基于移动物联网的智慧教室设计与实现

来源：《中国教育信息化》杂志 作者：何文乐 李杰玉

摘要：随着信息技术的发展，多媒体教室已经逐渐取代了“黑板+粉笔”的传统教室。然而，目前大多数多媒体教室局限性日趋明显，表现为：多媒体教室里设备种类繁多，碎片化严重，只能手动单一控制；多媒体教室分布范围广，后期管理维护难度大；多媒体教室建设仍停留在只重视硬件设备投入阶段，软件应用交互平台部署设计几乎为零；信息化应用水平低，技术可拓展性和伸缩性弱。针对上述问题，本文提出了基于移动物联网的智慧教室实现方案，提高教室资源设备的利用率，实现教育教学管理的自动化与智能化。

　　一、引言

近年来，随着物联网、大数据、云计算等下一代信息技术的日趋成熟，信息化教学纳入我国新时代教育教学改革的重要发展战略，其中《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》也明确提出加快教育信息化进程的要求，具体包括：①加快教育信息化基础设施建设；②加强优质教育资源开发与应用；③构建国家教育管理信息系统。

因此，“互联网+教育”成为教育领域建设与改革的新趋势，如智慧教育、智慧校园、智慧课堂等建设，已成为当下教育部门关注、研究及探讨的新热点。信息技术与学校教育教学业务的融合，将物联网、云计算、大数据等技术引入校园教育领域，有效加快了信息技术促进新时代教育改革的进程。智慧教室环境的搭建，为适应新时代信息技术与课程教学有机整合，提高校园信息化教学水平，实现自动化、智能化校园管理提供了技术支持和保障。

二、总体架构设计

 1.智慧教室的概念

智慧教室（Smart Classroom），在传统多媒体教室的基础上，运用物联网、云计算、大数据、移动通信等下一代信息技术，构建集人员门禁考勤、设备智能联动、环境优化调节、移动交互教学等应用于一体的现代化智能教学环境。

 2.基于物联网的智慧教室建设架构

物联网（Internet of Things，IoT）实质上是利用互联网实现“万物互联”，即“人-人”、“人-物”、“物-物”进行信息交互的信息物力系统（Cyber-Physics System，CPS）。基于物联网结构，智能教室架构分别为：感知层、网络层、应用层，另外为兼容各类终端设备接入，在物联网三层架构上添加终端接入层，各层的部署具体如下：

（1）感知层

感知层主要负责感知教室环境设备的数据信息，基于本文设计，感知层相关技术部署于每间智能教室内，包括各种无线传感网络感知节点、网络摄像头感知节点、硬件设备感知节点、射频识别感知节点、智能设备电子标签感知节点，实时采集教室生态环境、多媒体设备状态等数据信息，与网络层、应用层动态交互。智慧教室感知层结构如图1所示。

（2）网络层

网络层是物联网的大脑及神经中枢，主要负责智慧教室数据信息的传递和处理，网络层基于校园网设施，在每个智慧教室部署智能网关，利用通信组网技术包括有线技术（如CAN现场总线、以太网、RS-485总线等）和无线技术（如ZigBee、WiFi、Thread、4G、LiFi等），把教室各种硬件设施设备通过组网技术连接，形成一个联通的网络系统，基于智能网关或无线路由器把感知层采集的数据传输处理，实现智能教室信息互联互通、设备联动控制等。

（3）应用层

应用层通过对感知层的数据信息进行处理并应用，实现智能教室的信息展示、信息交互并构建智能教学服务应用平台，如教室门禁考勤系统、硬件设备控制系统、教室环境监测系统、移动教育云平台及智能教学管理系统。

（4）终端接入层

终端接入层是物联网人机交互的接口，基于用户（如教师、学生或校方）的需求，用户可基于PC端及移动终端（智能手机或平板电脑）提供的可视化界面，对教室进行远程线上控制或选择控制策略。智慧教室系统整体结构如图2所示。

三、智慧教室系统设计方案

 1.智能门禁考勤系统

智慧教室的智慧生态环境是开放式、交互式、联动式的。在日常教学中，门禁考勤也需要慎重考虑，目前，多媒体教室考勤沿用打卡式，这种“认卡不认人”的方式也给教学常规管理带来一定局限性。本文基于模式识别与RFID一卡通，提出智能门禁考勤系统。

（1）RFID模块

 RFID模块部分使用有源标签，又称主动标签（Active Tag），采用超高频915MHz、微波2.45GHz和5.8GHz工作频段，远距离自动识别，高频系统的特点是标签内保存的数据量大、读写距离远（可达几米至十几米），识别静止及高速运行物体的性能一样好。

（2）摄像采集模块

依据大数据技术，对于进出教室的师生，调用校园资源数据库，根据实际情况及时定期更新资源库的信息，为门禁系统的模式识别提供最优的信息匹配数据库，实现门禁系统对识别目标的有效识别。

（3）模式识别模块

人脸、车牌等信息具有唯一性，基于上文采用的超高频RFID有源标签识别，快速识别目标对象的特性。由于基于人脸识别算法，智能门禁系统只对人脸特征信息“感兴趣”，其余干扰信息都“视而不见”。

本系统基于RFID超高频有源标签模式识别门禁考勤系统，如图3所示，通过高清摄像机自动截取人脸进行信息采集，同时传输网络送至模式识别和RFID模块，师生的人脸识别和RFID读卡器自动进行人脸特征信息与校园数据库匹配，作为身份认证。认证通过则“放行”，并记录考勤时间；反之则“提醒”，师生的进出情况等信息通过校园网存储于学校智能教学管理系统考勤模块，系统管理员也能随时通过移动终端查询实时门禁管理系统的当前以及历史数据。

2.硬件设备控制系统

传统的多媒体教室硬件设备碎片化严重，各种品牌型号不一、通信协议兼容性差，以至各类硬件设备应用处于割裂状态，只能单一控制，无法智能联动。

为此，本文提出基于CAN的现场总线组网技术，采用“分布式部署，集中式管理”的方式，把智慧教室的各种硬件设备连接组网，实现硬件设备控制管理的智能化、网络化、互动化、集成化。

（1）CAN现场总线关键技术

 CAN是控制器局域网络（Controller Area Network）的简称，CAN总线是一种支持分布式控制和实时控制的网络总线，采用通信数据块进行信道编码，通信报文采用短帧结构，每个控制节点都有独立的CAN控制器，因此当多个控制节点同时发送数据时，总线根据控制数据的ID号自动比特位仲裁（Arbitration），避免造成数据阻塞及混乱。相比目前普遍应用的RS-485总线抗干扰能力差、传输可靠性差、通信传输速率低、每次只能接收并处理一个控制节点数据等不足，CAN总线采用循环冗余检查（CRC），添加冗余检查位保证通信的可靠性。CAN的数据传输速率范围广，介于5kbps~1Mbps之间，传输介质可采用双绞线或光纤等，具有高性能、高可靠性、高稳定性、实时性强、性价比高等优势，广泛应用于不同领域。

（2）智能控制系统设计

每间智慧教室的教学设备，包括多媒体设备、投影幕布、传感网络、网络摄像头、照明、空调、音响、门禁、自动窗帘等电气设备统一编码。本文的设计基于82C50型驱动器CAN总线综合布线技术，每一个硬件设备部署独立的CAN控制器，构建一个控制节点，通过CAN总线结构简单的总线网络拓扑，各设备控制节点接收中心协调器（如智能网关）的控制指令，智能教室网路层的各节点根据总线访问优先级别，优先级别取决于用户需求设置，并通过报文标识符（Pan ID）区别响应，采用无损结构逐位仲裁方式竞争向总线发送控制数据。由于CAN协议废除了站地址编码，取而代之对控制节点的通信数据实行编码，每个控制节点单元都有唯一的地址编码，通过这些地址编码使不同的控制节点同时接收到指令数据。CAN总线网络主要挂在CAN_H（CAN_High）和CAN_L(CAN_Low)上，由于双绞线的特性阻抗，还需要在CAN_H和CAN_L之间接上120Ω的终端电阻，各个节点通过这两条线实现信号的串行差分传输，使基于CAN总线构建的网络控制节点之间信息通信实现较强的交互性。当用户身处智慧教室时，基于智慧教室PC端控制设备；当用户在教室户外时，可以基于预定部署的异地PC端或个人移动终端，在线远程控制教室设备，不受空间限制，均可实现设备高可靠性与灵活性的管理控制。智能教室硬件设备控制系统如图4所示。

 3.教室环境监控系统

目前多媒体教室环境监控主要依赖于摄像头的视频监控，并且大多数摄像头也依赖于人力干预，在监控中心看监控画面，只实行“监”，无法实现对突发事件的智能远程处理，此外教室环境监测设备（如PM2.5环境监测、光照监测、温湿度监测）部署基本没有。基于上述问题，本文基于无线传感网络与WiFi、ZigBee、Thread等无线组网技术，实现了智慧教室环境实时监测、智能远程处理。

（1）无线组网关键技术介绍

 ①WiFi技术

 WiFi是基于“IEEE 802.11”系列的无线网络技术，工作特点：①覆盖范围广，通信半径30~100m；②传输速率高，一般传输速率可达数百Mbit/s，第六代WiFi无线传输速率达到7Gbps；③低辐射传输，IEEE 802.11规定的发射功率不超过100mW，实际发射功率为60~70mW，低于手机的发射功率200mW~1W，辐射安全性较好。WiFi 组网方式为近距离的星型拓扑，WiFi路由器起中心节点的作用，终端设备作为一般节点，其接入和断开网络不会影响网络其他节点的工作，是目前人类生活中接入互联网最为方便和应用最为广泛的组网方式。

 ②ZigBee技术

 ZigBee是一种基于“IEEE 802.15.4”通信协议的短距离无线通信技术，旨在构建一种低速率、低功耗、近距离传输的个域网（Low Rate Wireless Personal Area Network， LRWPAN）。按照ZigBee组网方式，拓扑类型有星型（Star）、树型（Tree）及网状型（Mesh），网络设备的节点由协调器节点（Coordinate）、路由器节点（Router）及终端节点（End Device）组成。ZigBee技术具有低功耗、低成本、延时短、自组织、自适应、高可靠性和安全性优势，广泛应用于工业控制、现代农业、智能家居等领域。

 ③Thread技术

 Thread是一个基于开放标准构建的面向低功耗“IEEE802.15.4”网络拓扑的下一代互联协议IPv6的网络标准，运行频段2.4GHz，使用6LowPAN（Pv6 over Low power Wireless Personal Area Network）技术，能够同时支持250个左右的智能设备（如传感器、照明、智能开关等）相互连接并直接连接到云端。Thread组网是网状拓扑，主要由设备节点、路由器节点和边界路由器节点组成。第一个路由器节点自动作为Leader节点，主要负责执行额外的网络组建管理任务，并进行决策，在同一网络同一时段，仅有一个Leader节点。

（2）智能环境监控系统设计

智慧教室环境监控系统通过在感知层部署大量传感器实时采集感知数据，传感器与硬件设备通过联动来实时动态调整教室环境最优状态，同时教室环境的监测数据也及时反馈至硬件设备，对硬件设备进行通断电决策，充分提高硬件设备的利用率并有效节约资源。环境监控系统传感器及联动外设如表1所示。

针对小型智慧教室系统，环境监测系统感知层采用WiFi组网的星型拓扑结构。中心节点为智能网关设备（如无线路由器），教室其他传感器设备节点都直接接入WiFi网络进行通信，实现教室环境与硬件设备的联动。 WiFi星型拓扑示意图如图5所示。

各联动外设内置采用基于“802.11n”通信标准的型号为“88W8801”的WiFi模块芯片，其工作频段为2.4GHz，最大传输速率为72Mbps，满足小型智慧教室环境监测系统需求，实现智慧教室与硬件设备智能联动，基于WiFi组网的小型智慧教室智能环境监控系统由信息感知、传递、处理及应用构成，具体实现方案如图6所示。

针对较大型的智慧教室系统，并非所有传感器节点均与智能网关直接通信，鉴于传统的ZigBee组网技术无法直接与互联网连接，本文利用Thread应用层兼容ZigBee设备的特点，提出一种融合ZigBee终端设备节点的Thread新型组网方案（以下简称“ZigBee_Thread组网技术”），充分发挥了ZigBee和Thread组网技术的优势，由于Thread是基于IPv6网络协议，因此其可以直接接入互联网并访问任何一个节点，不需要依赖复杂的智能网关。 ZigBee_Thread组网技术网状拓扑示意图如图7所示。

各联动外设内置的ZigBee终端设备节点采用HFZ-CC2530EM-V2.0芯片开发，采用德州仪器（Texas Instruments，TI）的射频芯片CC2530-F256，具备RF 收发器的优良性能，增强型8051为处理器，系统内可编程闪存为8-KB RAM，支持ZigBee2007/Pro协议栈。基于ZigBee_Thread组网的大型智慧教室监控系统，传感器数据经过串口通信至ZigBee终端节点，运用ZigBee应用层协议（ZigBee Cluster Library，ZCL）运行于Thread组网上，完成信息感知、传递、处理及应用，具体实现方案如图8所示。

 4.移动终端后台服务器与APP应用开发

在应用层的应用服务端与终端接入层的应用客户端的处理过程中，需要开发一个移动终端后台服务器，使用户能够基于移动终端运行智慧教室的各个子系统。应用层后台服务器移动终端的构建，使用服务端构建的基于校园网智慧教室独立的服务器端软件平台，具体包括：安装处理数据的数据库管理软件（如Oracle Database、SQL Server）；搭建IIS（Internet Information Server）信息服务器，与 Window Server完全集成在一起。用户能够利用Windows Server和NTFS（NT File System，NT的文件系统）内置的安全特性，建立强大、灵活而安全的Internet和Intranet站点，为智能教室服务器配置固定的IP地址和域名。

至于客户应用端APP应用的开发，本文基于Android部署与用户APP通信的服务端程序， 在Java语言提供的核心软件开发工具JDK（Java）与Android SDK软件开发环境，通过软件编程及界面设计，为用户提供移动终端平台可视化和友好的人机交互界面，使师生等人员在使用智慧教室时，体验移动端的一站式服务。开发的APP可以包括移动交互学习平台、智能教学管理客户端、智慧教室多媒体设备远程控制、电子门禁考勤等应用，实现用户对智慧教室的“智能掌控”。

四、结束语

在“互联网+教育”浪潮的推动下，智慧教室融合了物联网、云平台、移动互联网、无线传感网等新兴技术。本文提出融合移动物联网与云平台的智能教室，给师生提供了一个集智能教学、移动交互学习、环境智能监测调节、设备联动智能控制于一体的现代新型信息化教室系统，充分提高了教学资源的利用率，进一步提升了教师的信息化教学素养，增强了学生的自主学习意识，为开拓新时代智慧教育的新模式发挥了作用。

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