基于物联网技术的高校智慧教室系统设计

摘要：传统高校课堂教学存在管理困难、课堂互动方式单一、学生课堂行为难以量化等诸多问题。为解决上述问题，各大高校采用物联网技术设计出辅助高校课堂教学的智能化、规范化、标准化智慧教室系统。文章以某学院的智慧教室系统建设为例，主要从智慧教室功能需求设计、智慧教室分层架构设计、智慧教室核心模块实现等方面阐述基于物联网技术的高校智慧教室系统设计，为学院其他专业智慧教室建设提供借鉴，可进一步推广智慧校园建设。

关键词：物联网技术；智慧教室；系统设计

中图法分类号：TP391文献标识码：A

Design of smart classroom system in colleges and universities based onInternet of things technology

WU Chengli

（Beijing Taiji Information System Technology Co.，Ltd.， Beijing 100102，China）

Abstract：There are many problems in traditional college classroom teaching， such as managementdifficulties，single classroom interaction methods，and difficulty in quantifying students' classroombehaviors.In order to solve the above problems， major colleges and universities have used the Internetof Things technology to design an intelligent，standardized and standardized smart classroom systemto assist classroom teaching in colleges and universities.Taking the construction of a smart classroomsystem in a certain college as an example， the article mainly elaborates the smart classroom systemdesign in colleges and universities based on the Internet of Things technology from the aspects ofsmart classroom functional requirements design， smart classroom layered architecture design，andsmart classroom core module implementation， so as to provide reference for the construction of smartclassrooms，which can be further promoted to the construction of smart campuses.

Key words： Internet of things technology， smart classroom， system design

1 引言

智慧教室作為教育智能化发展的必然产物，在物联网等新技术持续创新和发展的背景下，高校教室管理逐渐呈现出信息化和系统化的发展趋势[1]。智慧教室通常是指基于新的教学工具（尤其是高科技软件、软件技术的应用）创建智慧的教室管理系统。为了充分利用物联网的技术优势，全面提高高校教室的信息化水平，可以将最新的互联网技术与传统的高校教室管理模型有机地结合在一起，即开发基于物联网技术的智慧教室信息管理系统，以全面提高教室管理效率，真正体现教室的综合价值，创建更好的教学环境。作为信息技术与教育教学相融合的典型代表，高校智慧教室建设近年来迅速发展，旨在从营造教学环境、变革教学理念、创新评价方式等维度，重构人才培养体系，助力教学改革。

2 高校智慧教室的建设现状

智慧教室是智慧校园的重要组成部分，智慧校园的相关标准也给智慧教室的建设提供了很多参考[2]。很多国家都推行了本国的智慧校园建设标准，其中英国、印度、马来西亚等国家的相关研究成果颇丰，如马来西亚教育部“智慧学校计划”中出台的《马来西亚智慧学校资格标准》和英国的《BECTA 智慧学校自查框架》都是较为成熟的智慧校园建设标准。我国也于2018年出台了智慧校园建设的相关标准，其中《智慧校园总体框架》（ GB/T36342?2018）从管理、教学、培训、建设等多个角度，较为全面地规范了智慧校园的建设标准，也为智慧教室建设提供了参考。

国外早期对于智慧教室的建设标准大多从设备配备即硬件环境入手，Rescigno 于1980年建立了最早的智慧教室模型，他在传统教室的基础上，嵌入个人计算机、交互式光盘视频节目、闭路电视、VHS 程序、本地区域网络和电话调制解调器，这也是早期智慧教室建设参考的一个主要标准。2010年，美国制订了《洛杉矶社区学院学区视音频智慧教室信息技术标准》 （ LACCD  AV  Smart  Classroom  Information Technology Standards），对智慧教室的建设标准进行细化，是最早由公立单位制定的智慧教室建设标准。在有了明确的智慧教室建立标准后，各国也涌现出一批较为成功的案例，如苹果公司的明日教室、麦吉尔大学的智能教室以及斯坦福大学的 IROOM 等优质智慧教室。

2021年，北京市高等教育学会参照《智慧校园总体框架》（ GB/T 36342?2018）、《多媒体教学环境设计要求》（ GB/T 36447?2018）、《学校课桌椅功能尺寸及技术要求》（ B/T 3976?2014）等规范性文件，制定了高等学校智慧教室建设的总体框架的团体标准—《高等学校智慧教室建设技术要求》（ T/BAHE?202001）。该标准提出智慧教室的建设应秉承“统筹、集约、绿色、发展、开放、共享、安全”的原则，根据实际情况按需建设，对于高等院校智慧教室的总体框架应包括：基础设施、数据服务、支撑平台、业务应用、应用终端、技术规范与保障体系、网络和信息安全体系。

3 高校智慧教室典型技术框架结构

3.1 智慧教室集控服务平台

智慧教室集控服务平台主要负责对所有的智慧教室以及内部的各种硬件和软件设施进行控制和管理，并提供不同的管理服务。该服务平台主要是校园教务处或者是教学指挥中心，负责储存全校智慧教室的设施设备，在这些设施运行的过程中，服务平台也会实时进入运行状态，收集各项参数以及不同的教学资源，这些信息同样会服务于高校智慧教室的发展。智慧教室疾控服务平台处于校园各种智慧技术后台管理的中心地位，控制着所有的智能化技术，因此它需要大量不同类型的设备和系统来保障平台的运行。

3.2 智慧教室中控主机

智慧教室中控主机，也称之为智慧管理中心或智慧教室管理中心，区别于传统多媒体教室的中控主机，它具有更强的融合性，对多种多媒体设备进行联合控制，在管理和控制上的功能更加优化，不仅能够统一控制所有的智慧教室设备，还能够独立控制智慧教室的中控台。同时，它也是智慧教室服务平台的一部分，保证各个教室的客户端设备能够在平台的支持下，做好核心主机的控制与管理工作。但是，国内智慧教室的中控主机没有统一的标准，大部分情况下都是厂商自主研发，以基本的 OPS 为主键核心，这同样是高校智慧教室常见的中控主机。

3.3 智慧教室操控面板

类似于传统多媒体的中控面板，智慧教室操控面板主要是通过单口的方式与智慧教室的主机进行连接。在机械的基础操作下，智慧教室操控面板在材料选择方面还增加了液晶平板模式，除了传统的多媒体设备控制类型的面板，还融合了根据不同环境进行控制的面板，能够进一步发挥智慧教室控制面板的优势。其中，对于平板的控制面板所用到的软件，不仅能够实现点线面结合，还能在控制面板功能鍵上设置更加完善的系统，实现控制面板的开关、切换、调控等功能。进一步优化智慧教室操控面板，可以完善各项功能，也可以提升智慧教室技术水平。

4 智慧教室分层架构设计

智慧教室系统以物联网4层模型架构为基础搭建而成。该系统利用各层级提供的接口，可以实现设备间的信息传递，并对采集的数据进行处理、分析，完成与用户终端间的交互。

智慧教室系统架构由底层至顶层包括感知层、网络层、平台层和应用层[3]，如图1所示。整个系统的设计充分发挥了分层架构设计的优势，提高了系统设计的灵活性、自主性及可扩展性，可进行应用需求的个性化定制及未来应用需求的扩展、补充。

（1）应用层。应用层为用户提供丰富的物联网应用，可满足各类用户的不同需求。应用层与平台层直接对接，将平台处理、加工的数据，以定制化应用的方式提供给用户。智慧教室系统中的终端设备主要通过物联网应用为用户提供服务。

（2）平台层。平台层作为硬件与软件间的层面，打通了物联网从设备采集信息到上层应用与用户交互的全过程。物联网平台具备各类云计算服务的能力，可使用开放接口为设备采集的数据提供处理、分析服务，为上层应用业务与设备数据采集的交互、融合奠定了基础。

（3）网络层。网络层是智慧教室内数据信息传输的网络硬件基础，其数据信息传输方式主要包括有线传输与无线传输。智慧教室系统中使用路由器、无线路由器、交换机、光载无线交换机以及 ZigBee 协调器等设备，可以构建出有线网络与无线网络融合的物联网。

（4）感知层。感知层是整个智慧教室系统中数据采集、接收的设备基础，主要包含火焰传感器、烟雾传感器、光敏传感器等传感器，以及移动终端、视频监控摄像头、空调和智能开关等智能设备。

5 智慧教室核心模块设计

5.1 智能设备的部署与网络构建

部署智慧教室内的智能设备时，需要具有完善的网络通信、供电等基础设施与安全、可靠的设备工作环境，并要保证室内网络的高速、稳定、全方位覆盖。各类传感器设备对数据传输的可靠性、安全性要求高，须采用低功耗、高安全、高可靠的 ZigBee 模块接入传感器设备，以 ZigBee 协调器为中心节点构建星型网络拓扑结构。移动终端、空调、智能开关等智能设备内置有Wi?Fi模块，可利用无线路由器、光载无线交换机等设备构建Wi?Fi无线局域网。视频监控摄像头上传的视频数据对网络带宽及稳定性要求较高，可采用有线网络直接接入方式，保证数据的实时传输。

将室内原有的路由器、交换机等设备与 ZigBee 协调器、光载无线交换机等设备连接，如图2所示，整合出一套融合有线、无线网络为一体的全新物联网布局。

5.2 通用物联网平台接入

智慧教室系统内设备采集的数据信息量庞大，需要接入通用物联网平台。通过平台内的云计算服务，完成一系列的数据整合、加工、处理工作。

针对摄像头实时采集的视频数据传输带宽占用大的特点，可采用 REST/HTTP 协议接入物联网平台，确保视频数据高质量、高速率传输。其他设备采集的数据传输量小、开销小，可集中经路由器收集、转发，以消息队列遥测传输（ Message  Queuing  Telemetry Transport，MQTT）协议接入云平台。

通用物联网平台连接设备前，需要在云平台中创建项目并添加云端设备，将云端设备的鉴权信息写入外部设备后，可利用平台内的 SDK 对设备进行开发。云平台和设备间一般以消息发布或订阅模式来完成消息分发。消息经过规则引擎的过滤后，可转发至不同的数据目的地，进而利用各类云计算服务进一步计算处理。

5.3 移动端应用设计

智慧教室移动终端应用设计采用 MVP （ Model? View?Presenter）架构模式，该应用主要包含用户管理、翻转课堂、教学管理、学情分析、教室情况以及设备管理等功能模块，如图3所示。移动终端应用依据用户类型，设计出对应的功能模块，确保能同时满足教师、学生、管理人员以及维护人员等用户对日常教学、人员管理和设备管理与维护等情景的不同需求。

6 智慧教室的后期维护与应急处理

智慧教室在日常使用中离不开电力、网络等基础设施，这类基础设施的日常维护需要形成一套完整的维护、检修体系，从而定期对智慧教室内的电线、网线等设备进行巡回检查，并将检查结果形成书面记录，为智慧教室的日常维护提供制度保障。

由于智慧教室內所有智能设备过度依赖电力、网络环境，教室的门窗等设备在配置上必须预留出机械控制阀，若突发险情，在电力系统、网络系统瘫痪的情况下，可保证室内人员安全撤离教室。

7 结束语

智慧教室是现代教育技术发展的产物，是物联网等新一代信息技术相融合的必然结果，也是教室形态发展的一个趋势。将智慧教室从以“教”为中心转移到以“创新能力培养”为中心，强调智慧教室整合各种资源，提供多种教学工具，支持教与学方式的灵活多变，支持丰富的学习体验，利于交流、协作和共享，强调的不只是设备与技术的先进性，更是如何灵活应用技术来支持学习过程、增强学习效果。目前，人工智能技术日趋成熟，将来利用人工智能技术对学生日常行为和学习情况进行分析，根据学生自身特点量身打造出一套合适的学习方式将成为可能，人工智能技术的参与也有望引发新一轮教育教学改革。

参考文献：

[1] 姚雪迎，张迎迎.“互联网＋教育”背景下高校智慧教室建设研究[J].河北教育（综合版），2021，59（9）：54?55.

[2] 王宇.基于模糊逻辑的高校多媒体智慧教室管理系统设计[J].现代电子技术，2021，44（12）：169?172.

[3] 林琪.互联网时代高校智慧教室建设研究与探索[J].科技资讯，2021，19（17）：4?6.

作者简介：

吴成立（1974—），本科，工程师，研究方向：计算机应用技术。