基于物聯網技術的教室管理系統設計

譚云月

關鍵詞：物聯網；智慧教室；云平臺；校園信息化；PaaS平臺

0 引言

隨著物聯網技術的不斷進步，物聯網技術在校園信息化建設中的重要性也在逐漸提高，智慧教室也不例外。智慧教室是數字技術應用于學習場景下的產物，是多媒體教室和網絡教室相融合的現代化教室。智慧教室以物聯網技術為基礎，利用 5G、云計算、人工智能、大數據、區塊鏈等信息技術來構建[1]。

智慧教室作為物聯網技術在校園信息化建設中的重要一環，正在逐步取代傳統教室，以構建全新的教室環境來提高學生學習質量和效率。但是目前的智慧教室還存在諸多問題，例如教室中的各個系統模塊隸屬不同廠商，有各自的管理平臺，數據鏈條沒有完全打通，這也導致智慧教室的設備在后續拓展中會加劇這些問題的嚴重程度；注重多媒體設備的建設，但是教室的設備沒有納入平臺進行總體管理，沒有教室整體態勢感知能力等[2]。

基于此，提出一種基于物聯網技術的教室管理系統設計。該系統由“平臺+硬件”的方案實現，硬件上利用集中式網關對教室內的多媒體和其他智能設備進行管理；平臺利用物聯網PaaS平臺作為數字底座，直接管理教室內的集中式網關，完成基本數據收集和設備管控，在數字底座上層實現智慧教室管理應用平臺，實現智慧教室的整體態勢分析、信息展示和管理功能，方便學校對教室進行“一站式”管理[3]。

1 教師管理系統需求分析

基于物聯網技術的教室管理系統為了解決教室中各個智能化模塊互不隸屬，平臺管理困難，不易進行設備拓展和教室整體態勢感知能力差的問題，需要具備以下能力。

1.1 海量設備接入和高并發能力

每個教室都需要接入若干種不同的物聯網設備或者其他硬件，這些硬件直接或間接地都要同管理平臺進行通信，平臺需要具備同時接入這些設備的能力，并且要考慮到高并發的情況。

1.2 教室內設備納管能力

教室內的硬件設備要全部直接或間接接入管理平臺進行納管，要具備在平臺上查找和控制這些設備的能力。

1.3 教室內態勢感知能力

管理平臺需要具備對教室狀態進行統計分析的能力，包括多媒體設備使用情況、教室溫濕度、教室內實時畫面等。

1.4 設備拓展能力

管理平臺需要考慮未來新增設備的可能性，在不影響現有系統運行的情況下，還需要具備一定的設備拓展能力。

2 系統總體架構

教室管理系統主要是由硬件和軟件兩大部分組成，硬件由集中式網關、攝像頭、門鎖、空調控制設備、電子班牌、多媒體設備等構成，其中集中式網關作為教室內硬件設備的唯一入口，為它們提供網絡并進行統一管理；平臺由設備管理平臺和教室管理系統應用平臺構成，其中設備管理平臺為物聯網PaaS平臺，作為數字底座對接每個教室的集中式網關；平臺與硬件通過校園網或者5G校園專網進行通信[4]。系統總體架構如圖1所示。

硬件設備層由集中式網關及其接入的設備組成，接入設備包括教室多媒體設備、智能門鎖等。其中，集中式網關是教室內設備連通外部網絡的唯一出口，集中式網關通過藍牙、Wi?Fi、串口和網線等方式與教室內智能設備進行通信，并通過直連校園網或者通過5G模組連接5G校園專網的方式為整個教室的智能設備提供網絡[5]。

平臺層中的設備管理平臺，具備設備接入，設備狀態管理，設備上行數據記錄與推送，命令下發等功能，作為整個系統中集中式網關接入的上級平臺直接對其進行管理。

平臺層中的智慧教室應用平臺作為應用層直接面向管理人員，能夠實現教室信息管理、教室狀態管理與監控、教室使用情況分析和后臺管理等功能。

3 教室管理系統硬件接入設計

教室管理系統硬件作為整個系統的感知層，負責智慧教室各個部分功能的具體實施，硬件拓補圖如圖2所示。

整個硬件接入部分的核心由每個教室一一對應的集中式網關構成，該網關需要具備一定處理能力，能運行OpenWRT等類似的操作系統以具備一定的網絡處理能力，外部下行接口需要具備網口、串口以及Wi?Fi和藍牙功能，才能對教室內各類型設備和傳感器進行管理和控制，同時上行接口需要具備光纖和千兆網口或者搭載5G通信模組，以期能夠接入校園網或者5G校園專網，連接平臺側的設備管理平臺完成設備納管[6]。

智能門鎖采用Wi?Fi直連的方式，與集中式網關進行連接，網關除了負責對智能門鎖提供必要的網絡支持，同時也會對智能門鎖進行納管，開關門命令和狀態，都由集中式網關同設備管理平臺通信后進行轉發，協議采用MQTT進行通信。

紅外空調控制器和溫濕度傳感器采用RS485串口方式與集中式網關進行連接，通過平臺對網關進行相應配置后，就可以操作紅外控制器控制教室內空調的運行狀態，利用溫濕度傳感器檢測教室內的溫度狀態。

教室多媒體設備包括電腦、音頻設備和投影、智能電視等設備，教室的多媒體電腦開機自啟動運行專用軟件獲取投影、音視頻設備狀態，與集中式網關通過網口或者交換機進行通信，上報設備使用狀態，包括設備開關狀態和使用時間等。

攝像頭與集中式網關通過網線或者交換機連接進行通信，使用通用的視頻流傳輸協議如ONVIF等協議直接與設備管理平臺連接通信，上傳教室內的視頻數據。

電子班牌一般采用基于安卓的大屏幕平板放置在教室門外，使用Wi?Fi與集中式網關通信，通信協議采用MQTT 協議，主要用于展示課表信息和教室信息，如果具備前置相機，也可具備簽到功能。

4 教室管理系統平臺架構設計

4.1 物聯網PaaS 平臺簡介

PaaS（Platform-as-a-Service） 是平臺即服務的縮寫。他是云計算的三種服務模式之一，在這個模式下，PaaS平臺通常包括開發軟件系統所必需的底層基建與中層運維，如基礎架構、軟硬件設施、數據庫代碼、網絡維護等，使用者僅需要負責上層業務功能開發，從而大大加速了應用程序的開發。

PaaS平臺在物聯網的應用十分廣泛，因為在通常的物聯網場景下，平臺需要考慮到設備海量接入、高并發和海量數據積累等問題，如果從頭到尾都通過自研方式解決，無疑會帶來很多研發方面的問題，增加時間和人力投入。通過引入物聯網PaaS平臺封裝成設備接入層，就可以做到頂層業務代碼和設備接入層代碼的完全解耦，利用PaaS平臺提供的物聯網設備接入基礎設置，就可以減少開發投入，專注于業務本身的實現。一般常用的物聯網PaaS平臺如OneNET、阿里云IoT等都支持各類物聯網協議，支持設備海量接入和高并發處理，具備安全的數據推送和反向控制能力，有完善的固件管理和升級功能，以及詳細的日志展示，通過私有化部署或者直接在公有云上使用，可以極大地簡化開發流程，滿足各類基于物聯網設備的應用平臺的開發。

4.2 教室管理系統平臺功能設計

教室管理系統平臺作為智慧教室內設備管理、教室信息管理、教室使用情況分析等功能的載體，在整個系統設計中具有重要作用。教室管理系統平臺前端展示為Web頁面，可在Web端進行各項操作，前端Web基于VUE框架，以組件化思想進行打造，后端采用SpringCloud打造微服務系統，并且采用高性能消息中間件保障與硬件層的集中式網關的消息處理能力。平臺整體采用模塊化設計，可拓展性強[7]。

教室管理系統平臺由兩部分組成，分別是智慧教室應用平臺和設備管理平臺，其架構如圖3所示。

設備管理平臺作為集中式網關及其下掛設備直接接入的平臺，對集中式網關及其下掛設備進行直接的數據交互，可以采用成熟的物聯網PaaS平臺作為其基礎，如OneNET平臺或阿里云IoT等平臺做校園內私有化部署，具體功能模塊包括設備接入模塊、協議解析模塊、設備管理模塊、數據推送模塊和相應的API 接口、日志模塊和遠程升級模塊等[8]。集中式網關通過校園網或者5G校園專網的方式接入平臺，平臺通過MQTT協議對網關上報的數據進行解析和存儲轉發，并對來自上層的智慧教室應用平臺的命令解析后向網關下發下行命令對其進行控制，利用數據推送模塊和API接口與上層的智慧教室應用平臺進行數據交互和命令交互[9]，日志模塊用于查看接入硬件設備的各項動作的日志，遠程升級模塊管理所有在集中式網關管理下的硬件設備的固件版本和升級操作。

智慧教室應用平臺，作為直接面向管理人員的管理平臺，由設備控制模塊、用戶交互模塊、教室信息管理模塊、教室狀態管理與監控模塊、教室使用情況分析模塊和后臺管理模塊構成。設備控制模塊通過API 與下層的設備管理平臺，獲取教室內各個設備的狀態[10]；用戶交互模塊包含必要的前端交互能力，是管理人員操作整個應用平臺的入口；教室信息管理模塊則是查看全部納管狀態的教室內的信息，包括教室樓棟編號位置等；教室狀態管理與監控模塊負責獲取每個教室內具體的設備狀態并進行集中式網關及其下掛設備的注冊、配置和管理；教室使用情況分析模塊包括數據駕駛艙和分析報表等功能，用于向管理人員進行數據展示和分析教室當前的狀態；后臺管理模塊包含人員配置和管理員配置等功能。

5 總結

本文提出的物聯網技術的教室管理系統設計，該系統采用“平臺+硬件”的方案，其中平臺側通過在平臺運用物聯網PaaS平臺作為接入層的方式對教室內的設備進行統一接入管理，而硬件側使用集中式網關作為統一接口，做到智慧教室中對應的功能模塊統一接入、統一管理和統一使用。該系統通過引入物聯網相關的感知和控制技術，整合教室軟硬件資源，實現教室的智能化管理，解決了當前部分智慧教室中各個功能模塊各自管理，智慧教室整體態勢感知和管理能力不足的問題。