基于物聯網技術的智慧教室系統設計與實現研究

趙 鵬

（江蘇第二師范學院 數學與信息技術學院，南京 210013）

信息化技術發展日新月異，為我國高校建立智慧教室和智慧校園提供了良好的技術支持。目前，我國大部分高校課堂設備已經全面引進了多媒體集成智能板、交互式數碼投影儀、智能輸入輸出控制設備系統等多種先進技術設備。多媒體教室系統及課堂教學配套設備都正在向智能化、數字化方向迅速發展，使學生的個性化課堂環境條件得到了顯著改善，課堂內的各項教學內容設計和各類教學參考資源得到了進一步優化。基于現代物聯網技術創建的智慧教室，將教師、學生與其他智能設備、教學環境相互緊密連接，構成為一個高效有序統一的有機整體。高校智慧學習教室系統集高校智能多媒體硬件設備遠程管控、智慧學習教室環境參數的動態調節和智慧化課堂教學系統于一體，給每位學生帶來不一樣的開放式互動學習的體驗，讓智慧學習教室課堂環境變得智能化、高效化。

1 我國智慧教室現狀的分析

在我國目前大多數高校的智慧教室建設過程中，仍然存在一定的問題。之前傳統的多媒體教室，教學設備的投入過度重視硬件而忽略了軟件的投入，同時只考慮教學設備的好壞而輕視了設備對教學內容的呈現。在傳統多媒體教室的建設過程中，一般都是將一系列的硬件進行簡單組裝，輕視了對教室系統的建設。各大高校的多媒體教室分布較為分散，引入的設備型號較為復雜，多媒體的操作方式也較為多樣。如果傳統的多媒體教室數量不斷增多，就會為智慧教室的建立帶來巨大的阻礙，智慧教室的弊端也會日益地顯現出來。

我國智慧教室現存在的弊端有：其一，如果多媒體設備等教學設備出現了故障問題且沒有及時進行修理，將會大大影響教學的進程；其二，智慧教室引入的普通電腦，其電腦Windows操作系統容易受到電腦病毒的感染，給教師課堂的教學活動帶來了影響，同時也影響后期的維修工作；其三，多媒體教室的教學設備屬于通用性物品，無論是學生、老師還是外來人員等都可以使用智慧教室的多媒體教學設備，容易發生偷竊和隨意使用導致故障等問題；其四，智慧教室中的設備種類繁多，設備間線路過于復雜，導致教室設備安裝維修困難、設備用戶操作煩瑣和設備故障次數頻繁等問題出現。智慧教室更側重于教室的便捷性和靈活性，解決傳統多媒體教室帶來的弊端，展現出智慧教室的智能性和獨特性。

2 智慧教室的概念及用途

2.1 智慧教室的概念

智慧教室是在教室的基礎上，隨著科學技術的不斷發展和人們對于生活中接觸的事物不斷深入地了解逐漸發展起來的。智慧教室的研究理念來源于對智慧地球概念的研究，引入了現代最先進的科學技術設備，來實現學校教室中教學設備裝置的智能化發展，融入各種教學配置資源，提高了課堂教學的質量水平和教學的效率。在互聯網技術的基礎上，教室可以通過信號傳輸系統及時對課堂進行實時監控，對課堂的教學進程及時進行了解。

2.2 智慧教室的用途

將教室智慧化的主要目的是幫助教師與學生之間更有效地進行知識課程的教與學，并提升教室的智能化管理水平和節能水平。智慧教室網絡中心的智能硬件網絡建設規劃要能夠充分地滿足現代化網絡學校建設中信息化發展平臺建設的實際發展應用需求，為學校教學的發展提供堅實的技術支持。智慧教室的智慧系統建設也是至關重要的，對智慧教室進行有效、合理地管理，以保障教室設備的正常運行。高校可以將智慧教室建設的核心互聯網技術和通信技術等融入到日常的教學內容中，有利于提高全校師生的科技實踐能力和研究創新水平。

3 智慧教室系統功能需求

3.1 多媒體設備的統一管理控制

在現今的課堂教學中，多媒體設備成了不可或缺的教學工具。智慧教室系統要實現對多媒體設備的統一管理控制，建立有效的管理平臺，對智慧教室中的多媒體設備實現遠程控制和智能聯動。系統可以獲取教室內投影儀、電腦和投影屏等多媒體設備的工作狀態，在遠程控制下，教師可以提前進行教學資源傳送、課表更改對接和設備定時開關機等設置工作，使多媒體設備得到統一有效的管理控制，保障了教學設備的正常運行。

3.2 教室環境的人性化

良好適宜的教室環境，是影響學生學習效果和學習效率的重要因素。在舒適的教室環境里，學生吸收知識的效率會增加，學習的效果也會得到質的提高。智慧教室使用傳感技術進行實測，且安裝自動調節智能化設備，在視覺、溫度、濕度、安全和光照等方面進行科學合理地調節，營造出人性化的教室環境。

3.3 教室系統功能的安全性

確保智慧教室系統的安全性，是系統正常安全運行的重要保障。智慧教室系統涉及到了智慧教室的安全和教學教室管理數據的安全性，所以需要設置1套高級別且安全性高的密碼，才能確保前臺數據與后臺數據的一致性和安全性。在系統開發程序設定時，要保證系統能夠承受漏洞攻擊、惡意攻擊等。智慧教室系統的安全性能要滿足實際使用的需求，保證教室系統設備的正常使用，使教學有序地開展。

3.4 課堂教學資源的價值挖掘

智慧教室系統就是要真正實現教師對數字化課堂中教學信息資源真正價值的挖掘，滿足課堂教學的基本需要。智慧教室系統建設首先應考慮要真正滿足教師對高清數字課堂常態化使用的錄播類節目資源、課堂講義和學生電子板書資源數據等各種數字化教學大數據資源數據信息的及時地、合理高效地和系統科學地整合、開發應用、優化與利用，形成一個完整的可以真正進行開放、共享、自主與研發整合的優質數字化教學信息資源體系。通過智慧教室系統中海量數據采集、數據分析和即時預測等功能的實現，可以隨時記錄和分析課堂教學的情況，也可以對教師教學的方法進行實時的觀測、精準的學情分析和公正的學業評價，有利于滿足教師、學生個性化的需求。

4 基于物聯網技術的智慧教室系統的整體架構

基于物聯網技術的智慧教室系統的整體架構主要包括：感知層、控制層、數據層和網絡層，如圖1所示。

圖1 基于物聯網技術的智慧教室系統的整體架構

4.1 感知層

在智慧教室系統的內外2側安裝一個相應尺寸的數字傳感采集設備，用來同時感知周圍環境和自動收集智慧教室范圍內所有的實際應用數據。在智慧教室系統中安裝的光傳感系統設備中，光線傳感器模塊可以專門用來實時檢測整個教室光源的光線明暗程度，從而實現對各教室區域的環境燈光進行實時、合理和精確的動態調節控制；同時安裝的射頻感知器模塊可用來實時驗證每個教室管理員和每位學生、教師的個人身份信息，對課堂出勤進行考察；溫濕感知器可以對教室內的溫度和濕度進行實時檢測，從而保持良好舒適的教室環境。

4.2 控制層

在每一間智慧教室中都要設置智能的教室控制管理平臺，負責對智慧教室實時收集數據的分析和處理，也可以給予教師控制權，便于教師對教室情況及時掌握和實時跟進。同時，各個主教學樓要設置分中心控制平臺，對教學樓中的各智慧教室的使用情況和上課情況進行整體的監測，控制平臺的管理人員，可以對各智慧教室的使用情況、課表安排信息及教師和學生的個人信息進行隨時的調取和使用，方便日常對智慧教室上課情況的考察。學校要設置總中心控制平臺，實現對全校總體的實時監測。管理使用人員都要進行身份信息的驗證和核實，完成控制平臺的使用授權。

4.3 數據層

智慧教室系統中的語義數據層則是要將智能語音感知設備上收集來的標準化數據信息進行語義的轉化，對標準化語音信息要進行科學篩選，處理完成后則要實時存儲于語音數據服務器中。智慧教室中的實時數據服務器一般要直接與所在學校內部的實時數據服務器系統相互連接，學校教務管理專業人員可以隨時隨地通過此平臺系統查看調取全校各個區域智慧教室系統的各項實時數據，及時得到智慧教室的使用情況、使用人員的信息和教學課表等數據信息。

4.4 網絡層

智慧教室的網絡層架構主要是由網絡傳輸設備構建而成，主要采用以太網、星形網絡和無線網絡這3種異構網絡。

5 基于物聯網技術的智慧教室系統的功能設計

5.1 系統的考勤管理功能設計

在基于物聯網技術下的智慧教學系統設計中，也應該包括師生教務考勤管理系統。全新的教務考勤管理系統有效解決了以往紙質簽到或點名考勤效率慢的問題，教師和學生可以在上課之前在相應的打卡系統上進行簽到、簽退打卡。同時，還可以在系統上提前預訂選擇上課的教室，根據上課的課表進行智能的排定，避免出現不同班級上課教室沖突的情況。教務考察系統每天定時將師生的實際考察情況進行上報反饋，學校的教務系統可以及時地掌握各班級各教室的出勤情況，方便對學校師生進行實時有效地監督和管理。

5.2 系統的安防監控功能設計

智慧教室系統的安防監控功能設計，是保障教室安全秩序的重要設計。在教室全方位安裝安防監控設備，比如：煙霧傳感器、門磁感應器和無線人體感應器等。煙霧傳感器可以及時對發生火災產生的煙霧和有毒氣體進行感應和及時預警；門磁感應器可以預防校外人員或危害性人員進入教室；無線人體感應器可以對教室整體情況進行實時的監測，發生危險事故時，可以第一時間進行預警和自主報警。同時，門禁系統會嚴格管控教室進出的人員，并對人員的信息進行收集匯報。當教室的安全指數沒有達到安全的標準，安防監控系統會自主發出報警信息，有效地解決了智慧教室存在的安全問題，為教師和學生的安全建立了技術保障。

5.3 系統的燈光控制功能設計

在智慧教室設計中，燈光照明設備也是重要的一部分。將燈光照明設備都連接到一條線路上，這樣可以實現對燈光的統一控制。人員可以通過移動客戶端、網關觸摸屏等設備對燈光照明設備進行遠程控制開關，根據教室的明暗自主調節燈光的亮度。對燈光進行調節和切換，可有效保護學生的視力。通過燈光管理系統可以方便查詢各個智慧教室的燈光照明情況和燈光亮度，減少電力的浪費。

5.4 系統的窗簾控制功能設計

智慧教室的窗簾控制系統是在原先傳統窗簾的基礎上，利用物聯網技術和傳感器技術，對教室窗簾進行智能化控制和調整。系統可以設置手動控制和遠程控制2個模式。手動控制模式是在固定的位置上安裝窗簾的控制開關，師生可以通過開關按鈕對窗簾進行適當地調節，使教室處于合適的光照亮度。遠程控制模式是通過無線網絡的遠程控制系統，使用移動設備對窗簾進行連接，來實現用戶遠程控制的目的。

5.5 系統的空調控制功能設計

智能空調控制系統是由智能插座、全角度紅外轉發器的共同作用來實現空調的遠程控制，在教室里安裝這2種設備，就可以使空調接受遠程設定并實現對空調的遠程控制。同樣，使用人員可以通過移動設備端連接教室空調，對空調的開關和溫度設定進行遠程控制，使教室保持合適的室溫。

6 基于物聯網技術的智慧教室系統實現

6.1 考勤管理系統實現

在考勤管理系統中，可以及時查看教室的使用情況、班級學生信息、講課教室信息和考勤狀況等。考勤管理可以根據學生的出勤狀況分為：遲到、早退、正常和缺課，對學生的學號、姓名和上課課程等信息進行記錄并上報。

6.2 安全管理系統實現

在安全管理系統中，可以自動監測教室內的氣體含量和煙霧含量，如果監測數據沒有達到安全的標準，安全系統就會對教室內危險情況進行及時的預警，保障教室的安全。如果教室的門窗沒有關好，系統也會歸為不安全情況，發出警報提醒。

6.3 照明管理系統實現

在照明管理系統中，可以監測各個教室燈光照明的具體情況、照明的實際亮度和照明的總時長。同時可以設置燈光的自動調節功能，通過監測教室內是否有人員存在，燈光在有人進入時，設置自動開始，并調節適當的光照亮度；當監測教室無人員存在時，設置自動關閉。照明管理的智能化，能夠很大程度降低學校的用電量，方便學生的日常學習活動。

6.4 窗簾管理系統實現

在窗簾管理系統中，可以實時查看教室窗簾的數量和窗簾的開關狀態，系統的智能模式可以根據教室光照的強度來調節窗簾的狀態。

6.5 空調管理系統實現

在空調管理系統中，可以實現對空調開關和溫度設定的控制，提前設定好默認溫度，根據實際的室內溫度對空調進行調節。

7 結束語

對基于物聯網技術的智慧教室系統的設計和實現進行研究，為智慧教室的建設提供了很好的借鑒。智慧教室一改傳統教室的不足，為教師教學和學生學習提供舒適、自主的教室環境。在設計智慧教室時，還要以學生為中心，滿足師生的需求。教師要正確使用智慧教室，從而推動課堂教學的高質量發展和教學設備的智能化發展。