基于NB-IoT的课堂管理系统设计

陈林奎，徐 鹤

(南京邮电大学 计算机学院，江苏 南京 210023)

0 引 言

随着社会科技的发展和进步，在信息化教学的进程中，对于课堂的建设要求逐步提升，尤其是针对于课堂的实时监控具有很高的需求。由于教室分布在不同的教学楼中并且数量较大，且教学资源的监控管理以及学生的管理比较难以实现实时监测的问题，因此设计一套远程实时监控系统方案来对课堂进行监测管理和配置，从而提高课堂管理效率以及促进现代课堂的发展。

物联网的发展使得传统课堂的管理效率大大增加[1]，传统课堂上教师对学生进行考勤，教师必须叫学生姓名或要求在考勤表上签名，这个过程将花费大量的时间。为了简化教室管理、出勤跟踪和课堂互动，利用室内定位、RFID(radio frequency identification)传感器、压力传感器、Arduino微控制器和云端系统搭建了学生考勤监控系统及教室系统[2]。课堂管理系统不用使用过多的传感器就可以自动检查桌子是否被占用，学生的校园卡信息可以被RFID传感器自动识别，可以从校园卡上读取RFID标签。此外，可以收集时间戳来分析学生迟到或提前离开的信息。

课堂管理系统基于物联网技术而设计[3]，具有以下特点：首先，窄带物联网(narrow band internet of things，NB-IoT)技术具有成本低、大连接、覆盖广的特点[4]，可以为每间教室的每个座位安装采集模块实现快速部署；其次，传统课堂上教师对学生的考勤往往花费大量的时间，采用基于NB-IoT技术的采集模块，可以迅速完成课堂考勤任务；最后由于采用该系统可以对教室及图书馆的座位资源进行管理，可以实时查看资源的占用情况。该系统可以根据管理人员设定的报警阈值对采集到的异常信息进行报警，当上课缺勤人数、座位资源或者设备异常数据达到一定的阈值时，系统会及时通知管理者进行处理。

1 系统总体设计

基于NB-IoT通信技术的课堂管理系统主要由两大部分组成：教室监测终端、监控系统。在教室中通过信息采集模块将采集到的数据通过NB-IoT通信模块发送至监控系统，系统对数据进行分析，供管理者查看。系统主要从两个方面进行设计：首先是监控终端的设计，主要采用Arduino开发板控制电子器件采集外部信号来实时监测教室信息；其次是监控系统的设计，该系统主要是对监控终端上传的数据进行处理，处理的结果以文字或图形的方式展示给管理者。

课堂管理系统结构设计遵循物联网体系结构的三层模型[5]，具体设计如图1所示。

图1 系统结构设计

最底层的感知层负责感知外界的信息，例如各种传感器对外界信息的采集；中间的网络层负责信息的传递；最顶层的应用层将传递过来的信息进行处理。

NB-IoT技术在信号覆盖以及数据传输上具有极大的优势，目前智慧家庭、车联网、公用事业是运营商物联网最佳行业切入点[6]，运营商需要更具竞争优势的技术实现物联网技术升级，而NB-IoT对比LoRa和Sigfox等通信技术有着很大的优势，其带宽消耗非常小，大约只有180 kHz的带宽[7]，可以在GSM网络、UMTS网络或LTE网络上直接部署[8]。NB-IoT具有高覆盖、高容量、低功耗、低成本、更高的安全性和可靠性等技术优势，具体描述如下：

(1)高覆盖：NB-IoT有着极强的覆盖能力，相比于LTE而言，其提升了20 dB的增益，覆盖区域的能力提高了大约100倍[9]。

(2)高容量：在只使用到同一个基站的情况下，NB-IoT能够接入的终端数量较现在的无线技术而言呈指数性增长。其中每一个扇区都支持海量连接，终端的连接数量大约支持十万个。

(3)低功耗：根据理论计算NB-IoT，如果采用5 Wh的电池可以供终端使用10年。

(4)低成本：相较于LoRa而言[10]，NB-IoT终端工作信道带宽较小，大约只有200 kHz，峰值速率要求降至100 kbps，相较于Rel-8时的Cat-4，成本可以降低85%。

根据以上NB-IoT的特点来看，其主要应用在高覆盖、低功耗、低成本的场景之中。同时由于该技术对移动支持性较差，一般用于静态场景中，如烟雾报警器、智能电表[11]、网络命令的收发、软件更新等。目前NB-IoT技术在积极的推进商用，万物互联的时代将在不久后到来。

RFID是一种通信技术，通过无线信号就可以完成对特定目标的识别并对相关数据进行读写操作[12]。该模块主要对学生校园卡信息进行采集，采用MF RC522射频识别模块对校园卡进行读取，然后将该模块对接到Arduino开发板上完成该模块的设计工作。RC522模块与Arduino开发板采用同步串行的方式进行通信。其中Arduino开发板与RC522模块分别工作在主模式下以及从模式下。

2 监测终端的硬件设计

用监测终端来实施监控节点设计实际上就是将课堂智能化、物联网化，也就是将采集终端采集到的数据通过通信网络传送到监控平台，可以让观测者实时准确地了解到课堂的情况，给课堂的管理带来便利。监测终端的设计如图2所示。

2.1 采集模块

采集模块包含RFID模块以及定位模块，其中RFID模块选用MF RC522芯片，该芯片体积小，在Arduino开发板上可以很方便地进行扩展使用。学生的校园卡信息可以被该芯片快速读取，只需要读取校园卡的卡号即可对学生的身份进行识别。相比其他数据采集模块，该采集芯片稳定性高、读取距离远、成本低、排线简单[13]。

情境是教师展开教学活动的外部环境，有什么样的教学情境就有什么样的教学课堂。因此，要想构建一个生态化的小学数学课堂，就要还原数学知识产生或应用的生态情境，让学生们在特定的情境中，充分调动自身的情感和经验，完成知识学习目标。

图2 监测终端的设计

定位模块选用NEO-M8N定位模块，该模块尺寸较小，定位精度高，能够接收高精度的北斗卫星信号[14]。芯片的工作电压范围与该监测系统的供电电压相符，满足文中硬件的设计需求。

2.2 主控模块

在整个监控终端中主控模块处于核心位置，首先是对采集模块控制，发送采集命令到采集模块进行数据采集。其次是将采集模块采集到的数据按照规定好的通信协议进行编码，最后控制NB-IoT通信模块，将编码好的数据发送至服务器，服务器对数据实时解析来实现监控终端的实时监测。

2.3 通信模块

通信模块采用移远BC95模块，主要功能是负责监控终端和监控平台之间的数据联络，其不但要将主控模块编码好的数据发送到服务器上，而且负责将监控平台下发的指令发送到主控模块中，通过通信模块的数据传输功能就可以远程实现对终端的控制。

2.4 电源模块

电源模块提供了5 V直流电压为监测终端提供电力，保障了监测终端的平稳运行，通常采用蓄电池来储存电量。

3 监控平台的设计

3.1 服务端设计

系统的监控平台服务端基于B/S结构进行设计，在Win10系统下利用IDE工具Eclipse开发B/S架构Web系统，前端页面利用Vue.js编写，服务器后端则采用Node.js技术编写，系统的数据库用的是MySQL，该数据库性能优异，适合系统的设计需求。通过在JSP页面中加载数据库驱动，连接数据库，在JSP页面中调用数据文件，实时监控采集系统的动态信息，可以迅速直观地显示当前教室的学生上课情况，管理人员可以根据不同的课堂情况采取相应的措施。监控平台不需要人员长时间值守，当监测到教室出勤等异常情况，平台会通过网络发送信息给管理人员，以达到设备和人力资源最优化，方便工作人员对终端设备进行配置修改。监控平台下发命令对终端采集系统进行配置，可以针对不同的教室环境状况设置相适应的消息推送阈值。

监控平台接收到采集设备上传的数据后对该数据按照约定的协议格式进行提取操作，首先是提取设备的位置数据，调用地图模块来对设备进行定位。随后对采集设备标志位进行提取操作，标志位主要分为两种状态：标志位为0的状态，则表明监控终端当前工作正常，设备各模块都按照设定正常运行，监控平台将该数据存储至数据库中然后调用数据分析模块对数据进行处理；标志位不为0的状态，该状态表明采集设备出现异常情况，平台会将该异常信息及时通知管理人员，从而提醒管理人员对异常进行相应的处理。

监控平台不仅可以对上传的数据进行分析处理，还可以调用百度地图对设备上传的位置在地图上进行标注，出现异常警告的设备还会被标注成蓝色，管理者可以直观地观察设备的分布情况以及运行状态。拥有相应管理权限的管理人员还能够对监测设备进行参数设定，如监测设备的采集范围、数据采集周期等指令，配置完成后监控平台将下发休眠指令，主控模块接收到指令后会控制目标终端进入休眠状态，待终端更新完配置后会自动与监控平台进行通信。

3.2 移动端设计

当前Android平台为用户提供了良好的开发操作界面，并已经在物联网领域得到广泛应用[15]。该文实现的移动端是基于Android平台开发的，其中layout布局模块为该APP界面设计所有的.xml布局文件，Android中的布局方式通常使用线性布局(Linear Layout)、相对布局(Relative Layout)、帧布局(Frame Layout)和表格布局(Table Layout)四种。在layout布局模块中，通过Linear Layout与Relative Layout两种布局方式相结合，主要使用Text View文本控件来设计该课堂监测系统APP。图4为移动端数据页面。

图4 移动端数据页面

4 系统测试

搭建测试平台对课堂管理系统进行测试。在检查好物联网专用的SIM卡安装正常并确定天线连接正常后，将准备好的5台监测设备分别放在不同的位置上。假设当前总座位数为5，并随机用校园卡进行测试；监控平台选择在阿里云上搭建，并安装了MySQL数据库；通过本地电脑接入互联网即可远程连接阿里云并对系统进行测试。图5为监测设备RFID硬件实物图。

图5 硬件实物图

在测试过程中，监测终端通过采集模块不断地对外界数据进行采集并上传至监控平台。监控平台接收到数据后对数据进行分析，并将分析结果展示在页面上。图6为课堂管理系统中考勤统计页面。

图6 管理系统页面

通过系统对监测终端上传数据的分析后，从图6可以看出最终的名单统计数据，各项数据均正常。如果存在数据异常，管理员还可以通过修改功能对数据进行修正。

采用考勤功能后，系统会自动按照设定好的采集参数进行数据采集，表1为考勤测试数据。经过多次的测试，系统会计算课堂的利用率，根据利用的座位数占总座位数的比重来计算。为了便于测试，其利用率每分钟会计算一次，表2为课堂利用率数据。

表1 考勤测试数据

表2 课堂利用率测试数据

从表1及表2的数据可以得出，监测终端采集的数据虽然是实时的，但是经过系统的设置处理，使得在规定时间内只会有一组有效的数据，这让课堂管理更加高效。在课堂利用率方面，通过系统的处理分析，管理者能够清楚地看到课堂座位资源的使用情况，合理安排课堂人数。

5 结束语

基于NB-IoT的课堂管理系统能够有效地提高课堂管理效率。该监测终端成本低、尺寸小、能耗低、上传数据稳定适合在课堂中大量部署。监控平台能够对上传数据进行分析展示，便于管理者对课堂的管理，对于异常的数据还能够及时推送给管理者，这是物联网技术与现代课堂结合的优势。