基于物聯(lián)網(wǎng)的高校智能教室系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

摘" 要：在闡述智能教室內(nèi)涵及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入傳統(tǒng)高校多媒體教室，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對教室內(nèi)設(shè)備進(jìn)行集中管理和控制，能有效提升高校多媒體教室信息化水平。文章分析了物聯(lián)網(wǎng)智能教室管控系統(tǒng)的功能需求，設(shè)計了系統(tǒng)拓?fù)潴w系架構(gòu)和系統(tǒng)體系架構(gòu)，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能教室管控平臺。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；高校；智能教室；教室管理；系統(tǒng)架構(gòu)

中圖分類號：TN915" " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " 文章編號：2096-4706（2025）01-0177-07

Design and Implementation of Intelligent Classroom System Based on Internet of Things in Colleges and Universities

Abstract： On the basis of expounding the connotation and characteristics of the intelligent classroom， the Internet of Things technology is integrated into the traditional multimedia classroom in colleges and universities， and the centralized management and control of the equipment in the classroom by using the Internet of things technology can effectively improve the information level of the multimedia classroom in colleges and universities. This paper analyzes the functional requirements of the intelligent classroom management and control system of the Internet of Things， designs the system topology architecture and system architecture， and constructs the intelligent classroom management and control platform based on the Internet of Things technology.

Keywords： Internet of Things; colleges and universities; intelligent classroom; classroom management; system architecture

0" 引" 言

高校教室是實(shí)現(xiàn)高校人才培養(yǎng)、教育教學(xué)的重要基地[1]。近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，高校的教室管理正向科學(xué)化、信息化、系統(tǒng)化邁進(jìn)，高校教室信息化水平直接影響高校教育資源的分配與利用。物聯(lián)網(wǎng)智能教室系統(tǒng)建設(shè)需要考慮軟硬件成本，在充分利用現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，制定出一套集安全性、可靠性、實(shí)用性、兼容性、可擴(kuò)展性于一體的解決方案。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建設(shè)的高校智能教室管控系統(tǒng)為改善教學(xué)條件和提升教學(xué)水平提供支持，從而全面提升教室管理效率，為高校師生信息化應(yīng)用水平的提升營造良好的實(shí)踐環(huán)境[2]。下面以南方醫(yī)科大學(xué)的物聯(lián)網(wǎng)智能教室管控平臺建設(shè)為例，重點(diǎn)分析系統(tǒng)需求、設(shè)計及實(shí)現(xiàn)。

1" 物聯(lián)網(wǎng)智能教室系統(tǒng)需求

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高校智能教室管控系統(tǒng)是將教室各類設(shè)備通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合為一體，為管理人員管理和維護(hù)教室內(nèi)的設(shè)備提供方便快捷的服務(wù)。智能教室管控系統(tǒng)集成了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中傳感器數(shù)據(jù)采集、互聯(lián)網(wǎng)關(guān)、終端應(yīng)用開發(fā)等多種技術(shù)，從高校智能教室的需求出發(fā)，在設(shè)計開發(fā)過程中，主要分析如下幾項(xiàng)功能需求：

1）教室智能設(shè)備控制模塊。教室管理人員可以通過該模塊查看教室內(nèi)各設(shè)備的工作情況，實(shí)現(xiàn)對教室設(shè)備的全面管控，該模塊將燈光、窗簾、投影、計算機(jī)、功放、音響、空調(diào)、傳感器、室內(nèi)環(huán)境實(shí)時監(jiān)測等設(shè)備通過云端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，達(dá)到場景式控制和可視化管理，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備設(shè)施智能化維護(hù)，對發(fā)生故障的設(shè)備進(jìn)行預(yù)警和診斷[3]。對教室設(shè)備進(jìn)行全面管理和控制，除可以使用對某一臺機(jī)器單獨(dú)操作外，該模塊還可以批量操作多種設(shè)備，從而節(jié)約教師和工作人員課前準(zhǔn)備的時間，提升課堂教學(xué)的效果。

2）IP對講廣播應(yīng)用系統(tǒng)。為適應(yīng)信息化教室管理，滿足數(shù)字化、智能化教室的建設(shè)需求，及時解決設(shè)備故障、應(yīng)急廣播、考場管理等問題，可通過IP廣播方案解決應(yīng)用需求。教室對講系統(tǒng)將可視對講機(jī)進(jìn)行物聯(lián)，實(shí)現(xiàn)教室與設(shè)備控制中心管理人員、教室與教室之間的實(shí)時遠(yuǎn)程對講。該系統(tǒng)可用于教師、學(xué)生在教室內(nèi)請求管理者的協(xié)助，教室管理人員向指定區(qū)域發(fā)布重要通告、應(yīng)急廣播等。

3）信息統(tǒng)計、異常告警、可兼容性。智能教室管控系統(tǒng)能夠?qū)崟r對教室的設(shè)備使用情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，若設(shè)備出現(xiàn)異常情況，管控系統(tǒng)自發(fā)啟動告警系統(tǒng)，及時通知維修工作人員，便于管理員及時對設(shè)備進(jìn)行維修維護(hù)。該系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，兼容性好，支持任意瀏覽器訪問。

4）物聯(lián)網(wǎng)智能管控中心。物聯(lián)網(wǎng)智能教室管控系統(tǒng)將監(jiān)控攝像頭、投影、電腦、窗簾、空調(diào)、燈光、傳感器、互聯(lián)網(wǎng)關(guān)等設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)計分析，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建智能化的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。為各類設(shè)備的數(shù)據(jù)信息共享和互動創(chuàng)造了條件。在明確智能教室管控平臺的核心功能及其架構(gòu)的基礎(chǔ)上，建設(shè)具有綜合值班、教學(xué)觀摩、考試巡查、遠(yuǎn)程控制、應(yīng)急指揮等功能的系統(tǒng)，可在網(wǎng)絡(luò)管理模式、教學(xué)巡視模式、考試巡查模式、視頻監(jiān)控模式之間自由組合切換。系統(tǒng)架構(gòu)如表1所示。

系統(tǒng)架構(gòu)是基于云計算的物聯(lián)網(wǎng)一體化教學(xué)應(yīng)用，以上各項(xiàng)功能的相應(yīng)內(nèi)容如下：

1）數(shù)據(jù)分析采集。存儲業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（人員、課室、課程等），主題數(shù)據(jù)（利用商業(yè)智能BI進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析）、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、日志數(shù)據(jù)和相關(guān)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

2）環(huán)境感知分析。通過傳感器采集教室內(nèi)電腦、投影、功放、空調(diào)、電源、窗簾等設(shè)備數(shù)據(jù)信息，提供無線傳感網(wǎng)絡(luò)和硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)，同時對各類設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

3）數(shù)據(jù)傳輸。基于因特網(wǎng)、校園網(wǎng)、校園無線網(wǎng)絡(luò)，以物聯(lián)網(wǎng)關(guān)為核心，通過多協(xié)議融合，實(shí)現(xiàn)多終端多協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)連接。連接感知層與應(yīng)用層，使二者可以高效、穩(wěn)定地聯(lián)系，以可靠、安全為原則，在相應(yīng)智能教室中進(jìn)行智能網(wǎng)關(guān)的架構(gòu)，把收集到的信息傳輸給應(yīng)用層，將各類硬件設(shè)備連接成為一個體系，構(gòu)成一個互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。

4）信息應(yīng)用。搭建信息相互鏈接的平臺，構(gòu)建設(shè)備管理和控制、人員考勤、環(huán)境監(jiān)測及智能管理等系統(tǒng)模塊[4]，為學(xué)生、老師、管理人員提供可視化的數(shù)據(jù)展示和教學(xué)相關(guān)的互動與應(yīng)用。

2" 物聯(lián)網(wǎng)智能教室系統(tǒng)設(shè)計

2.1" 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)智能教室系統(tǒng)設(shè)計預(yù)留了應(yīng)用程序接口和相關(guān)擴(kuò)展接口，使其具有較好的擴(kuò)展性和可兼容性，這樣可以更好地進(jìn)行設(shè)備控制，以便系統(tǒng)能夠提供合理且可擴(kuò)展的多應(yīng)用程序系統(tǒng)架構(gòu)[5]。系統(tǒng)的具體構(gòu)造如表2所示。

系統(tǒng)架構(gòu)主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層及硬件通信層。內(nèi)容如下：

1）感知層。感知層包括傳感器信息采集來自底層硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)，已達(dá)到控制和調(diào)用的目的。主要對教室內(nèi)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行采集，利用傳感器收集設(shè)備信息，監(jiān)控攝像頭，對教室環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)采集，對各類智能設(shè)備的互聯(lián)互通提供數(shù)據(jù)支撐。

2）網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層把收集到的信息傳輸給應(yīng)用層，同時將各類硬件設(shè)備連接起來，構(gòu)成一個互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)體系。網(wǎng)絡(luò)層云計算技術(shù)的應(yīng)用確保建立實(shí)用、安全、可靠的信息化、智能化系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)層面向數(shù)據(jù)，包括存儲、分析、傳輸?shù)葦?shù)據(jù)管理服務(wù)。

3）應(yīng)用層。主要處理好信息和人機(jī)界面交互，在控制終端，實(shí)現(xiàn)手機(jī)、平板、電腦對設(shè)備的控制等，通過數(shù)據(jù)處理提供所需的信息服務(wù)。實(shí)現(xiàn)對投影、電腦、窗簾、燈光、空調(diào)等設(shè)備的檢測與控制，構(gòu)建門禁考勤、設(shè)備管控、環(huán)境監(jiān)測等系統(tǒng)模塊。

4）硬件通信層。硬件通信層包括控制器、寄存器、運(yùn)算器、存儲單元、緩存、總線等，滿足物聯(lián)網(wǎng)智能教室管理的實(shí)際需求，構(gòu)建完整的智能教室系統(tǒng)硬件體系，滿足智能教室管控系統(tǒng)運(yùn)行的硬件環(huán)境。

2.2" 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計

對物聯(lián)網(wǎng)智能教室管控系統(tǒng)的相關(guān)需求，建立了總體框架，在計算機(jī)使用中，結(jié)合模塊化的設(shè)計，對各種功能進(jìn)行擴(kuò)展，同時為模塊預(yù)留接口[6]。各個模塊之間通過通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以便更好地控制各類設(shè)備。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)安裝部署的特點(diǎn)和優(yōu)勢：

1）全面感知。感知包括傳感器信息采集硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)、處理并實(shí)時傳輸上層的數(shù)據(jù)、智能組網(wǎng)，以達(dá)到控制和調(diào)用的目的。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)較好的伸縮性及整體架構(gòu)的可擴(kuò)展性，適時性高，響應(yīng)時間短、兼容性好，對于電腦、投影、窗簾、燈光、空調(diào)等智能化改造，無須升級配套和改造現(xiàn)有線路，充分利舊，減少重復(fù)投資。

2）可靠傳遞。數(shù)據(jù)可靠傳輸保證數(shù)據(jù)的完整和安全，是保證物物相聯(lián)的關(guān)鍵要素，物聯(lián)網(wǎng)是一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，不同實(shí)體之間的協(xié)議格式可能會有差異，故而需要通過相應(yīng)的軟硬件來實(shí)現(xiàn)協(xié)議格式轉(zhuǎn)換，以確保項(xiàng)目間信息的實(shí)時、準(zhǔn)確地傳輸。實(shí)現(xiàn)了不同傳感器之間的數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理及信息交互。通信網(wǎng)關(guān)將不同傳感器的通信協(xié)議轉(zhuǎn)化為事先約定的、統(tǒng)一的通信協(xié)議，降低系統(tǒng)的耦合性，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一規(guī)范、統(tǒng)一數(shù)據(jù)和統(tǒng)一平臺。

3）智能化處理。利用云計算引入流數(shù)據(jù)聚類算法，實(shí)現(xiàn)音視頻配置，通過動態(tài)推拉流技術(shù)，對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)對教室設(shè)備智能化控制。充分利舊，將學(xué)校已經(jīng)建設(shè)好的各種品牌型號的監(jiān)控攝像頭進(jìn)行實(shí)時觸發(fā)監(jiān)控視頻流的調(diào)取，減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，需要觀看時才從監(jiān)控攝像頭調(diào)取推送，提高資源利用率。

2.3" 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室系統(tǒng)終端通過多重網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。依據(jù)各個模塊作用和功能的差異性，系統(tǒng)采用云部署模式，即整個物聯(lián)網(wǎng)智能管控系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)從邏輯上看只在云中部署的一個實(shí)例。所有的用戶都通過統(tǒng)一門戶訪問智能教室管控系統(tǒng)，所有應(yīng)用系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)統(tǒng)一在本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與部署，與教務(wù)等其他系統(tǒng)的整合也全部在本系統(tǒng)中完成。

本系統(tǒng)設(shè)置有展示模塊、倉儲模塊、傳輸模塊以及采集模塊，不同的終端可以通過無線數(shù)據(jù)傳輸，校園網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互[7]。具體構(gòu)成如圖2所示。

在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計中，經(jīng)分析需求與規(guī)劃，此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用物聯(lián)網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)交換機(jī)、遠(yuǎn)程管控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方式：

1）物聯(lián)網(wǎng)關(guān)。通過傳感器采集物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中設(shè)備的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)感知和通信，在傳感器協(xié)議之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并在發(fā)送之前處理傳感器的數(shù)據(jù)[8]。根據(jù)受控接入設(shè)備的類型和要求，不同的連接控制器件來完成控制，如空調(diào)（紅外控制器+智能空開），燈光（照明控制器）、窗簾（窗簾控制器），投影燈其他串口通信設(shè)備用邊緣智能終端（協(xié)議轉(zhuǎn)換器）。

2）數(shù)據(jù)交換機(jī)。為控制投影、電腦、空調(diào)、燈光等傳感器的數(shù)據(jù)提供接口，完成數(shù)據(jù)接轉(zhuǎn)，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息通過交換機(jī)集中傳輸給數(shù)據(jù)中心，由數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分析和處理。

3）遠(yuǎn)程控制設(shè)備及系統(tǒng)。系統(tǒng)為管理者提供多維度的遠(yuǎn)程設(shè)備管控方式，管理者可以從校園區(qū)劃的角度對特定區(qū)域的設(shè)備執(zhí)行整體遠(yuǎn)程控制（如針對一個校區(qū)，針對某一樓層，針對單間教室），也可以單從設(shè)備的角度對某種設(shè)備執(zhí)行遠(yuǎn)程管控（如打開所有智能教室的投影儀、電腦、窗簾等設(shè)備）。管理員無須到達(dá)現(xiàn)場，通過遠(yuǎn)程交互，便可實(shí)現(xiàn)對所有設(shè)備的管控和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)教室設(shè)備的智能化、透明化和人性化[9-10]。

3" 智能教室物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

以南方醫(yī)科大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)智能教室為例，根據(jù)我校實(shí)際情況和需求，物聯(lián)網(wǎng)智能教室運(yùn)維管理控制平臺主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

1）多媒體教學(xué)設(shè)備智能控制平臺。根據(jù)教室管理需要，管理員可通過智能教室管控系統(tǒng)對各類教學(xué)設(shè)備、教學(xué)資源進(jìn)行調(diào)節(jié)和配置，如圖3所示。

2）IP對講廣播系統(tǒng)，室內(nèi)設(shè)備智能控制。通過IP廣播方案解決應(yīng)用需求，教室對講系統(tǒng)將可視對講機(jī)進(jìn)行物聯(lián)，實(shí)現(xiàn)教室與設(shè)備控制中心管理人員、教室與教室之間的實(shí)時遠(yuǎn)程對講。可根據(jù)實(shí)際需要完成對設(shè)備的開啟與關(guān)閉，既可以單獨(dú)也可以批量開啟或關(guān)閉相應(yīng)的設(shè)備，提升管理效率的同時達(dá)到節(jié)能減耗的目標(biāo)，如圖4所示。

3）教室空間可視化。平臺采集空間設(shè)備信息與空間資源使用情況，通過跨平臺數(shù)據(jù)整合、大數(shù)據(jù)分析研判、數(shù)據(jù)挖掘等手段，生成可視化數(shù)據(jù)資源地圖，為管理者提供教學(xué)全流程質(zhì)量分析，實(shí)時監(jiān)測教室運(yùn)行狀態(tài)。從教室空間應(yīng)用，到教學(xué)活動數(shù)據(jù)，再到資源應(yīng)用數(shù)據(jù)都做了全方面分析，為教學(xué)督導(dǎo)、教室建設(shè)、設(shè)備管理提供數(shù)據(jù)依據(jù)，如圖5所示。

4）軟硬件綜合集成管控平臺權(quán)限管理。針對不同用戶實(shí)行權(quán)限分配與管理，為不同用戶的賬戶設(shè)置不同操作權(quán)限，包括超級管理員、普通管理員、防丟預(yù)警接收員、教師管理員、二級審核和三級審核等，如圖6所示。

5）教學(xué)巡檢、APP或微信二維碼報修。通過監(jiān)控攝像頭采集到的圖像數(shù)據(jù)對學(xué)生到課人數(shù)進(jìn)行分析，加強(qiáng)教學(xué)過程的精細(xì)化管理，了解教室設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，使學(xué)校教室管理走向常規(guī)化、科學(xué)化、高效化。智能管控系統(tǒng)支持APP或微信掃碼報修，管理人員點(diǎn)擊報修故障記錄后，通過觀看設(shè)備故障前幾分鐘的音視頻，根據(jù)需要及時進(jìn)行維修，維修數(shù)據(jù)形成統(tǒng)計報表，為管理者提供決策依據(jù)，如圖7所示。

6）教室預(yù)約。通過和教務(wù)課表對接，提升教室使用效率，支持多種終端進(jìn)行訪問，師生可通過PC、平板、手機(jī)對教室進(jìn)行查詢、申請，方便師生隨時預(yù)約和使用，如圖8所示。

4" 結(jié)" 論

以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，建立智能化和模塊化管理模式，針對高校智能教室管控系統(tǒng)，闡述了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能教室設(shè)計的重要意義，目標(biāo)及原則。在智能教室的設(shè)計過程中，充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)促進(jìn)系統(tǒng)功能優(yōu)化、服務(wù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)教室管理的創(chuàng)新與發(fā)展，為學(xué)校的教室管理與教學(xué)保障服務(wù)提供多元化、個性化、創(chuàng)新化支持，為廣大師生創(chuàng)造較好的課堂教學(xué)環(huán)境和教學(xué)氛圍，提升了教學(xué)效果，提升高校課堂教學(xué)的信息化水平，更好地滿足了現(xiàn)代信息化教學(xué)的需要。

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