高校智慧教室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計分析

德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張 丹

智慧教室就是現(xiàn)代教室智慧功能，應(yīng)用各種計算機先進(jìn)的技術(shù)，配套硬軟件設(shè)施，實現(xiàn)教室的現(xiàn)代智能化建設(shè)，對各種教學(xué)資源的線上獲取，實現(xiàn)智慧教室建設(shè)的技術(shù)支持。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立的高校智慧教室就是在日常教學(xué)中根據(jù)教學(xué)要求，對教學(xué)資源進(jìn)行線上整合，訪問線上教學(xué)資源，以滿足智能化、現(xiàn)代化教學(xué)的需求。智慧教室中需要安裝視頻監(jiān)控攝像頭，對智慧教室的運行和使用情況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，其中主要有教室環(huán)境信息、活動情況及課堂實錄等。下面重點分析基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高校智慧教室系統(tǒng)功能、結(jié)構(gòu)及設(shè)計問題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

智慧教室在傳統(tǒng)多媒體教室基礎(chǔ)上，融合了物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動通信等技術(shù)，根據(jù)智慧教室的功能實現(xiàn)需要，智慧教室架構(gòu)應(yīng)該包含感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層（詳見圖1）。

圖1 智慧教室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 感知層

這一層主要是對于教室內(nèi)相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，感知層是智慧教室建設(shè)中必不可少的部分，主要結(jié)構(gòu)有無線傳感網(wǎng)絡(luò)感知節(jié)點、硬件設(shè)備感知節(jié)點、智能設(shè)備電子標(biāo)簽感知節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、多媒體設(shè)備轉(zhuǎn)臺、實施教室環(huán)境等數(shù)據(jù)采集部分，感知層和應(yīng)用層以及網(wǎng)絡(luò)層之間能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)交互。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

這一層是物聯(lián)網(wǎng)智慧教室的核心部分，相當(dāng)于系統(tǒng)的中樞神經(jīng)，網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)教室數(shù)據(jù)信息的分析和傳輸，這一層建設(shè)需要借助校園網(wǎng)支撐，在相應(yīng)智慧教室中進(jìn)行智能網(wǎng)關(guān)的架構(gòu)，同時，借助無線通信和組網(wǎng)技術(shù)將智慧教室的各類硬件設(shè)備連接起來，構(gòu)成一個相通的網(wǎng)絡(luò)體系。再通過智能網(wǎng)關(guān)或無線路由將感知層采集的數(shù)據(jù)信息等傳輸?shù)骄唧w位置進(jìn)行處理，達(dá)到對教室內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)信息以及設(shè)備的互通和高效管控效果。

1.3 應(yīng)用層

這一層的任務(wù)是對于感知層采集的數(shù)據(jù)信息等進(jìn)行有效處理，呈現(xiàn)智慧教室的相關(guān)信息，搭建信息交互的平臺。最后對于處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用，構(gòu)建門禁考勤、設(shè)備管控、環(huán)境監(jiān)測以及智能教學(xué)管理等系統(tǒng)模塊。

2 智慧教室系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

在本文的高校智慧教室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計中，不同終端設(shè)備可以借助無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、校園網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等來進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。相應(yīng)的數(shù)據(jù)交互網(wǎng)絡(luò)也需要通過分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計來實現(xiàn)部署。基于相關(guān)模塊的差異性，此次系統(tǒng)的硬件設(shè)計與軟件設(shè)計詳細(xì)分析如下：

2.1 硬件設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室系統(tǒng)硬件設(shè)計中，要將數(shù)據(jù)采集終端和數(shù)據(jù)接收終端作為重點。傳感器、MCU、AD芯片等部件構(gòu)成數(shù)據(jù)采集端。接收端也是由多個異步串口連接，還連接了蜂鳴器、LCD、芯片等部件。而總線和無線傳輸模塊相連接，其功能和終端接收設(shè)備對等，可以借助天線將信號傳輸?shù)娇刂浦行模賹⑹艿降臄?shù)據(jù)信息傳輸?shù)街鳈C位置。在系統(tǒng)硬件設(shè)計中，要注重有效控制系統(tǒng)架構(gòu)，做好布線設(shè)計。

（1）煙霧報警硬件設(shè)計

煙霧報警是保證系統(tǒng)發(fā)生安全故障能第一時間報警的硬件，是系統(tǒng)安全使用的重要保障。如圖2所示。

圖2 煙霧報警硬件設(shè)計

采用低功耗設(shè)計，使用M51310低功耗芯片，其半導(dǎo)體的性價比非常高，能增加應(yīng)急電池，即使停電也可以在無電源情況下持續(xù)工作。

（2）智慧座椅設(shè)計

教師是該系統(tǒng)考勤的重要負(fù)責(zé)人，通過座位壓力感受對智慧教室使用情況進(jìn)行考勤管理，結(jié)構(gòu)設(shè)計詳見圖3。

圖3 智慧座椅設(shè)計

智慧座椅首要考慮的是安全問題，電池選擇方面應(yīng)該拒絕使用直流供電。一般建議使用電池供電，但是需要保留充電口，可為后期無線充電提供方便。學(xué)生坐下時產(chǎn)生壓力，通過統(tǒng)計對學(xué)生數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計，掌握學(xué)生的上課人數(shù)，發(fā)現(xiàn)缺勤人數(shù)。

（3）門禁硬件設(shè)計

通過身份識別進(jìn)行設(shè)計，學(xué)生利用學(xué)生卡，教師利用職工卡統(tǒng)一刷卡進(jìn)入教室。門禁硬件設(shè)計采用860～960MHz卡對身份進(jìn)行識別，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳見圖4。

圖4 門禁結(jié)構(gòu)設(shè)計

將高頻讀寫器安裝在教室門口，進(jìn)出教室門都需要刷卡，系統(tǒng)通過刷卡記錄判斷進(jìn)出人員的身份。

2.2 軟件設(shè)計

在智慧教室的系統(tǒng)軟件設(shè)計中，包含了數(shù)據(jù)采集節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點以及主控制器設(shè)計，這些都是智慧教室系統(tǒng)中的關(guān)鍵軟件設(shè)計部分。在這一系統(tǒng)中，智慧教室系統(tǒng)中，處理器的作用很關(guān)鍵，為了實現(xiàn)智能智慧教室系統(tǒng)設(shè)計的自動化目標(biāo)，選擇使用低能耗、低成本和高性能的處理器進(jìn)行處理，確保系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)作用能夠有效發(fā)揮。通過串口接收無線網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境信息，做好解析和處理，再將相關(guān)信息保存后傳輸?shù)紾PRS模塊，借助串口接收相關(guān)控制命令或其他信息數(shù)據(jù)。

總結(jié)：隨著教育信息化、智能化的發(fā)展趨勢不斷深化，高校智慧教室建設(shè)迫在眉睫，是未來很長一段時間內(nèi)高校信息化建設(shè)工作的重點內(nèi)容之一，相關(guān)高校在構(gòu)建智慧教室的過程中，要強化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用，在智慧教室系統(tǒng)設(shè)計中，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢，促進(jìn)系統(tǒng)功能優(yōu)化。本文研究設(shè)計一種集視頻監(jiān)控和預(yù)警、遠(yuǎn)程控制、設(shè)備智能管理、無線通信等功能于一體的智慧教室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠更好的滿足現(xiàn)代化教學(xué)發(fā)展需要。