智慧教室物联网系统的设计与实现

郑志材

摘要：将物联网技术结合课堂教学管理，可实现教学管理的技术化、智能化、科学化，提高班级管理信息化水平。文章提出将智慧教室建设作为教育信息化背景下新课堂环境建设的一种新形式。这种形式可以实现教育资源的创造和积累，为新的智能教学模式提供硬件平台，实现师生之间的及时互动，并在学校实施理论与实践相结合的生态支持教学方法。同时，利用物联网技术和传统教学方法整合资源，基于互联网、物联网的优势，有助于构建新型、高效、智能化的智慧教室。

关键词：物联网；智慧教室系统；设计

中图分类号：TU855中图分类号  文献标志码：A文献标志码

0 引言

随着科技的发展，物联网技术的完善，建设智慧校园已经成为当前学校发展的一种新趋势。智慧教室实现了教育信息化发展，对提高教育质量具有非常重要的意义。因为现有教育局设备的智能化程度相对较低，所以智慧教室的建设无法实现通用建设。智慧教室建设不仅需要实现智慧化，还需要考虑到各个专业、各种教学方法、建设成本等问题。本文提出基于物联网的智慧教室构建。

1 智慧教室系统功能需求

智慧课堂的关键在于优化现有课堂内容，综合应用教学资源，创建良好的课堂关系。在设计智慧教室时，应强调以下3个基本需求。

1.1 物联网软件应用需求

智慧教室整体包括智能门禁控制、智能环境感知、智能通风控制、智能照明控制、室内环境实时监控、管理系统兼容平台等。

1.2 物联网硬件需求特征

（1）负责环境信息收集和传输的终端。该终端设备中的硬件包括环境温度和湿度监测、摄像头、光强监测和分析、空气成分监测和分析、数据存储等。（2）自动控制功能，如门窗、教育工具等。（3）与其他软件应用程序兼容的控制平台。（4）物联网综合集成系统。

1.3 物联网管理平台综合集成拓展

物联网管理平台综合集成拓展可以通过以下环节实现：智慧类与现有信息管理应用的有效集成和兼容，构建功能全面的综合管理系统；设计和交付物联网传感器硬件系统，设计人员必须了解现有信息系统的情况，为数据交流创造环境，提高资源利用率和系统完整性［1］。从学校现有的硬件和软件入手，以不干扰现有设备和系统运行和使用为前提条件，应注意以下几个方面：现有门窗的设计和施工；通风系统的电气条件、摄像终端、投影终端和显示终端的构造；现有电力线路的走向和适应性。基于上述硬件的设计分析以及物联网技术应用的设计要求，合理利用现有设备资源，构建物联网信息管理系统，设计智慧教室系统的核心功能与体系架构。

在物联网技术背景下，各功能的技术要求如下：（1）监控显示终端。显示系统不仅是实现智慧教室的关键设备，也是实现教育现代化的重点。在智慧教室设计中，基于教学需求，利用物联网技术来设计不同环境下的多重显示模式，以满足教学需要，尽可能提高教学效果。（2）环境感知分析功能。实现智慧教室中的数据实时采集、传输和保存。采集数据包括环境温湿度、照明、CO2浓度、辐射等。（3）通风系统的智能控制。主要智能控制空调、风机等系统，并根据班级用途和空气质量智能调节通风系统，确保最佳的空气显示。（4）采光控制。智慧教室中的环境照明智能检测和识别，智能控制教室开放照明、门窗，实现最佳室内照明［2］。

2 智慧教室分层架构设计

本文提出的智慧教室建设是基于物联网三层模型设计的，系统采用各级接口，可以实现设备信息之间的传输，将采集到的信息进行分析、处理，实现用户终端交互。智慧教室系统架构包括感知层、应用层和网络层，通过利用分层体系结构设计的优势，可以提高智慧教室整体设计的灵活性，同时还可以对应用需求进行定制，以扩展和补充未来的应用需求［3］。

应用层可以为用户提供Web应用程序，从而满足不同用户的各种需求。應用层能够为每个应用程序中的用户提供由平台处理的数据。智能系统终端设备通过应用层为用户提供服务。

网络层是数据信息进行传输的关键。网络层的信息数据传输方式可以分为无线传输和有线传输。

感知层是实现数据采集的基础设备，主要包括视频监控摄像机、移动终端、空调、智能开关等智能设备和光敏传感器、烟雾传感器、火焰传感器等传感器。

3 智慧教室核心模块设计

3.1 智能设备的部署与网络构建

智慧教室中的设备必须保证网络通信、供电等基础设施和设备的运行环境，保证智慧教室内网络的全方位稳定覆盖。不同的传感器设备均对数据传输的安全性和可靠性提出了更高的要求。因此，本文选择低能耗、高可靠性、高安全性的ZigBee模块访问传感器设备，并采用ZigBee coordinator作为构建星形网络策略的中心节点［4］。智慧教室中的移动终端、智能交换机、空调等关键设备中内置了WiFi模块，通过光纤无线交换机、无线路由器和其他设备构建无线LAN网络，可以统一管理这些设备。视频监控摄像机传输的视频数据要求高带宽和网络稳定性。有线网络可以直接访问，以确保及时传输数据。将路由器、交换机和其他设备连接到ZigBee coordinator、无线光交换机和其他设备，并将新的物联网布局与有线和无线网络集成。

3.2 通用物联网平台接入

智慧教室系统中的设备数据和信息收集量非常大，将设备连接物联网平台能提升数据的有效性。物联网平台的云服务可以实现数据集成与处理等操作。此外，因为摄像头捕捉实时视频数据需要非常大的传输带宽，所以通过rest/http协议访问物联网平台，可以确保视频数据的快速传输和传输质量［5］。从其他设备收集的数据具有低传输量和低开销的特点，通过路由器集中收集、转发，由消息队列遥测传输（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）协议接入云平台。在将设备连接到通用物联网平台之前，需要在云平台中创建项目并添加云设备，以备后续使用。在外部设备中保存云设备的身份验证信息，之后可以在设备开发平台中使用SDK。云平台、设备主要通过新闻稿、订阅等形式发布消息。过滤规则引擎后，可以将消息发送给不同的数据目的地，并由不同的云计算服务进行下一步处理。

3.3 移動端应用设计

智慧教室移动终端的设计采用MVP（Model Viewer Presenter）架构模式，包括课程管理、设备管理、翻转课堂、课堂情境、用户管理、学习情境分析等功能模块。移动终端程序基于用户类型设计功能模块，需保证多重身份的使用需求。

4 智慧教室物联网系统实现

（1）对室内环境的智能感知。该模块负责实时采集室内环境参数信息并且以动态数据的形式在不同的显示终端上显示各种参数信息，方便用户查看。而传感器收集到的数据需要安全储存，方便后续的检索与分析。在具体使用过程中，用户可以根据使用需要修改和调整教室内的环境参数，以满足不同智能设备在智慧教室不同使用环境中的自动控制，始终保持良好的环境质量［6］。

（2）室内照明设备的智能控制。光照强度对于教学有着重要影响，关系到学生在课堂上的学习效果。在照明系统的光强检测模块中，通过光敏电阻来采集光强，分析光强信息以及信息结果来控制教室中的照明系统，确保照明效果质量。系统需要分析光传感器采集到的实时数据，然后通过对设定值的对比来调整光强，保证室内照明的合理性和舒适性，为教学创造良好的环境，提高教学效果。

（3）智能控制室内门窗设备。根据教室中的环境监测结果来了解教室中的门窗情况，决定是否打开或关闭。在自动控制门窗开关的状态下，无论学生是否在上课，都可以根据预设的时间参数和控制结果进行智能控制。普通窗帘都是由人来切换，耗时、耗力。该系统将通用窗帘与物联网相结合，实现窗帘的智能控制，自动调节室内光线。风速传感器、室外雨水设备和湿度监测设备可以用来监测天气，为教室的开放和关闭提供使用便利。当智能终端检测到天气数据时，它将根据天气情况决定是否自动关闭教室、计算机室、实验室等门窗，这样可以避免天气因素影响教室，避免湿度过大损坏计算机精密零件，造成计算机使用故障［7］。

（4）室内空调或风机智能控制。通风系统是由风机和空调等设备组成的。根据传感器检测到的教室中的气体成分浓度，由系统自动调控通风系统的工作状态，保证室内空气质量。

（5）多媒体教学设备的智能控制。系统根据教学要求来调整教室内不同教育设备的运行状态，以满足不同教育任务的具体需要，充分发挥现代教育设备的功能。

（6）智能防火防盗系统。该系统应用云计算、移动互联网、物联网等信息技术，有助于加强消防安全信息化建设，作为构建校园消防系统和防盗系统的辅助。教室、宿舍配备消防和防盗系统，确保学生和教师的生命和财产安全。物联网在原有火灾自动探测系统的基础上，安装了智能消防水收集器、智能电力安全探测器、智能射频识别器、物联网智能消防系统网络摄像头等前端检测设备，通过互联网数据平台远程控制物联网智能消防监控系统［8］。消防监控系统中的独立烟雾探测器、简易自动喷水灭火系统、可燃气体报警器等设备，可以在出现异常情况时实现自动灭火。移动应用程序客户端或多媒体计算机可以实时监控智慧教室的状态，打印异常消息并快速响应报警消息。

5 结语

综上所述，随着科技的飞速发展，智慧教室已经成为必然的发展趋势。智慧教室的出现，在一定程度上使师生的学习和生活更加便捷和智能，使校园管理更加规范化和制度化，降低管理者的工作难度。目前，人工智能技术愈发成熟完善，人工智能与物联网技术融合是智慧校园建设未来的发展趋势。利用人工智能分析学生的日常行为和学习，根据学生自身特点开发合适的学习方法可行性较强。此外，人工智能的介入将引发新一轮教育教学方式的变革。

参考文献

［1］李燕.基于物联网技术的智慧教室设计和实现［J］.电子世界，2018（19）：162-163.

［2］翦象慧，肖智清，龚全安，等.基于物联网技术和智慧课堂的智慧教室系统研究与设计［J］.物流工程与管理，2018（12）：170-172.

［3］陈志钦.基于物联网的智慧教室系统设计与实现［D］.南昌：江西师范大学，2018.

［4］张帆.基于物联网与云平台的智慧教室控制系统设计与实现［D］.大连：辽宁师范大学，2019.

［5］林书句.基于物联网的智慧校园集群控制系统的设计与实现［J］.现代信息科技，2020（9）：160-163.

［6］卢志翠.基于ZigBee的智慧教室物联网云平台设计与实现［D］.邯郸：河北工程大学，2020.

［7］陈志华.基于ZigBee的智慧教室物联网设计与实现［D］.兰州：兰州大学，2019.

［8］刘英杰.基于Kafka和时序数据库的物联网数据测控系统设计与实现［D］.济南：山东大学，2020.

（编辑 王永超）

Design and implementation of intelligent classroom system based on Internet of Things

Zheng  Zhicai

（Guangdong Business and Technology University， Zhaoqing 526040， China）

Abstract：  Combining the Internet of things technology with classroom teaching management can realize the technical， intelligent and scientific teaching management， and improve the information level of class management. The article puts forward the wisdom classroom construction as under the background of education informatization of the new classroom environment construction of a new form. This form can realize the creation and accumulation of education resources， provide hardware platform for new intelligent teaching mode， realize the timely interaction between teachers and students， in the school implementation of theory and practice of ecological support teaching method. At the same time， the use of the Internet of Things technology and traditional teaching methods to integrate resources， based on the advantages of the Internet， the Internet of things， will help to build a new， efficient and intelligent classroom.

Key words： Internet of Things; smart classroom system; design