高校智慧教室物联网系统设计与实现

周恩浩

摘 要： 为了充分发挥物联网的技术优势，全面提升高校教室信息化水平，设计一种针对高校教室科学管理的专业信息系统。将现代互联网技术与传统的高校教室管理模式进行有机结合，构建智能化课堂管理系统，即智慧教室物联网系统。分析高校智慧教室系统的可行性和系统功能需求，提出高校智慧教室物联网系统设计方案，并对系统的架构、网络架构计、功能模块等进行了详细的设计，构建全新的信息化管理模式和基于现代物联网技术的信息化管理平台。

关键词： 高等院校； 智慧教室； 教室管理； 物联网； 系统架构设计； 网络架构设计

中图分类号： TN915?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）02?0030?04

Abstract： In order to give full play to the technology advantage of Internet of Things （IoT） and improve the information level for university classroom， a specialized information system for scientific management of university classrooms is designed. The modern Internet technology is organically combined with the traditional university classroom management mode to build the intelligent classroom management system， namely IoT intelligent classroom system. The feasibility and functional demand of the intelligent university classroom system are analyzed. The design scheme of IoT system for intelligent university classroom is proposed. The system architecture， network architecture and function module are designed in detail to construct the new information management mode and the information management platform based on modern IoT technology.

Keywords： college and university； intelligent classroom； classroom management； IoT； system architecture design； network architecture design

在物联网等新兴技术创新发展的带动下，高校教室管理也逐渐呈现出信息化、系统化发展趋势，高校教室信息化管理水平将直接影响和决定高校教育资源的利用水平，是高校教育多样性、丰富性的重要基础。智慧教室泛指一种全新的、增强型的教室模式，具体以高科技软件與软件技术的应用为基础，打造智能化课堂管理系统。为了充分发挥物联网的技术优势，全面提升高校教室信息化水平，必须将现代互联网技术与传统的高校教室管理模式进行有机结合，从而发挥二者融合优势，构建全新的、信息化管理模式，创造一种基于现代物联网技术的信息化管理平台，从而全面提升教室管理效率水平，真正发挥教室资源的综合价值，为高校师生信息化应用水平的提升创建良好的实践环境。

1 高校智慧教室系统功能需求分析

智慧教室的核心要素集中体现为对现有教学内容的科学优化以及对课堂教学资源的综合利用以及良好教学关系的创建与维护。在进行智慧教室设计开发时，要重点突出如下三项基本需求：

1.1 物联网软件应用需求特征涉及内容

高校教室的智能化建设主要包括环境智能感知、智能采光控制、智能门禁、智能通风调节、室内环境实时监测、管理系统兼容平台等。

1.2 物联网硬件需求特征

1） 环境信息采集与传输终端。主要硬件设置包括摄像头、数据存储硬盘、空气组分监测分析、光照强度监测分析、环境温度与湿度监测。

2） 门窗、教学辅助工具等的自动控制功能。

3） 物联网系统的集成控制系统。

4） 与其他软件应用的兼容控制平台。

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具体可以从以下几个环节入手，完成智慧教室系统与高校已有信息化管理应用的融合与兼容，从而构建功能完善的综合管理系统：物联网传感器硬件系统的设计与部署应当与现有信息系统的功能需求综合考虑，为数据信息的共享和互动创造良好环境，进而提高信息资源的利用率与系统的全面性。从高校现有的硬件与软件建设状况出发，在尽量不影响现有设备、系统运行使用情况的前提下，重点把握以下内容：现有电力线路的走线与布局；现有门窗的规划与建设；通风系统的电气状况、摄像终端与投影、显示终端的建设情况。

基于上述硬件建设情况的统计分析，结合物联网技术应用的建设要求，合理利用现有设备资源，并积极构建智能化的物联网信息管理系统。在上述工作的基础上，明确高校智慧教室管理系统的核心功能及其架构，如表1所示。

基于物联网技术应用，上述各类功能的具体表现以及相应的技术要求如下：

1） 环境感知分析功能。能够实现对室内环境参数的实时采集、存储与传输。室内环境采集分析的主要内容包括温湿度、CO2浓度、光照水平、辐射情况等。endprint

2） 室内采光控制系统。能够智能采集识别环境光照情况，并智能控制教室灯光以及门窗的开启情况，从而实现最佳室内光照。

3） 通风透气系统的智能控制。主要对空调、风扇等系统进行智能控制，根据教室使用情况以及空气质量状况智能调节通风系统，从而确保最佳空气指数。

4） 显示终端的智能监控。显示屏是智慧教室建设应用的关键环节，是教学现代化的重要体现。在进行智慧教室建设中，要充分发挥物联网技术优势，结合课堂教学需要，针对不同的使用环境设计不同的显示模式，从而最大限度地保障教学需求并提升教学效果。

2 高校智慧教室物联网系统设计

2.1 系统架构设计

该系统设计以数据分层、分布式功能理念为基础，构建功能多样的信息化管理系统，为高校智慧教室的建设与运行创造物联网信息系统，从而实现已有硬件与软件功能的联动与融合，并充分保证系统的升级可能，预留充足的功能接口满足系统今后的发展要求。本系统的具体构造如图1所示。

由上到下，本智能管理系统的框架结构可细分为四个不同的层次，具体内容如下所述：

1） 终端层。终端层面向具体服务，针对用户决策需求提供相应的支持服务，并满足用户决策的数据与交互需求。在终端层的功能支持下，教室所拥有的各类多媒体工具以及传感器设备将全面连通，并在管理系统的控制下实现智能化运行，从而构建其高效、便捷的智慧教室体系，创造一种全新的课堂教学模式。

2） 室内监控层。室内监控层面向应用，其主要功能是为物联网技术系统的稳定运行提供必要的室内监控支持，具体实现对灯光、门窗、设备的智能检测与控制，从而确保最佳的教室环境，营造良好的教学环境，有效提升课堂教学质量效果。

3） 中间层。中间层面向数据，其主要功能是为系统的正常运行提供必要的数据支持，包括数据存储、数据分析、数据传输等数据管理服务，是系统运行的数据基础。

4） 硬件层。硬件层面向物理前端，其主要功能是满足智慧教室管理的具体要求，实现各类设备之间的有机整合，从而构建起完整的系统硬件体系，充分满足管理系统运行的硬件需求。

2.2 系统网络架构设计

在智慧教室管理系统中，物联网应用的正常运行需要可靠的数据服务为支撑。数据服务器负责对采集到的数据信息进行存储，并根据运行需要实现数据的具体使用。在控制系统中，允许管理者根据使用需要对数据采集、存储规则进行设置，并为各类终端设备的智能控制提供数据支持。

在本智慧教室管理系统中，不同的终端可以通过无线数据传输网络、校园网、互联网等实现数据交互。数据交互网络通过分布式方案进行部署，整体架构详见图2。根据各个功能模块的具体功能的不同，本管理系统由数据采集、数据传输、数据处理、远程控制等功能模块构成。

在网络架构环节，经过综合分析应用需求与设计规划，本智能管理系统的网络架构采用三层网络结构形式，网络的具体类型包含以下三类：

1） 无线数据节点，主要为各类传感器的数据采集与传输通道。监测对象以温湿度、光照强度、CO2浓度等为主。

2） 无线数据传输网络。

3） 数据路由器。主要功能是为各个传感器的数据传统提供一个统一的数据接口，实现传感器采集到的数据能够集中传输给数据中心，由数据中心统一负责分析和处理。

2.3 系统功能模块设计

1） 教学模块。本功能模块的基本内容为触控投影机、音箱、麦克风、问答器等教学用设备。通过各类现代技术设备的使用来取代传统的黑板教学模式，从而降低粉尘污染，避免师生健康受损，同时能够帮助教师摆脱黑板的限制和制约，能够根据需要在不同的区域进行教学，提高了师生交互性，从而有利于提高课堂教学的互动效果。

2） LED显示模块。本功能模块由数量不等的LED面板构成。根据教学需要选择特定的构成方式并作为显示屏安放于原黑板上部区域，其主要功能是对课程名称、班级、教师、室内环境参数等信息的滚动式显示。

3） 室内环境智能感知模块。本功能模块是智慧教室管理系统的核心功能，能够根据传感器采集到的数据信息对各类设备进行智能化控制，从而始终保持最佳的室内环境状况。本模块的基础构件为各类传感器、数据传输通道以及数据传输技术，能够为智能系统的正常运行提供必要的数据支持。

4） 空调或换气扇智能开启与调节。良好的室内空气质量是课堂教学质量的重要保证。因此，为了保持最佳课堂空气质量，一般教室都配备了相应的通风透气系统。空调、风扇、换气扇等设备是通风系统的基础构成，同时是智能化控制系统的主要控制对象。

对于通风透气系统的智能控制需要根据空气参数信息进行调节，主要参数为CO浓度、CO2浓度以及其他气体组分浓度。系统通过对空气传感器所采集到的实时室内数据的分析，对通风系统的运行状态进行调节，从而确保最佳的室内空气质量。

5） 教室环境监控评价质量和系统工作状态显示。本模块的主要功能是将教室环境参数实时反馈显示在用户终端，从而为用户提供室内环境的实时参数，便于用户对室内环境质量的整体了解。各类数据信息具体显示在安装于教室的显示屏中，其主要内容包括课程、班级、教师、设备运行状态等。

此外，本功能模块还能够为用户终端的管理控制提供数据支持，并为各类控制终端的安装部署提供数据接口，有效满足了系统的升级与扩展需求。

3 高校智慧教室物联网系统实现

具体以华南农业大学规划容量为100人的教室为对象，开发设计的管理系统具备如下功能作用：

1） 室内环境智能感知。能够实时采集室内环境参数信息，并将各类参数信息以动态数据的形式顯示于各类显示终端上便于用户的查看和了解。此外，传感器采集到的数据信息需安全存储，从而为查询、分析提供有效支持。在具体使用过程中，用户可以根据使用需要对智能控制的各项环境参数进行修改和调节，从而可以满足不同使用环境下的智慧教室各项设备的自动控制，始终保持良好的环境质量。在室内环境监测感知模块，主要借助DS18B20芯片完成室内温度的实时监测与传输。endprint

2） 室内灯光设备智能控制。光照强度将直接影响学生在课堂中的学习效果。在光照强度采集模块中，具体通过光敏电阻完成光照强度的采集与分析工作，并将获取到的光照强度信息进行传输和分析，根据分析结果控制灯光，从而保证最佳光照效果。

光照传感器采集到的实时数据将由系统进行分析，通过对比分析预设值对灯光的强度进行调节，从而有效保证了室内光照的合理性与舒适度，也为课堂教学创造了良好的环境，从而有利于教学效果的提升。

3） 室内门窗设备智能控制。根据对室内环境的监测结果，由系统自动完成门窗的开启与关闭。在门窗开关状态的自动控制环节，具体可以根据预设的时间参数以及教室内是否有学生的监测结果进行智能控制。

4） 室内空调或换气扇智能控制。通风系统主要由空调、换气扇等设备构成。根据传感器采集到的气体组分浓度结果，由系统对通风系统的运行状况进行自动调节，从而保持良好的空气质量。

5） 多媒体教学设备智能控制。根据教学需要，由系统对教室内各类教学设备的运行状况进行调节，从而满足各项教学工作的具体需要，充分发挥现代化教学设备的功能作用。

6） 软硬件集成平台。针对不同用户实行权限管理，不同用户的系统操作权限不同。

7） 借助摄像头采集到的实时图像完成学生人数统计分析工作，从而对出勤率进行统计分析。

4 结 语

本文研究具体以物联网技术为基础，开发设计一种针对高校教室科学管理的专业信息系统，实现物联网技术应用同传统教学资源的有机整合，为广大师生创造最佳课堂教学环境，从而营造良好的教学氛围，为教学效果的提升做出显著贡献。基于物联网技术的智慧教室管理系统，能够显著提升高校课堂教学的科学性、现代化与信息化水平。

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