置，把教室內不同型號的空調、投影機等控制碼下發至對應教室的控制器內，實現空調、投影機的控制功能。其中，空調通過紅外模塊進行控制，投影機通過232模塊進行控制，燈光、空調等強電模塊則通過繼電器模塊進行控制。控制電箱內預留了電流檢測模塊，可將實時用電數據提供到節能平臺，方便管理員對用電數據進行監控分析，如圖5：

（三）智能化控制軟件平臺

智能教室控制軟件平臺是基于JAVA語言進行編寫的。為了滿足管理人員隨時隨地管理和控制多媒體教室，我們開發了基于B/S架構的web控制頁面和基于H5技術開發的移動控制頁面。控制軟件將教室多媒體設備、空調和燈光、攝像頭等設備集成在控制終端。通過控制軟件，不僅可以觀察各教室設備的運行狀態，同時也可以對相關設備進行參數配置，從而實現對相應設備的控制。后臺管理服務器每分鐘向教室內的控制器發送數據包，教室內控制器超過三分鐘接收不到后臺服務器發送的數據包，控制器將不起作用，教室默認處于供電狀態，解決由于斷網或后臺服務掛死出現大面積無法供電的情況，保證教育教學的正常秩序。WEB控制端如圖6、手機APP控制端如圖7：

（四）智能控制系統與教務系統對接

智能控制系統與教務系統進行數據庫對接，將教務系統中的課表、考試安排、借用等任務列為智能控制系統的計劃任務，從而智能的管理多媒體教室。智能控制系統和教務系統鏈接的方法是Dblink。 Dblink是一種實現異地數據庫和本地數據庫數據同步的技術，可以連接到異地數據庫系統的表、視圖。該技術建立同步操作快捷方便，在保證數據的自動更新的同時，又可以保證數據庫間的數據實時一致，從而使教務系統中課表、借用表等同步到控制系統，使控制系統可以根據課表等控制教室內設備，實現教室智能化控制。

四、總結

本次教室智能化管理的設計和實現偏向于高校教室的管理，教學的智能化方面考慮較少。隨著教室智能化的深入使用，技術的不斷發展，教室智能化必將朝著教學智能化發展，即現在研究的熱點：智慧教室。教室智能化將為教學積累大量教學數據，為課堂大數據分析提供數據基礎，推動高校教育教學改革。

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