基于物联网技术的智慧多媒体教室设计

王 琴， 郑 敏

(太原理工大学信息化管理与建设中心，山西太原 030024)

0 引言

随着信息技术的发展，各高校将多媒体教学建设作为教育信息化进程的重要环节，大力建设网络化的多媒体教室，进一步改善教学环境，普及多媒体教学，从而提高教学质量，促进教育改革和发展，然而，目前国内许多高校都有多个相距较远的分校区，学校的多媒体教室就分布在各校区的不同的教学点，且教学设备型号各异，操作繁琐，对教师要求高，课堂设备故障率高，管理人员工作强度大，技术人员无法直接快速了解故障情况，使得课堂多媒体教学设备故障得不到及时处理，严重影响学校的现代化教学质量。如何集中管理好多个校区的多媒体教室成为了摆在现代教育工作者面前一个急待解决的难题。

近年来，随着物联网技术飞速的发展，为其在智能领域的应用打开了广阔的前景，物联网较早应用于智慧交通、智慧物流等领域［1］，并起到了良好的示范作用。物联网技术的日渐成熟，为现代化教育系统带来了新的机遇和挑战，物联网技术为高校分校区的多媒体教室信息化管理带来了全新的技术手段和管理方法［2］，为了达到更优化的教学环境和效果，使学校的现代化教学管理水平更上一个台阶，我们研究物联网关键技术，设计智慧多媒体教室，以实现多个校区的多媒体教室的智能化控制、远程管理、远程维护以及安全防护，从而进一步提升学校多媒体教学的信息化、自动化、互动化水平。

1 物联网

“物联网”被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮，物联网在欧美被称为“The InternetofThings” (IOT)，强 调 “any things connection”［3］，物联网通过传感器、射频识别、全球定位等信息设备，按照约定的协议，把任何物体与互联网连接起来，进行被测物的声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种信息的交换和通信，以实现被测物的智能化感知、识别、定位、跟踪、监控、交互和管理的一种网络，它是在互联网基础上延伸和扩展的网络［4］。

1.1 物联网技术

物联网的关键技术涵盖了从信息获取、信息传输、信息存储、信息处理直至应用的全过程。其信息的获取是通过RFID射频识别和传感器等技术，随时随地采集物体的识别信息和感知信息;信息的传输是通过通信网络，随时随地对接入网络的物体进行信息发送、传输和接收;信息的处理是利用各种智能计算技术，对海量的感知数据和信息进行分析并处理，从而实现联网物体的远程智能化控制和管理。

1.2 物联网的组成

典型的物联网系统由RFID系统、中间件Savant系统和Internet系统［5］三大部分组成。

RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别，是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象，可快速地进行物品追踪和数据交换。RFID系统主要由标签(Tag)、阅读器(Reader)、天线(Antenna)组成。

Savant是处在解读器和Internet之间的中间件。Savant是具有数据捕获、监控、传送功能的数据挖掘工具，Savant系统需要完成的主要任务是数据校对、解读器协调、数据传送、数据存储和任务管理。

1.3 物联网的架构

物联网网络体系结构可以简单地划分为感知层、网络层和应用层三个层［6］，如图1所示。

图1 物联网结构

感知层位于物联网架构的最下层，是物联网信息的源头。其利用多种传感器、传感网络、RFID、GPS、摄像头、无线电通信以及智能嵌入设备等来全面立体感知现实世界中的各种信息，物体不仅自己有感知，同时在局部空间里面还具有互动性。

网络层就是把Wi-Fi无线网络、全球WiMAX微波网络、蜂窝移动网络等各种网络接入互联网，完成信息的存储、信息的融合和信息的远距离传输等功能。

应用层主要完成数据的挖掘和应用的决策，即服务的发现和服务呈现的工作。

2 智慧多媒体教室设计

多媒体教学系统包含了全部电化教学、计算机辅助教学和演示手段，是目前最受欢迎、最便于使用、效果最理想的教学演示系统。它将多媒体计算机、视频实物展台、投影机等先进的视听设备以及其他可遥控设备有机地连接，构成现代化视听教学环境。

2.1 教学设备组成

多媒体教室教学设备由多媒体计算机、投影仪、视频展示台、中央控制系统、投影屏幕、音响设备及环境设备等多种现代教学设备组成，如图2所示。

图2 多媒体教学设备组成

多媒体教室的中央控制器采用内置网络管理模块，教室加装传感器和摄像头，通过网络对每间多媒体教室的控制设备和受控设备进行远程监视、控制、管理和基本维护，使多媒体教室得到高效使用和管理。

2.2 基本架构

随着物联网的发展，传感器技术已开始得到广泛关注和应用，通过它构成的无线传感器网络(Wireless Sensor Network)，可连接物理世界和数字世界［7］。智慧多媒体教室采用体积小、能量消耗低、价格低廉的无线传感器技术、RFID射频技术、GPS技术、摄像头和无线电通信技术加以设计，其物联网的基本架构主要分为感知层、接入网络层和应用层，如图3所示。

2.2.1 感知层设计

图3 智慧多媒体教室基本架构

多媒体教室的感知层设计，①在各校区的每间多媒体教室机柜中安装RFID系统，使用者通过射频IC卡确认身份后，方可使用教室中的多媒体教学设备;②在每间多媒体教室中安装教师和学生摄像头，实时采集多媒体教学过程中设备运行状态的视频图像，管理人员通过远程视频图像对所观察到的问题进行快速处理;③在可控教学设备中安装相应的检测传感器，为远程控制多媒体机柜、计算机、投影仪、电动幕布、功率放大器、电动窗帘、教室前排灯光以及音响等教学设备提供感知信息。④对贵重设备投影仪安装GPS定位及无线防盗报警系统。

利用RFID、摄像头和传感器所构筑的智慧多媒体教室感知层，通过IC卡进行身份认证，通过摄像头随时监视教学情况，通过传感器可自动监测每个教室的设备状态以及各种技术指标和参数，从而实现多媒体教学过程的全方位“实时感知、动态控制和智慧处理［8］”，进一步提高教学设备的智慧运行维护水平。

2.2.2 网络层设计

多媒体教室的网络层设计，为了将获取的感知信息无障碍、安全、可靠进行传输，在网络层的设计中，首先要考虑选择适合的通信协议和信息融合技术。

目前的全球因特网所采用的协议族是TCP/IP协议族。IP是TCP/IP协议族中网络层的协议，是TCP/IP协议族的核心协议。网络应用所采用的协议大多是IPv4协议，然而2011年2月3日，国际互联网协会ICANN官方宣布:全球最后一批IPv4地址分配完毕。这标志着，第一代互联网地址的“池子”已经全空了［9］，目前IPv4地址消耗严重，很容易导致网络资源耗尽而瘫痪，无法满足物联网对大量地址的需要，而IPv6是基于IPv4的优化更新，在校园网络建设中可发挥优质服务效能，并可实现基于网络的优质计算、高效能点对点通信联系、互联应用、无线传输［10］，IPv6具有丰富的地址空间，可实现真正的端到端的互联互通，安全性高。如果说IPv4实现的只是人机对话，而IPv6则扩展到任意事物之间的对话，它不仅可以为人类服务，还将服务于众多硬件设备，它将是无时不在，无处不在的真正的宽带网。我校无线校园网已接入中国下一代互联网(CNGI-CERNET2)，用户只需添加IPv6协议(Win7及Vista系统已自带)即可访问丰富的IPv6资源，开展有关研究和体验。下一代互联网(CNGICERNET2)无线校园网的建成可以很好的支持智慧多媒体教室的建设。

通信网是一种由通信端点、节点和传输链路相互有机地连接起来，以实现在两个或更多的规定通信端点之间提供连接或非连接传输的通信体系。利用现有的通信网将学校多媒体教室总控制室的电话座机、各校区的多媒体教室管理技术人员的移动电话和总控制室的监控计算机相互有机地连接起来，管理技术人员可实时了解课堂多媒体教学设备运行情况，从而实现多媒体教室设备故障的及时排除。将通信网络与无线校园网进行融合，可实现多媒体教室教学设备信息实时准确地传输与交互［11］。

2.2.3 应用层设计

由于多校区多媒体教学系统具有设备多、连接复杂、技术性强、系统利用率高等特点，应用层的设计采用云计算技术进行架构，由于云计算所提供的计算、存储、平台和服务等各种资源均采用虚拟化技术，且支持用户共享软硬件资源，云计算可将传统的分散在广阔地域的计算资源整合为一个虚拟的、可统一调度、按需使用的计算资源［12］，因而采用云计算技术构建云服务的多校区多媒体教室，建成资源节约型［13］的多媒体教学环境，达到教学环境最优化。

云计算具有超大规模、高扩展性、虚拟化、高可靠性、通用性、廉价等特点［14］，应用层采用云计算、模式识别等各种智能计算技术来完成多媒体教室的管理和数据的采集、数据的处理、数据的存储、数据的共享以及信息的智能交互，并通过总控制室显示屏显示多媒体教室各种测量参数、实时数据、故障报警、图形和报表等信息，实时远程监测与控制多媒体教室终端教学设备的运行工作状况，精确表述多媒体教室教学设备故障原因，实现远程实时处理故障，远程协助教师完成多媒体教学设备的操作。

3 结语

物联网是目前在国际上备受关注的前沿热点研究领域，已经引起了学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一［15］，基于物联网技术的智慧多媒体教室的设计，将多校区的多媒体教室全面接入传感网络，使得多校区多媒体教室获得了全面感知，可有效提高多媒体教室的管理和维护效率，以及处理教学故障的灵活性和响应速度。

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