李小孟

摘要：當前信息化技術(shù)的飛速發(fā)展給職業(yè)學院的教學及管理帶來了前所未有的更新發(fā)展，現(xiàn)在大部分學院都擁有現(xiàn)代教育教學設備，辦學條件趨于完善。所有教室均配有先進的多功能電子白板多媒體教學設備與考試攝像監(jiān)控系統(tǒng)；擁有上千臺教學用電腦；各專業(yè)都配設了專門的實習實驗場所；校園局域網(wǎng)可滿足多媒體遠程互動教學、網(wǎng)絡資訊服務、備課及辦公自動化等多種需要，本文研究的就是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校園智慧教室，針對當前學院智慧教室的大量電器設備管理和日常管理實效化、智能化、科學化的實際需要，利用新一代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能感知設備構(gòu)建校園智能化網(wǎng)絡，幫助管理者提升智慧教室電器設備使用、維護和管理的效率，實現(xiàn)設備管理及能耗管理的數(shù)字化、智能化，決策的科學化，管理的現(xiàn)代化。提高管理者的工作效率、降低管理成本和人工成本。

關(guān)鍵字：智慧教室；物聯(lián)網(wǎng)；節(jié)能；感知

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）12-0253-02

1 背景與意義

隨著教育信息化的不斷推進，學校里面的教學設備和電器設備也日漸豐富，多媒體教學一體機，網(wǎng)絡中控臺，投影儀，大功率空調(diào)等教學、電器設備已經(jīng)成為教室里的標配，這些設備在給教學帶來巨大便利的同時也給管理者帶來巨大的困擾。放學忘關(guān)空調(diào)等設備的事件時有發(fā)生，日積月累，不光會產(chǎn)生巨額的能源浪費，還極大降低了這些昂貴設備的使用壽命。國務院“十一五”規(guī)劃提出“十一五”期間單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低20%左右的目標，2007年9月教育部向全國教育系統(tǒng)各部門頒布了《關(guān)于開展節(jié)能減排學校行動的通知》，重點強調(diào)加強學校師生的節(jié)能意識，加強節(jié)能環(huán)?；A(chǔ)教育，營造節(jié)能減排校園文化，進一步推動節(jié)約型校園的建設。所以日漸豐富的教學、電器設備跟與日俱增的能耗消費之間的矛盾越來越突出，急需用技術(shù)手段、科學的方法對這些設備進行合理的管控，從而達到科學的利用而又不浪費能源的效果。

2校園智慧教室管理平臺建設內(nèi)容

2.1建設內(nèi)容

校園智慧教室平臺的建設是針對學院教室的電器設備控制、電器設備運行狀態(tài)監(jiān)控、能耗監(jiān)測、用電安全、教室安防和環(huán)境監(jiān)測等管理需求，實現(xiàn)實效化、精細化、智能化管理。其具體建設內(nèi)容如下：

1）實現(xiàn)教室電器設備遠程和集中智能化控制，彌補管理漏洞，避免人工誤操作、減少工作強度、提高管理效率、降低人工成本。

2）實現(xiàn)教室設備運行狀態(tài)實時監(jiān)控和能耗監(jiān)測，方便管理者實時、全面了解設備運行狀況和能耗情況，保證教室電器設備能夠高效運行，支持決策過程的智能化和科學化，為科學管理和決策提供有效的數(shù)據(jù)支撐和保障。

3）實現(xiàn)教室用電安全管理，減少用電安全隱患，對教室用電管理做到及時準確。

4）實現(xiàn)教室安防監(jiān)控管理，幫助管理人員實時監(jiān)控、提前預警、準確定位、及時響應和快速處理。

5）通過環(huán)境監(jiān)測和智能感知自動觸發(fā)智能設備做出智能控制和調(diào)節(jié)。保證電器設備的合理利用，滿足節(jié)能的需要。

3系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

3.1系統(tǒng)總體框架

如上圖示，系統(tǒng)采用4層架構(gòu)，分別為物理設備層、智能感知和控制層、網(wǎng)絡層和應用層。

物理設備層主要由各類受控電器設備組成；

智能感知控制層由各類傳感/控制器組成，主要完成對電器設備的控制和狀態(tài)、環(huán)境等信息的采集；

網(wǎng)絡層由系統(tǒng)核心設備智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和校園網(wǎng)組成，主要完成組網(wǎng)和信息的傳遞，網(wǎng)關(guān)的主要功能是提供無線連接和無線協(xié)議與有線TCP/IP協(xié)議之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換；

應用層由部署在服務器的系統(tǒng)軟件以及安裝在終端的APP組成，主要完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)的匯聚、存儲、分析和處理，以及提供用戶操作界面。

1） 物理設備層

物理設備層即受控電器設備層，由常見環(huán)境設備（如插座、燈光、風扇、空調(diào)、飲水機等）組成。目前系統(tǒng)已經(jīng)可以集成校園內(nèi)絕大部分的電器設備。

2） 智能感知和控制層

智能感知和控制層由各種物聯(lián)網(wǎng)智能控制、傳感、儀表設備構(gòu)成。包括三類設備，一類是感知設備，如煙霧感應器、門磁感應器等；第二類是控制器，包括控制燈光的智能開關(guān)、控制空調(diào)的空調(diào)控制模組等；第三類是測量類，如帶能耗采集的智能插座、能耗采集模組等。智能感知/控制層主要完成信息的采集以及控制命令的執(zhí)行。

3） 網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層主要由智能物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)組成，該網(wǎng)關(guān)主要負責物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡和TCP/IP網(wǎng)絡的橋接、控制指令的下發(fā)和設備狀況的上傳、無線設備基本信息及其路由管理、情景及安防控制等核心功能。網(wǎng)關(guān)將傳感器采集的信息進行匯聚，并且根據(jù)ID分發(fā)控制命令給相應的傳感設備。

4） 應用層

應用層主要由系統(tǒng)服務器和客戶端應用（PC web app、Android app）構(gòu)成，系統(tǒng)服務器提供后臺業(yè)務邏輯服務和數(shù)據(jù)存儲服務，客戶端應用為用戶操作提供簡潔、友好的圖形化交互界面。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

1） 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是"信息化"時代的重要發(fā)展階段。其英文名稱是："Internet of things（IoT）"。顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。

這有兩層意思：其一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴展的網(wǎng)絡；其二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換和通信，也就是物物相息。物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識別技術(shù)與普適計算等通信感知技術(shù)，廣泛應用于網(wǎng)絡的融合中，也因此被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。

2） 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)用于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡與TCP/IP網(wǎng)絡的橋接互連，是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議與TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換的重要設備，也是整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心設備。不僅轉(zhuǎn)換上端發(fā)給設備的各種控制指令，而且還要將傳感器設備上報的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為TCP/IP協(xié)議包發(fā)送給應用層。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)不僅要實現(xiàn)TCP/IP網(wǎng)絡層的各種協(xié)議，如TCP/IP、UPNP、DDNS、HTTP、DNS等基礎(chǔ)協(xié)議外，還要實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設備入網(wǎng)/脫網(wǎng)、路由轉(zhuǎn)發(fā)、路由重建等多種物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的協(xié)議。網(wǎng)關(guān)還負責情景的執(zhí)行，智能情景的自動判斷和觸發(fā)，安防檢測以及告警，同時，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)還提供非智能設備虛擬，安防告警短信推送等集成和擴展功能。

3） 互聯(lián)互通技術(shù)

在一個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，存在有多個控制節(jié)點以及傳感器節(jié)點，如何保證這些物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的可靠通訊，在傳輸速率、功耗、傳輸可靠性上如何達到最佳的匹配、如何保證網(wǎng)絡的安全性，如何保證不同廠商、不同種類設備的互聯(lián)互通，是物聯(lián)網(wǎng)應用的核心和難點，我們在物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)設計理念中，一直遵循提供一個開放的系統(tǒng)和平臺，運用我們先進的互聯(lián)互通技術(shù)，保證物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的所有設備的互聯(lián)互通。

4） 網(wǎng)關(guān)虛擬化技術(shù)

網(wǎng)關(guān)虛擬化使得多個課室可共享同一個物理網(wǎng)關(guān)，且邏輯上每個教室對應有一個獨立的邏輯網(wǎng)關(guān)，這個獨立的邏輯網(wǎng)關(guān)下可有自己的設備、情景配置以及權(quán)限管理。

該網(wǎng)關(guān)及其校園設備智能控制和管理系統(tǒng)軟件系統(tǒng)內(nèi)置了網(wǎng)關(guān)虛擬化的技術(shù)實現(xiàn)，使得多個教室可以共享同一物理網(wǎng)關(guān)，且功能權(quán)限管理和使用上與每個教室部署一個物理網(wǎng)關(guān)等價，這使得實際工程項目節(jié)省網(wǎng)關(guān)數(shù)量和成本成為可能。

5） 移動智能終端的遠程管理技術(shù)

本方案的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)具有遠程網(wǎng)絡穿透技術(shù)，通過部署融合的DHCP、UPNP，DDNS等網(wǎng)絡協(xié)議于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和移動終端應用中，讓智能移動終端APP實現(xiàn)遠程報警、遠程控制和遠程查看等功能。

3.3校園教室為例的組網(wǎng)架構(gòu)

以校園教室控制為例的組網(wǎng)架構(gòu)：

1） 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)管理服務器

部署方式：在校園機房架設物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)管理服務器，使服務器聯(lián)通校園及互聯(lián)網(wǎng)。

功用介紹：用于管理和配置物聯(lián)網(wǎng)設備，對傳感器采集上來的設備數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，支持用戶的多級管理。

2） 企業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)

部署方式：部署于各樓層教室走廊內(nèi)，根據(jù)實際的教室布局情況，實現(xiàn)多教室共享一物理網(wǎng)關(guān)，各物聯(lián)網(wǎng)關(guān)聯(lián)通校園網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)，并能與服務器進行通信。

3） 控制設備

部署方式：根據(jù)被控的電器設備及教室內(nèi)實際情況，靈活安裝于適當位置，首要考慮設備取電的方式即可。

功用介紹：用于對教室電器設備的控制、信息采集和對環(huán)境的智能感知。

4） 被控設備和環(huán)境

如空調(diào)、燈、電源插座等各種電器設備和環(huán)境因素。以現(xiàn)有教室建設情況為基礎(chǔ)，不做變動。

5） 管理終端

部署方式：以現(xiàn)有校園的設備為主，不做特別設備增加，如使用現(xiàn)有的電腦或移動智能終端，即可充當控制終端，安裝專業(yè)APP軟件即可。

功用介紹：提供控制界面，使管理員或老師能夠遠程控制教室所有的設備、查看設備狀態(tài)、接收告警信息、查看數(shù)據(jù)分析情況和歷史記錄等。

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