高校智慧教室物联网系统设计分析

德州职业技术学院 张 丹

智慧教室就是现代教室智慧功能，应用各种计算机先进的技术，配套硬软件设施，实现教室的现代智能化建设，对各种教学资源的线上获取，实现智慧教室建设的技术支持。利用物联网技术建立的高校智慧教室就是在日常教学中根据教学要求，对教学资源进行线上整合，访问线上教学资源，以满足智能化、现代化教学的需求。智慧教室中需要安装视频监控摄像头，对智慧教室的运行和使用情况进行远程监控，其中主要有教室环境信息、活动情况及课堂实录等。下面重点分析基于物联网技术的高校智慧教室系统功能、结构及设计问题。

1 系统结构设计

智慧教室在传统多媒体教室基础上，融合了物联网、云计算、大数据、移动通信等技术，根据智慧教室的功能实现需要，智慧教室架构应该包含感知层、网络层和应用层（详见图1）。

图1 智慧教室系统结构设计

1.1 感知层

这一层主要是对于教室内相关设备数据信息进行采集，感知层是智慧教室建设中必不可少的部分，主要结构有无线传感网络感知节点、硬件设备感知节点、智能设备电子标签感知节点、网络摄像头、多媒体设备转台、实施教室环境等数据采集部分，感知层和应用层以及网络层之间能够实现动态交互。

1.2 网络层

这一层是物联网智慧教室的核心部分，相当于系统的中枢神经，网络层实现教室数据信息的分析和传输，这一层建设需要借助校园网支撑，在相应智慧教室中进行智能网关的架构，同时，借助无线通信和组网技术将智慧教室的各类硬件设备连接起来，构成一个相通的网络体系。再通过智能网关或无线路由将感知层采集的数据信息等传输到具体位置进行处理，达到对教室内相关数据信息以及设备的互通和高效管控效果。

1.3 应用层

这一层的任务是对于感知层采集的数据信息等进行有效处理，呈现智慧教室的相关信息，搭建信息交互的平台。最后对于处理的数据进行应用，构建门禁考勤、设备管控、环境监测以及智能教学管理等系统模块。

2 智慧教室系统软硬件设计

在本文的高校智慧教室物联网系统设计中，不同终端设备可以借助无线数据传输网络、校园网、互联网等来进行数据交互。相应的数据交互网络也需要通过分布式网络架构设计来实现部署。基于相关模块的差异性，此次系统的硬件设计与软件设计详细分析如下：

2.1 硬件设计

基于物联网的智慧教室系统硬件设计中，要将数据采集终端和数据接收终端作为重点。传感器、MCU、AD芯片等部件构成数据采集端。接收端也是由多个异步串口连接，还连接了蜂鸣器、LCD、芯片等部件。而总线和无线传输模块相连接，其功能和终端接收设备对等，可以借助天线将信号传输到控制中心，再将受到的数据信息传输到主机位置。在系统硬件设计中，要注重有效控制系统架构，做好布线设计。

（1）烟雾报警硬件设计

烟雾报警是保证系统发生安全故障能第一时间报警的硬件，是系统安全使用的重要保障。如图2所示。

图2 烟雾报警硬件设计

采用低功耗设计，使用M51310低功耗芯片，其半导体的性价比非常高，能增加应急电池，即使停电也可以在无电源情况下持续工作。

（2）智慧座椅设计

教师是该系统考勤的重要负责人，通过座位压力感受对智慧教室使用情况进行考勤管理，结构设计详见图3。

图3 智慧座椅设计

智慧座椅首要考虑的是安全问题，电池选择方面应该拒绝使用直流供电。一般建议使用电池供电，但是需要保留充电口，可为后期无线充电提供方便。学生坐下时产生压力，通过统计对学生数量进行统计，掌握学生的上课人数，发现缺勤人数。

（3）门禁硬件设计

通过身份识别进行设计，学生利用学生卡，教师利用职工卡统一刷卡进入教室。门禁硬件设计采用860～960MHz卡对身份进行识别，其系统结构详见图4。

图4 门禁结构设计

将高频读写器安装在教室门口，进出教室门都需要刷卡，系统通过刷卡记录判断进出人员的身份。

2.2 软件设计

在智慧教室的系统软件设计中，包含了数据采集节点、协调器节点以及主控制器设计，这些都是智慧教室系统中的关键软件设计部分。在这一系统中，智慧教室系统中，处理器的作用很关键，为了实现智能智慧教室系统设计的自动化目标，选择使用低能耗、低成本和高性能的处理器进行处理，确保系统的网关作用能够有效发挥。通过串口接收无线网络的环境信息，做好解析和处理，再将相关信息保存后传输到GPRS模块，借助串口接收相关控制命令或其他信息数据。

总结：随着教育信息化、智能化的发展趋势不断深化，高校智慧教室建设迫在眉睫，是未来很长一段时间内高校信息化建设工作的重点内容之一，相关高校在构建智慧教室的过程中，要强化物联网技术应用，在智慧教室系统设计中，充分发挥物联网技术优势，促进系统功能优化。本文研究设计一种集视频监控和预警、远程控制、设备智能管理、无线通信等功能于一体的智慧教室物联网系统，系统能够更好的满足现代化教学发展需要。