云边端协同的物联网智慧教室设计

摘要：随着物联网技术的持续发展，其影响力已广泛融入各行各业，促进了智能化创新升级，尤其体现在教育领域。物联网技术推动教育从传统模式向“智慧教育”转型，助力构建智能化教学环境，其中“智慧教室”为最典型的应用之一。文章详细阐述物联网技术在教育领域的具体应用，为教育科技同行提供实践参考。

关键词：智慧教室；物联网；情景联动；物模型；Zigbee

中图分类号：TP391文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）34-0046-03开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

0引言

物联网技术依托多种信息感知能力，可实时采集环境数据并进行传输、计算和控制，从而实现现实世界的全面数字化和网络化，促进物与物、物与人之间的数字化连接与实时智能交互。在教育信息化2.0时代，借助物联网技术，以数据为核心驱动力，可快速实现智慧教育产品的智能化创新与应用[1]。本文将探讨“智慧教室”方案，尝试基于物联网技术构建智能化教学环境。

1“云-边-端”协同的整体方案

随着智能终端设备的普及，物联网系统的数据处理复杂度增加，传输与控制的实时性要求亦随之提高，这对传统的“云-端”模式形成了冲击。因此，智慧教室引入“云-边-端”协同模式[2]，将边缘计算理念融入物联网方案中。此模式减少了通信响应时延，扩大了系统处理能力，同时保障了网络故障期间的业务运作。具体方案如图1所示。

“端”是教室内各类教学装置，包括智能设备、传感器、摄像头等，这些设备是系统的数据来源，同时也是接收并执行云平台、边缘网关指令的终端。终端设备的通信协议首选Zigbee3.0，同时支持RS232/485、WLAN。

“边”是部署在教室内的物联盒子。该盒子作为边缘网关，集成RS232/485、Zigbee、WLAN等接口，负责采集终端数据，并通过实时边缘计算触发情景联动策略，实现自动化环境控制。同时，边缘网关依据相关通信标准，实现与云平台的数据交换。

“云”是部署在学校机房或云端的中心服务集群。云端平台负责所有边缘网关及其接入设备的管理，并提供音视频流媒体服务与音视频双向通信服务。

2端设备的接入

2.1设备集成方式

终端设备构成基本的环境感知和数据采集能力。设备集成优先采用高安全性、高可靠性和低功耗的ZigBee方案。摄像头和安卓一体机采用单独的接入方案。具体集成方式如表1所示。

转接盒：通过转接盒和Zigbee3.0标准，优化网络拓扑结构设计，实现短距离的高效传输，同时有效规避信号传输时的干扰[3]。

摄像头接入：边缘网关借助ONVIF协议实现摄像头设备发现，同时基于GB28181协议对接云端的视频流媒体服务器[4]。

安卓一体机：安卓一体机是教室内设备与情景联动的可视化控制台。一体机连接边缘网关，通过边缘网关进行设备操控和策略执行等任务。同时，一体机也集成音视频通话的终端能力，对接云端平台相关服务。

情景面板：情景面板提供一键上课和一键下课按钮，按钮点击将触发边缘网关内的上下课情景策略，下发操控指令，实现设备的批量开关机与窗帘幕布的开闭等。

3边缘网关设计

3.1物模型定义

智能终端设备种类繁多，数据标准、业务功能和操控方式差异显著，难以统一管理。为解决此问题，智慧教室引入“物模型”作为设备标准化抽象的数据模型，使用统一的模型语言描述和操控各类智能终端设备，实现数据层、特征层和决策层的融合[5]。物模型描述文件包含的内容如表2所示。

3.2云边通信机制

边缘网关负责管理教室内的所有设备，向云端发起设备注册或上报设备状态变化，并接收云端或安卓一体机的查询。涉及设备的所有数据通信均使用物模型描述语言进行沟通。通信引入MQTT服务，采用基于“主题（Topic）”的消费发布-订阅机制，实现消息的收发。主题的定义和分类说明如下：

1）设备管理（device_manage/feedback/notify）：涵盖设备入网注册、退网、登录、变更等双向管理指令。

2）设备心跳（device_heartbeat/feedback）：边缘网关向云端平台通报设备连接状态。

3）属性变更通知（properties_notify）：设备属性变更时，网关须主动通知云端平台（支持批量通知）。

4）属性查询与应答（properties_get/feedback）：云端平台或安卓一体机发起的设备属性查询指令（支持批量查询），网关负责应答。

5）属性设置与应答（properties_set/feedback）：云端平台或安卓一体机发起的设备属性设置指令（支持批量设置），网关负责反馈设置结果。

6）事件通知（event_notify）：边缘网关发起的设备事件上报，如故障等。

7）服务调度与应答（services_call/answer）：云端平台或安卓一体机发起的设备服务调度指令。

3.3情景联动

物联网的三个特征分别为全面感知、可靠传递以及智能处理[6]。情景联动是融合这三大特征的价值体现，提供面向应用场景的智能控制能力。情景联动的业务逻辑为“当满足触发条件时，即执行指定动作”。业务底层由一系列联动策略构成，联动策略包括3个核心部分：触发器列表、执行器列表、多个触发器组成的规则表达式。联动策略在云端平台配置并下发至边缘网关，后续的感知、传输、执行均在教室本地运行，不再依赖云平台。

触发器：包括时间、设备、策略3种触发器。时间触发器支持日期、时间、节假日的循环或单次触发条件；设备触发器负责监听传感设备的实时数据变化；策略触发器支持根据其他策略的执行状态来触发本策略执行。

执行器：包括设备、消息、策略3种执行器。设备执行器支持设备实时操控；消息执行器对接校园网其他系统，实现IM消息通知和短信通知等；策略执行器负责控制其他策略，包括激活、启停指定策略，调整指定策略的状态等。

规则表达式：用于描述情景联动的条件逻辑。表达式是以数学表达式的形式存在，比如：（A==12）amp;amp;（B==“abc”||C==true）amp;amp;（！D）。表达式的解析和计算结果用于决定策略是否执行。

4云端平台设计

云端平台除常规的配置管理、系统监控、用户管理等外，其主要核心业务包含远程设备管理和音视频服务。

4.1设备管理

智慧教室管理的核心为教学设备的全生命周期管理，这也是教室资产管理的重要内容[7]。智慧教室云平台的设备管理主要包含设备注册、物模型管理、空间管理三个方面。

设备注册：公共的物联网设备托管平台通常要求设备在管理台提前录入。然而智慧教室云平台采用入网发现机制，设备无须逐一提前录入。设备入网时，边缘网关自动上报云端，便于教室自由增减设备。

物模型管理：为便于识别设备的类型、品牌、功能，云平台须提前根据设备类型配置物模型。例如针对格力空调，须提前定义其功能，包括冷暖、温度阈值等。设备入网时，边缘网关上报云平台，携带设备ID、物模型ID等，云平台将自动识别并新增设备。

空间管理：为便于日常运维管理，云平台支持空间划分，提供楼栋-楼层-教室的多级空间管理。每台设备或边缘网关可划归至指定空间。

4.2音视频服务

音视频服务包括视频流媒体服务与音视频VoIP通信服务两大系统。

视频流媒体服务采用开源解决方案SRS，主要服务于教室内摄像头。SRS为一个开源的（遵守MIT协议）简单高效的实时视频服务器。摄像头配置并启用GB28181协商和推流，经由视频服务器提供Web浏览器或手机App端的视频播放，播放以WebRTC为主。

VoIP通信服务采用自研的音视频会话服务，该服务基于SIP协议[8]，主要支持点对点的二者音视频通话，提供基本的呼叫、接听、挂断等功能，视频基于H264，音频采用Opus。

5网络故障处置机制

针对网络通信异常情况，智慧教室云平台具备相应的容灾容错处置机制，确保核心业务不受影响，数据不出现错乱，通信恢复时能及时校准数据。在不同通信状态下，系统的处置机制如下。

5.1网络故障期间的处理

网络故障期间，边缘网关独立运作，不受影响，本地的情景联动继续正常工作。此时，设备数据上报云端虽发生失败，但边缘网关不予重试。同时，边缘网关将继续定期发送自身的心跳消息。云平台在此期间无法正常远程调控设备，亦无法接收设备的定期心跳消息，设备看板将显示该边缘网关网络故障，网关所属的所有下游设备均显示网络故障。

5.2网络恢复时的处理

网络恢复时，云平台将重新接收边缘网关的心跳通知并予以答复。边缘网关接收到心跳答复时，将重发故障期间的设备入网与脱网消息，以此保持与云平台间的设备清单同步。

5.3消息丢失的处理

网络不稳定时，消息收发易发生消息丢失的情况。除借助消息中间件MQTT外，通信消息采用请求/应答模式，未收到响应的指令将视为失败，并允许重试。边缘网关上报普通的设备状态变化不依赖服务端响应，因此云平台设备数据可能不正确。但用户查阅该设备时，云平台会检查设备数据的更新时间，若更新间隔超过5分钟，云平台将自动发起实时查询，借此校正双方数据。

6结束语

物联网技术及其应用为智慧教育的发展带来新的契机。本文以“智慧教室”应用为例，介绍如何应用物联网技术构建智能化的教育体验。系统采用“云-边-端”协同模式的设计理念，引入物模型数据规范，提供灵活的情景联动能力和容灾保障能力，为师生提供健康、科技、智能化的教学环境，是教育环境数字化和教育创新的新尝试。系统的设计、构建、剖析亦为教育科技同行提供经验分享与借鉴，共同加速智慧教育应用的创新迭代。

下一步，计划在现有系统基础上扩展环境感知和互动能力，拓展智慧教室的数字化广度与深度。同时，进一步提供标准化的数据开放和能力开放，融入智慧校园平台，并结合数字孪生技术，打造全场景、全要素、全周期的数字化与智能化智慧校园。这也是未来智慧教育在校园物联网领域应用实施的技术趋势。

参考文献：

[1]祝智庭，魏非.教育信息化2.0：智能教育启程，智慧教育领航[J].电化教育研究，2018，39（9）：5-16.

[2]李旖旎.基于“云边端”协同的5G物联网数据共享技术研究[J].信息记录材料，2024，25（7）：190-193.

[3]于国福.基于ZigBee3.0技术的智能家居系统设计[J].电视技术，2022，46（10）：222-225.

[4]彭顺顺，周传生，郭桃林.GB28181标准与ONVIF协议媒体播放兼容性的研究[J].电视技术，2014，38（11）：170-172，186.

[5]房逸涵，窦水海，杜艳平.基于物联网的数据融合研究综述[J].北京印刷学院学报，2024，32（8）：42-49.

[6]李胜杰，魏铁军.场景化物联网控制产品设计与应用[J].智能建筑，2022（6）：44-46.

[7]陈林.基于物联网技术的多媒体智慧教室管理系统研究[J].物联网技术，2023，13（8）：138-140，143.

[8]中华人民共和国信息产业部.会话初始协议技术要求（第一部分基本的会话初始协议）[S].中华人民共和国通信行业标准，2003：1-6

【通联编辑：谢媛媛】