張世城，翟嘉琪

（鄭州輕工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，鄭州450002）

隨著信息時(shí)代的到來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)和3D模型技術(shù)的興起，各大高校開始進(jìn)行信息化、可視化校園教室建設(shè)。提出并實(shí)現(xiàn)一種智慧教室的設(shè)計(jì)方案及成果，借力物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)模型和ThingJS3D模型可視化技術(shù)，給出智慧教室的整體策略和體系架構(gòu)，在智慧教室硬件布局、網(wǎng)絡(luò)通信和教室系統(tǒng)的平面構(gòu)造、3D模型進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

智慧教室；ThingJS；物聯(lián)網(wǎng)；3D；IPv6

0 引言

目前大部分高校仍普遍采用傳統(tǒng)的上課模式，隨著國(guó)家大力推進(jìn)教育，以及近些年來(lái)我國(guó)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)的飛快發(fā)展[1]，智慧教室應(yīng)運(yùn)而生，它是借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建起來(lái)的新型教室。智慧教室的建設(shè)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)技術(shù)，來(lái)增強(qiáng)教師對(duì)教室教學(xué)資源的利用和改善教師的教學(xué)手段并且能夠提高效率，為學(xué)生提供更好的教學(xué)環(huán)境。智慧教室不僅可以更好地服務(wù)于教學(xué)，而且對(duì)推進(jìn)現(xiàn)代化教學(xué)的進(jìn)行有深遠(yuǎn)的意義。

本文在實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)硬件的基礎(chǔ)上，使用ThingJS 3D模型技術(shù)，建立可視化智慧教室感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)教室信息化、三維可視化、智能化的智能管理平臺(tái)，設(shè)計(jì)包含第一視角漫游教室、溫濕度監(jiān)測(cè)、在線視頻監(jiān)控等全方位智能感知的安全教室。

1 ThingJS簡(jiǎn)介

ThingJS是一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)可視化PaaS[2]開發(fā)平臺(tái)，可以高效地輔助開發(fā)者集成3D可視化的界面。ThingJS是基于JavaScript語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)的在線開發(fā)平臺(tái)。它不僅可以針對(duì)單棟或多棟建筑組成的園區(qū)進(jìn)行場(chǎng)景可視化開發(fā)，當(dāng)搭載豐富插件后，它也可以針對(duì)城市級(jí)別的場(chǎng)景進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)。ThingJS可以應(yīng)用于數(shù)據(jù)控制中心、倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)、學(xué)校、醫(yī)院、消防等多種領(lǐng)域。

物聯(lián)網(wǎng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，其中3D界面的開發(fā)主要運(yùn)行在應(yīng)用層。ThingJS可以極大地降低3D界面開發(fā)的成本。

2 智慧教室的需求與設(shè)計(jì)

2.1 智慧教室的設(shè)計(jì)理念

智慧教室是一個(gè)教室動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)概念，其設(shè)計(jì)與建設(shè)和社會(huì)的整體信息科學(xué)技術(shù)水平密不可分。根據(jù)智慧教室的主要功能需求，智慧教室重點(diǎn)要突出“智慧”上面，教室需要采用各種先進(jìn)的軟硬件設(shè)備，對(duì)教室進(jìn)行智能化管理，實(shí)時(shí)可視化的檢測(cè)教室動(dòng)態(tài)。使老師和學(xué)生可以在一個(gè)舒適的環(huán)境中輕松的訪問(wèn)和獲取資源，同時(shí)也方便教室管理者清晰地了解教室情況[3]。

2.2 智慧教室的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）信息化

智慧教室應(yīng)與學(xué)校的教務(wù)管理系統(tǒng)、一卡通系統(tǒng)，以及學(xué)校的教學(xué)資源和校外的有用資源相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智慧教室與學(xué)校資源系統(tǒng)的對(duì)接[4]。達(dá)到信息共享和信息的互通互聯(lián)。

（2）三維可視化

教室管理者能清晰可視化的看到教室的使用情況，能遠(yuǎn)程查看并控制教室內(nèi)設(shè)備，對(duì)教室資源有一個(gè)充分的利用[5]。

（3）智能化

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)設(shè)備教室本地和控制中心的雙管理，遠(yuǎn)程、自動(dòng)化的控制有效成本降低管理成本；無(wú)線投射技術(shù)方便移動(dòng)終端等信息的交互，方便學(xué)習(xí)者的分享與交流。

2.3 智慧教室的開發(fā)流程設(shè)計(jì)

該智慧教室智能感知平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要分為五個(gè)部分。首先，由（模模搭）搭建工具對(duì)教室的場(chǎng)景進(jìn)行搭建，然后上傳至ThingJS平臺(tái)進(jìn)行在線開發(fā)，經(jīng)由STM32開發(fā)板采集所需要的數(shù)據(jù)信息后通過(guò)OneNET[6]物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)發(fā)，最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示。開發(fā)流程示意圖如圖1所示。

圖1 開發(fā)流程示意圖

3 智慧教室3D模型的實(shí)現(xiàn)

3.1 場(chǎng)景搭建

智慧教室的物理空間布局要在充分體現(xiàn)信息化、三維可視化、智能化的基礎(chǔ)下，對(duì)傳統(tǒng)教室里進(jìn)行改造。智慧教室基礎(chǔ)布局如圖2所示。教學(xué)設(shè)施布局：根據(jù)教研需求和教學(xué)安排，課堂要體現(xiàn)互動(dòng)交流性，桌子可擺成圓桌型，智慧教室在教室四面墻配有一個(gè)主屏幕（大尺寸觸控液晶屏）和三個(gè)輔屏幕；實(shí)現(xiàn)常態(tài)化錄播功能，自動(dòng)跟蹤教師行為，采用不同的攝像頭跟蹤錄播，自動(dòng)生成教學(xué)資源；實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別簽到或者記錄學(xué)生上課狀態(tài)（如抬頭率、舉手率），在智慧教室黑板上裝置高清攝像頭，生成行為數(shù)據(jù)[7]。

圖2 智慧教室2D硬件布局

本次設(shè)計(jì)的校園智能感知平臺(tái)就是通過(guò)Cam-Builder來(lái)搭建的。CamBuilder搭建的3D場(chǎng)景會(huì)自動(dòng)同步到ThingJS平臺(tái)，用戶可直接在ThingJS網(wǎng)站引用這些3D場(chǎng)景進(jìn)行基于Web的3D可視化應(yīng)用開發(fā)。這里根據(jù)教室實(shí)際所需構(gòu)建模型，圖3為教室3D可視化場(chǎng)景構(gòu)建效果圖。

圖3 教室3D可視化場(chǎng)景

此外，在場(chǎng)景搭建中，要對(duì)場(chǎng)景內(nèi)所用的到的物體進(jìn)行屬性設(shè)置，以便于下一步應(yīng)用的在線開發(fā)，例如，UserID、Name、是否預(yù)覽隱藏、是否預(yù)覽時(shí)可選、是否接收數(shù)據(jù)，等等。如圖4所示為課桌的屬性設(shè)置信息示例。

圖4 課桌的屬性設(shè)置信息示例

3.2 在線開發(fā)

場(chǎng)景搭建完成后，保存教室的場(chǎng)景實(shí)時(shí)同步到ThingJS平臺(tái)，通過(guò)其提供的API進(jìn)行開發(fā)。

當(dāng)啟動(dòng)ThingJS系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)app.create創(chuàng)建教室物體，加載搭建好的場(chǎng)景?！癮pp”作為ThingJS功能庫(kù)的入口，提供了該教室智能感知平臺(tái)的功能：

（1）地圖定位：通過(guò)app.addControl()添加小地圖控件；

（2）教室漫游：通過(guò)“第一人稱行走”控件，對(duì)其進(jìn)行交互模式控制，如前進(jìn)、后退、左右移動(dòng)、跳躍、碰撞檢測(cè)等；

（3）在線監(jiān)控：將視頻頁(yè)面作2D界面元素，通過(guò)快捷界面庫(kù)panel的iframe組件進(jìn)行添加。

3.3 數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)發(fā)

這里智慧教室的數(shù)據(jù)的采集由STM32開發(fā)板和DHT11溫濕度傳感器來(lái)完成[8]。STM32開發(fā)板是在含有Wi-Fi單元的基礎(chǔ)上封裝好的開源IoT開發(fā)板；DHT11是一個(gè)與8位單片機(jī)相連接，內(nèi)含電阻式感濕元件和NTC測(cè)溫元件的復(fù)合傳感器。為保證各個(gè)技術(shù)設(shè)施都能正常的進(jìn)行通信，智慧教室的所有功能都是搭建云端上的，智慧教室的感知數(shù)據(jù)傳輸、處理、使用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)功能，如圖5所示。

STM32采集DHT11溫濕度傳感器數(shù)值完成后，需要將其發(fā)送到云端的MQTT云服務(wù)。MQTT[9]協(xié)議是一個(gè)即時(shí)通信協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的消息單播以及組播。智慧教室智能感知平臺(tái)選擇的是支持該協(xié)議的中國(guó)移動(dòng)OneNET云平臺(tái)。由于采用的是STM32[10]加Wi-Fi的開發(fā)板，可以分配IPv6的地址，也方便過(guò)渡下一代互聯(lián)網(wǎng)。

圖5 網(wǎng)絡(luò)傳輸結(jié)構(gòu)圖

3.4 展示數(shù)據(jù)

該部分主要是通過(guò)CamBuilder搭建出的教室場(chǎng)景對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示。場(chǎng)景接入ThingJS功能庫(kù)后，將一系列傳感器所獲取的數(shù)據(jù)，通過(guò)“URL”將OneNET的數(shù)據(jù)展示在3D教室內(nèi)部。數(shù)據(jù)的主體為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所得的教室內(nèi)溫濕度，此外，還可以對(duì)該環(huán)境下的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。如圖6所示為教室內(nèi)溫濕度展示數(shù)據(jù)主面板。

圖6 展示數(shù)據(jù)主面板

同時(shí)還可以查看或開關(guān)智慧教室內(nèi)的監(jiān)控，可通過(guò)左上角打開關(guān)閉畫面。圖7為實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻畫面。

圖7 實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用物聯(lián)網(wǎng)萬(wàn)物互聯(lián)的理念，以JavaScript和Lua為基礎(chǔ)語(yǔ)言，以ThingJS和OneNET為物聯(lián)網(wǎng)PaaS開發(fā)平臺(tái)，通過(guò)Web3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)教室信息化、三維可視化、智能化的智能管理平臺(tái)，設(shè)計(jì)并成功實(shí)現(xiàn)了包含第一視角漫游教室、溫濕度監(jiān)測(cè)、在線視頻監(jiān)控等全方位智能感知的智慧教室系統(tǒng)。