黃孝新 黃思樂 姜公信

【摘要】傳統(tǒng)高校教室設(shè)備復(fù)雜多樣，故障率高，智能化管理存在一定瓶頸。本文以北理工珠海學(xué)院的教室為背景，通過對教室的設(shè)備架構(gòu)和控制模式重新設(shè)計(jì)，利用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)教室設(shè)備根據(jù)教務(wù)系統(tǒng)的任務(wù)進(jìn)行智能控制，將使用場景復(fù)雜的教室管理變得智能、簡單。

【關(guān)鍵詞】多媒體；教室；智能化；物聯(lián)網(wǎng)

一、研究背景

高校多媒體教室的多媒體設(shè)備主要由中央控制器、視頻輸入設(shè)備、視頻輸出設(shè)備、音頻輸入設(shè)備、音頻輸出設(shè)備等組成，如圖1：

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，部分多媒體設(shè)備控制系統(tǒng)逐漸將多媒體教室內(nèi)的空調(diào)、燈光等強(qiáng)電設(shè)備也集中管理起來，但此部分功能主要是基于原有的多媒體設(shè)備控制系統(tǒng)，并無根本改變多媒體設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)，控制方式也基于原有的中央控制主機(jī)功能進(jìn)行擴(kuò)展。從多媒體教室的管理和使用來看，傳統(tǒng)多媒體教室設(shè)備組成及控制方式，存在網(wǎng)絡(luò)布線麻煩、設(shè)備部署繁雜、管理不便、用戶體驗(yàn)不佳、資源浪費(fèi)嚴(yán)重等諸多弊端，具體如下：

1.多媒體教室設(shè)備繁多，集成度不高，主要包括計(jì)算機(jī)、視頻輸入輸出設(shè)備、音頻輸入輸出設(shè)備等傳統(tǒng)多媒體設(shè)備，以及空調(diào)、燈光、風(fēng)扇等設(shè)備。

2.基于傳統(tǒng)中控系統(tǒng)的設(shè)備連接繁瑣、故障排查難，設(shè)備穩(wěn)定新、可靠性均受影響。

3.多媒體教室的管理除多媒體設(shè)備集中管理外，空調(diào)、燈光、風(fēng)扇等外設(shè)均主要依靠物業(yè)人員進(jìn)行人工管理，導(dǎo)致教室管理效率低，人員管理成本高，同時(shí)也因管理效率問題，造成大量資源浪費(fèi)。

4.因設(shè)備繁雜，導(dǎo)致教學(xué)人員使用設(shè)備較為繁瑣，很多時(shí)候需要借助于管理人員；目前主流的手機(jī)、平板等移動設(shè)備較難接入多媒體教學(xué)平臺，教學(xué)人員教學(xué)資源暫時(shí)受限。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及云計(jì)算的發(fā)展，各高校也在積極探索適合自身教學(xué)、管理需求的智慧教室的方案。北京理工大學(xué)珠海學(xué)院結(jié)合自身管理特點(diǎn)，對教室的智能化管理進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

二、教室智能化管理的設(shè)計(jì)

本文主要依托北京理工大學(xué)珠海學(xué)院對教室智能化管理的需求，對教室的多媒體設(shè)備及智能控制進(jìn)行系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)。

（一）設(shè)計(jì)原則

教室智能化管理的設(shè)計(jì)須符合北京理工大學(xué)珠海學(xué)院的實(shí)際管理情況，具備落地實(shí)施的條件。北京理工大學(xué)珠海學(xué)院多媒體教室為一體化管理模式。因此，教室智能化管理的設(shè)計(jì)不僅包括多媒體設(shè)備，而且包括教室內(nèi)空調(diào)、燈光、風(fēng)扇等所有設(shè)備。

1.智能原則

教室智能化管理設(shè)計(jì)須滿足智能化控制原則，改變現(xiàn)有的人工管理和維護(hù)的現(xiàn)狀；根據(jù)系統(tǒng)計(jì)劃任務(wù)，達(dá)到教室的智能化管理；利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，把教室全部設(shè)備集中連接、控制。

2.簡化原則

利用先進(jìn)信息技術(shù)，增強(qiáng)設(shè)備的集成力度，進(jìn)一步簡化設(shè)備組成，改變傳統(tǒng)的多媒體教室設(shè)備組成結(jié)構(gòu)。同時(shí)，教室應(yīng)優(yōu)化操作界面，簡化教學(xué)人員的使用。

3.成本原則

設(shè)備的與設(shè)計(jì)，需有利于進(jìn)一步減低設(shè)備投入成本；其次，教室智能化設(shè)計(jì)須考慮管理成本，盡量簡化，易維護(hù)，減少管理人員成本支出；同時(shí)考慮節(jié)能設(shè)計(jì)，避免資源浪費(fèi)。

（二）設(shè)計(jì)架構(gòu)

1.教室智能化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)將教務(wù)系統(tǒng)與教室的控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)對接，以教務(wù)系統(tǒng)的使用，包括課表、借用等任務(wù)，作為教室智能化管理和控制的計(jì)劃任務(wù)，通過計(jì)劃任務(wù)實(shí)現(xiàn)對教室的投影機(jī)、電腦、音響等多媒體設(shè)備及空調(diào)、燈光、風(fēng)扇等設(shè)備進(jìn)行智能化控制，實(shí)現(xiàn)教室的智能化管理，其設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2：

教室智能化管理和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)注以下幾點(diǎn)：

（1）教室的智能化控制系統(tǒng)是以教務(wù)系統(tǒng)的課表、考試安排、借用等使用任務(wù)作為智能化管理和控制的數(shù)據(jù)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)多媒體教室的智能管理。

（2）教室的智能化管理和控制充分考慮學(xué)校的管理實(shí)際，在以教務(wù)系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)作為智能控制計(jì)劃任務(wù)時(shí)，增加可提前或延后執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間設(shè)置，時(shí)間可根據(jù)學(xué)校的使用情況設(shè)置。

（3）充分考慮教室內(nèi)各類設(shè)備特性，設(shè)定智能控制的順序，例如，在計(jì)劃任務(wù)結(jié)束時(shí)，依次先以正常程序關(guān)閉空調(diào)、投影機(jī)、投影幕、電腦等設(shè)備，以免因直接斷電關(guān)閉設(shè)備，影響設(shè)備壽命；待以上設(shè)備正常關(guān)閉后，再執(zhí)行關(guān)閉電源指令，控制教室電源。

（4）因智能控制主要依托網(wǎng)絡(luò)傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)和指令，因此，本設(shè)計(jì)考慮在斷網(wǎng)或服務(wù)器異常的情況下，默認(rèn)教室電路全為開路，保證教室正常使用，以免影響正常教學(xué)。

（5）本設(shè)計(jì)主要通過系統(tǒng)的計(jì)劃任務(wù)來實(shí)現(xiàn)教室的智能化管理和控制，因考慮教室使用場景復(fù)雜多樣，須建立教室移動化、集中化控制機(jī)制，即管理人員通過互聯(lián)網(wǎng)可隨時(shí)隨地管理和控制教室。

2.多媒體設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的多媒體設(shè)備系統(tǒng)中以傳統(tǒng)中央控制器為核心設(shè)備，其他輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等均通過有線接入中央控制器，以滿足日常教學(xué)需求。多媒體設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要以Android系統(tǒng)為核心技術(shù)，對傳統(tǒng)中央控制器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)；同時(shí)，結(jié)合云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，組成新的多媒體設(shè)備系統(tǒng)架構(gòu)，以滿足日常教學(xué)需求，具體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖3：

多媒體設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要關(guān)注以下幾點(diǎn)：

（1）建立以Android系統(tǒng)為操作系統(tǒng)的、高度集成的、低能耗的智能中央控制設(shè)備為核心的多媒體系統(tǒng)，其余教學(xué)設(shè)備通過有線或無線接入至智能中央控制設(shè)備，形成完整的多媒體教學(xué)系統(tǒng)，簡化多媒體設(shè)備系統(tǒng)組成。

（2）結(jié)合云計(jì)算技術(shù)，在多媒體設(shè)備中接入云桌面；每間教室將分配一個(gè)公共云桌面，或教師可直接使用自己的云桌面，直接用于教學(xué)；云桌面可集中管理、維護(hù)，大大減低教室管理人員的維護(hù)難度和復(fù)雜度；教師使用自身的云桌面進(jìn)行教學(xué)，個(gè)性化更強(qiáng)，更具針對性。若遇斷網(wǎng)，也可直接使用中控的Android系統(tǒng)，應(yīng)急用于教學(xué)。

（3）多媒體的教學(xué)外設(shè)，包括投影機(jī)、電腦、話筒、音響等，主要通過有線或無線投屏技術(shù)接入中控。平板、手機(jī)等外設(shè)可通過無線投屏接入到多媒體設(shè)備系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)教師和學(xué)生的移動設(shè)備可隨時(shí)在教室內(nèi)投屏分享，豐富課堂。

三、教室智能化管理的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

（一）多媒體核心設(shè)備-智能中控

智能中控是一臺帶Android操作系統(tǒng)的硬件設(shè)備，不僅滿足其他輸入、輸出設(shè)備通過有線或無線接入，而且結(jié)合學(xué)校云桌面，形成多媒體計(jì)算機(jī)，滿足多媒體教室的日常教學(xué)。同時(shí)，智能中控集成了傳統(tǒng)多媒體設(shè)備中的功放、無線路由器、多媒體中央控制等硬件功能，大大簡化了多媒體設(shè)備的系統(tǒng)組成，如圖4：

（二）智能化控制硬件系統(tǒng)

在不改變教室內(nèi)原強(qiáng)電箱線路的情況下，將空調(diào)、燈光、風(fēng)扇等強(qiáng)電回路接入控制電箱的繼電器模塊，通過控制繼電器模塊實(shí)現(xiàn)教室強(qiáng)電的控制功能。后臺控制管理系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)TCP/IP協(xié)議，與電箱網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行通訊，網(wǎng)關(guān)設(shè)備將TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換為RS485通信協(xié)議與教室控制模塊進(jìn)行通信。通信數(shù)據(jù)指令通過串口軟件對教室內(nèi)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行配置，把教室內(nèi)不同型號的空調(diào)、投影機(jī)等控制碼下發(fā)至對應(yīng)教室的控制器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)空調(diào)、投影機(jī)的控制功能。其中，空調(diào)通過紅外模塊進(jìn)行控制，投影機(jī)通過232模塊進(jìn)行控制，燈光、空調(diào)等強(qiáng)電模塊則通過繼電器模塊進(jìn)行控制。控制電箱內(nèi)預(yù)留了電流檢測模塊，可將實(shí)時(shí)用電數(shù)據(jù)提供到節(jié)能平臺，方便管理員對用電數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控分析，如圖5：

（三）智能化控制軟件平臺

智能教室控制軟件平臺是基于JAVA語言進(jìn)行編寫的。為了滿足管理人員隨時(shí)隨地管理和控制多媒體教室，我們開發(fā)了基于B/S架構(gòu)的web控制頁面和基于H5技術(shù)開發(fā)的移動控制頁面?？刂栖浖⒔淌叶嗝襟w設(shè)備、空調(diào)和燈光、攝像頭等設(shè)備集成在控制終端。通過控制軟件，不僅可以觀察各教室設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)也可以對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)配置，從而實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)設(shè)備的控制。后臺管理服務(wù)器每分鐘向教室內(nèi)的控制器發(fā)送數(shù)據(jù)包，教室內(nèi)控制器超過三分鐘接收不到后臺服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)包，控制器將不起作用，教室默認(rèn)處于供電狀態(tài)，解決由于斷網(wǎng)或后臺服務(wù)掛死出現(xiàn)大面積無法供電的情況，保證教育教學(xué)的正常秩序。WEB控制端如圖6、手機(jī)APP控制端如圖7：

（四）智能控制系統(tǒng)與教務(wù)系統(tǒng)對接

智能控制系統(tǒng)與教務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫對接，將教務(wù)系統(tǒng)中的課表、考試安排、借用等任務(wù)列為智能控制系統(tǒng)的計(jì)劃任務(wù)，從而智能的管理多媒體教室。智能控制系統(tǒng)和教務(wù)系統(tǒng)鏈接的方法是Dblink。 Dblink是一種實(shí)現(xiàn)異地?cái)?shù)據(jù)庫和本地?cái)?shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)同步的技術(shù)，可以連接到異地?cái)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)的表、視圖。該技術(shù)建立同步操作快捷方便，在保證數(shù)據(jù)的自動更新的同時(shí)，又可以保證數(shù)據(jù)庫間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)一致，從而使教務(wù)系統(tǒng)中課表、借用表等同步到控制系統(tǒng)，使控制系統(tǒng)可以根據(jù)課表等控制教室內(nèi)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)教室智能化控制。

四、總結(jié)

本次教室智能化管理的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)偏向于高校教室的管理，教學(xué)的智能化方面考慮較少。隨著教室智能化的深入使用，技術(shù)的不斷發(fā)展，教室智能化必將朝著教學(xué)智能化發(fā)展，即現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)：智慧教室。教室智能化將為教學(xué)積累大量教學(xué)數(shù)據(jù)，為課堂大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，推動高校教育教學(xué)改革。

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