基于数据整合平台的智能教室管控应用的设计与实现

肖明，徐艳，郭丹

（黑龙江八一农垦大学，大庆 163319）

随着信息技术的不断发展，具备科研、教学和管理功能应用的信息系统在高校中越来越普及。然而，由于信息化建设的前期缺乏长期整体规划，独立分散的信息资源、标准各异、数据重复、信息化程度差异显著以及信息孤岛等问题变得日益严重。因此，在当前的信息化建设过程中，数据整合工作是最为不可或缺和重要的环节。有效的数据整合[1]可以显著提高各部门的数据集成水平，通过整合来自各个系统的数据建立统一身份认证平台，并通过基础数据中心和信息门户平台提供一站式服务，极大地方便了用户使用。在此基础上结合微服务模式，可以很方便的搭建很多新应用，根据具体的服务需求实现新功能。

研究通过数据整合建立教室智能管控的轻应用，实现新的教室管理方式。以往教室管理需要教师在上课前领取钥匙，登记信息，下课后需要归还钥匙，而上下课时间人员众多，不但耽误教师的时间，还有可能出现错拿、丢失，前后节课交接不畅等诸多问题。智能教室管控方式，教师无需课前集中借取钥匙，只需现场手机操作智慧教室轻应用，即可自助控制教学设备，所有教室设备实现智能控制，并且使用授权与课程表精准对应。

1 基于微服务的智慧校园融合服务大厅建设

2020 年6 月，《职业院校数字校园规范》提出，智慧校园是数字校园后续发展形式，通过使用物联网、人工智能以及大数据等技术实现一站式服务的功能，更加智能的管理校内应用[2]。2021 年3 月，《教育部关于加强新时代教育管理信息化工作的通知》中的工作目标指出，到2025 年，新时代教育管理信息化制度体系基本形成，信息系统实现优化整合，一体化水平大幅提升，数据孤岛得以打通、数据效能充分发挥、在线服务灵活便捷，“一网通办”深入普及，服务体验明显提升。目前，高校的信息化水平已发展到智慧校园建设的新阶段，注重智能化和融合。用户可以通过智慧校园综合服务大厅访问教学管理、应用管理等在线服务。然而，随着不同业务需求的并发操作增加，服务大厅的功能需求变得更加复杂，急需构建一个“高度内聚、松耦合、快速响应、易于扩展和管理”的智慧校园综合服务大厅。微服务架构[3-7]是一种新型的软件开发模式，将应用程序划分为小型、独立的服务单元，每个单元可以独立部署、扩展和更新。这种架构风格能够提高应用程序的可维护性、可伸缩性、灵活性和可靠性，因为每个服务都是独立的，不会影响到其他服务，即高度内聚、松耦合的系统架构。

基于微服务的智慧校园融合服务大厅建设[8-11]，主要是实现数据共享交换平台、统一身份认证平台与融合服务门户三大核心功能平台。

（1）数据交换共享平台

数据交换共享平台是通过采用统一的数据标准和数据访问接口规范来建立的数据中心，旨在提供一种便捷、高效、安全的方式，使得跨层级、跨部门、跨数据库系统和应用系统能够共享和利用数据，从而消除信息孤岛。这些数据资源可能包括结构化数据、非结构化数据、实时数据、历史数据等，可以用于分析、研究、应用等多种目的。数据交换共享平台可以帮助高校更好地管理和利用自己的数据资源，同时也可以促进数据资源的共享和流通，推动数据的再利用和创新。平台的建设主要包括采用统一数据标准、开发公共数据平台和数据交换平台等，需要建立技术架构、数据治理和数据服务等。

（2）统一身份认证平台

统一身份认证平台（Unified Authentication Platform）[12-14]是一种用于集中管理和控制用户身份验证和授权的平台。它是一种基于标准的、跨领域的身份验证和授权解决方案，可以使用户只需使用一个账户和密码就可以访问多个应用程序和服务。

在统一身份认证平台中，用户只需要进行一次身份验证，就可以获得访问多个系统和应用程序的权限，而不需要重复进行身份验证。这种方法可以提高用户体验，同时也可以提高安全性，因为用户只需要记住一个账户和密码，而不需要为每个应用程序和系统都记住不同的凭证。

统一身份认证平台通常包括以下功能：身份验证和授权、单点登录、用户管理、权限管理、认证协议支持等。它可以应用于各种场景，包括内部应用程序、云服务、移动应用程序等。

（3）融合服务门户

智慧校园融合服务门户是一个以互联网为基础，以学生、教职工为中心，集学校信息化建设和校园服务于一体的综合性平台。该平台可以提供多种功能和服务，例如学生选课、课表查询、成绩查询、图书馆借阅、校园卡充值、缴费、校园活动信息发布等等。同时，平台还可以通过数据分析和人工智能技术为学生和教职工提供个性化、精准的服务，以提高高校服务和管理效率，优化师生服务体验，提高学校的整体竞争力。同时，它也是数字化校园建设的重要组成部分，能够推进高校数字化转型和创新发展。

通过基于微服务的智慧校园融合服务大厅建设，可以很好地解决系统的复杂性问题，实现对不同子系统的高效管理和调用，将学校所有业务系统集成在一起，提高了系统的可维护性和可扩展性，为学生、教职工和管理人员提供更加便捷和高效的服务，为教室智能管控提供前期基础。

2 基于物联网技术的教室智能设备管控平台建设

随着信息技术的不断发展和创新，新的技术和应用不断涌现出来，使得我们的生活和工作方式发生了巨大的变化。信息技术的发展已经赋予我们更多的便利和更高效的工作方式，使得人类社会的发展进程变得更加快速和高效。当前，人工智能、大数据、云计算、物联网、区块链等新兴技术正在不断涌现，它们正在推动着信息技术的进一步发展和应用，为人类社会的未来带来更多的可能性和机遇。在这样的背景下，当前教室现代化、信息化技术也在不断的发展，在高校结合智慧校园建设的基础上，为实现智慧教室[15-16]的搭建，提供良好的技术支持。使用智慧教室网关，利用ZigBee 协议与TCP／IP 协议的转换和终端节点形成局域网络[17]，使用DTU 进行串口转换IP 数据，并借助校园有线网络和管理平台，实现管控平台对教室的智能用电设备（智能插座）的状态读取和供电控制。

2.1 智慧网关和终端节点组建局域网络

在每个教室安装智慧网关，通过ZigBee 协议组建物联网，网内接入2 个智能插座和1 多路控制器。

（1）智能插座是一种带有智能功能的电源插座，它可以通过ZigBee 协议的物联网连接到智慧网关，具有计时、计量等功能。

（2）多路控制器是用于控制多个输入和输出通道信号流的电子设备，能够处理多种输入信号并产生相应的输出信号。通常包含一个或多个输入端口和一个或多个输出端口。输入端口接收来自传感器、开关或其他设备的信号，输出端口则发送控制信号到执行器、电机或其他设备。多路控制器可以对输入信号进行逻辑运算，从而实现复杂的控制逻辑和功能。

在组网中2 个智能插座分别用于电脑供电控制和投影仪电流监测，多路控制器用于控制幕布的升降。具体方法：通过控制为电脑供电的智能插座的开关，实现对电脑使用的权限控制；通过对投影仪供电插座电流值大小状态的监控，判断投影仪的开启关闭状态。为了保证控制的稳定，智慧网关采用有线网络连接管理平台，实现平台对智慧网关的控制，智慧网关通过物联网实现控制电脑与幕布开启与关闭。

2.2 DTU 控制投影仪

数据传输单元（DTU）是指一种数据采集和传输设备，可以将串口数据转换为IP 数据，并通过有线/无线网络实现数据传输。通过DTU 将投影仪的串口数据转换为IP 数据，并且为保证控制的稳定，采用有线网络与管理平台进行数据传输。管理平台根据投影仪供电的智能插座获得的电流数据，判断为投影仪发送开机或关机命令，实现投影仪的远程控制。

2.3 电脑状态监控软件

在每个教室的电脑中安装电脑开关机软件，用于实现管控平台对电脑开关机状态的感知及远程关机的控制。通过MAC 地址的绑定，实现平台对各个教室电脑的精确标识。

2.4 智能设备管控平台

在平台管理系统可对教室的物联网设备进行集中管理配置，主要配置的内容包括空间管理、设备管理、测点配置、实时数据、历史库配置、系统管理、用户管理、文档管理等各项功能。通过系统可以配置教室位置信息，网关设备，DTU 设备，电脑控制等，实现集中控制教室设备，监控教室设备状态、故障告警的功能。系统主界面见图1。

图1 智能设备管控平台主界面Fig.1 Main interface of intelligent device management and control platform

图2 APP 控制页面Fig.2 APP control page

3 整合业务系统数据结合服务大厅微服务实现教室精准控制

通过共享数据中心平台，将教务系统、研究生系统中的教师信息、课表信息与教室智能设备管控平台进行数据集成整合[18-20]，结合服务大厅轻应用，使教师可以通过手机按照课表授权，精准控制教室教学设备。

3.1 数据整合模式

数据整合是数据共享的基础，通过数据整合实现不同业务系统的数据打通。在实际运用中，数据整合模式需要根据具体的数据情况和业务需求来决定，主要有以下几种模式：

（1）批量处理模式：将数据从源系统中提取出来，经过清洗、转换等处理后，再批量导入到目标系统中。这种模式适用于数据量大、不需要实时性的情况。

（2）实时处理模式：将数据源系统的数据实时传输到目标系统中，可以使用消息队列、流处理，实时读取数据库等技术来实现。这种模式适用于需要实时或近实时处理数据的场景。

（3）增量处理模式：将数据源系统中发生的变化（新增、修改、删除等）同步到目标系统中，可以使用增量同步技术实现。这种模式适用于需要保持数据实时更新的场景。

（4）聚合处理模式：将多个数据源系统中的数据进行聚合，生成一份全局的视图。这种模式适用于需要综合多个数据源的场景。

3.2 教务系统，研究生系统数据集成整合方案

（1）数据整合方式

为了保证课表数据的即时性，采用实时处理模式，通过数据中心与业务系统直接同步的方法，利用数据交换工具访问业务系统接口，通过对数据交换流程进行配置，经过对共享数据的抽取、清洗、转换，实现数据的实时同步。

（2）数据交换的方式

由于教务系统、研究生系统只负责提供教师信息，课表信息、教室信息等数据，而不需要从数据中心中获取其他业务系统的数据，因此采用系统创建视图方式来提供数据，通过数据交换工具同步到数据中心。

3.3 教室智能设备管控平台认证及数据集成方案

教室智能设备管控平台集成体现在以下二个方面：

（1）认证集成

确定统一身份认证系统的用户权威身份信息，建立起统一的认证平台，实现管控平台系统的登录口令与智慧校园其它业务系统的口令一致；实现PC端、校园APP 端、企业微信端认证登录。通过身份认证单点登录，实现管控平台统一身份认证，由统一身份认证平台处理登录和认证，并能访问管控平台。

（2）数据集成

利用共享数据中心，实现管控平台系统与教务系统、研究生系统的数据共享，使管控平台系统可以从数据中心获取部门数据、教师数据等。数据集成后，实现管控平台从共享数据中心获取人员信息数据（人员基本信息、部门代码），数据信息通过视图接口发送，管控平台系统接受数据后自行处理，并更新到物联网管控平台数据库中。数据同步方式、数据中心将数据推送到管控平台中间库。

3.4 服务大厅教室管控轻应用建设

在基于微服务的智慧校园融合服务大厅中搭建智慧教室管控轻应用，通过数据中心整合获取到的教室、课表、教师身份等数据，根据教师信息、课表时间，为教师展示授课时间的教室控制链接。通过教室智能设备管控平台认证及数据集成，使教师通过APP 应用点击教室控制链接，无感知跳转到教室智能设备管控平台的对应教室控制页面，实现教师自助控制教学设备，并且确保使用授权与课程表精准对应，有效的配合教学计划执行。

4 结论

在当今数据驱动的世界中，高校通常需要处理和分析各种类型的数据，包括结构化数据（如数据库中的表格数据）、半结构化数据（如XML 或JSON 文件）和非结构化数据（如文本文档或图像）等等。数据整合可以更好地利用这些数据，并从中获取更深入的洞见和价值。数据整合的成功与否直接关系到数据分析和决策的质量，因此，它已成为高校信息化建设的重要工作之一。合理的数据整合是建立智慧校园融合服务的基础，通过数据整合实现各个业务系统的数据对接，进而实现统一平台，一站式服务，并且便于扩展新应用。基于融合服务平台，实现了一种全新的教室管控模式，有效的改进了教学环境，也便于设备状态的实时监控，提高了教学设备保障的及时性，并且通过课表与管控的精确对应，加强了教学计划管理，为今后的智慧教室建设提供了新思路。