黃寒燕

（江西財(cái)經(jīng)大學(xué)，江西 南昌 330013）

1 引言

教室是課堂教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的主要場(chǎng)所之一，創(chuàng)造一個(gè)良好的科學(xué)育人的環(huán)境可以極大地提高學(xué)生受教育的水平。在現(xiàn)代教育方式中，越來(lái)越多的先進(jìn)技術(shù)被用于課堂環(huán)境中，如：無(wú)塵教學(xué)系統(tǒng)、溫濕度感應(yīng)系統(tǒng)、燈光控制系統(tǒng)、學(xué)生管理系統(tǒng)等。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳感網(wǎng)絡(luò)、射頻識(shí)別、移動(dòng)通信、中間件技術(shù)等深度融入教室，構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室，讓課堂教學(xué)更加高效，并能夠打破傳統(tǒng)“填鴨”教育方式，豐富學(xué)生學(xué)習(xí)生活，開(kāi)發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考和自主學(xué)習(xí)的能力。

2 智慧教室概念

智慧教室誕生于現(xiàn)代教育思想改革與科學(xué)技術(shù)革新的時(shí)代背景下，以更貼近互動(dòng)式教學(xué)、現(xiàn)代化教學(xué)和智能化課堂管理為目標(biāo)，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)等實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，輔助課堂教學(xué)[1]。智慧教室是科學(xué)技術(shù)與課堂教育深度融合，通過(guò)對(duì)教學(xué)環(huán)境外部條件的優(yōu)化進(jìn)行課堂教學(xué)創(chuàng)新，增強(qiáng)人與物、人與人之間的互動(dòng)，提升課堂教學(xué)質(zhì)量。智慧教室的構(gòu)成按照實(shí)施環(huán)境可分為硬件部分和軟件部分，硬件部分包括傳感器、監(jiān)視器、RFID讀寫(xiě)器、網(wǎng)絡(luò)適配器等物聯(lián)網(wǎng)搭建的基礎(chǔ)設(shè)備；軟件部分是基于通信技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)搭建的滿足現(xiàn)代化教學(xué)需求的應(yīng)用平臺(tái)，整合教室資源進(jìn)行一體化管理[2]。智慧教室的設(shè)計(jì)按照系統(tǒng)功能可分為教學(xué)一體化系統(tǒng)、空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、燈光自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、資產(chǎn)管理系統(tǒng)等[3]。

3 智慧教室架構(gòu)設(shè)計(jì)

智慧教室將可利用智能化教學(xué)設(shè)備進(jìn)行物理搭建，并通過(guò)軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)物物互聯(lián)，其架構(gòu)層次可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個(gè)部分。搭建智慧教室應(yīng)用場(chǎng)景，其整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 智慧教室三層架構(gòu)

感知層是利用傳感器、攝像頭、RFID、電子標(biāo)簽等感知設(shè)備對(duì)教室空間的環(huán)境信息進(jìn)行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總與加工，利用網(wǎng)絡(luò)層傳送給應(yīng)用層進(jìn)行應(yīng)用。感知層是由多個(gè)信息采集節(jié)點(diǎn)以星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)搭建，各節(jié)點(diǎn)根據(jù)采集設(shè)備功能采集教室信息，如：溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)采集教室溫度和濕度、亮度傳感器采集教室亮度、網(wǎng)絡(luò)攝像頭采集教室視頻、RFID 傳感器接收學(xué)生考勤和移動(dòng)偵測(cè)學(xué)生活動(dòng)、電子標(biāo)簽記錄學(xué)生信息/考試信息等。

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)教室教學(xué)與管理的數(shù)據(jù)傳遞與處理，一方面處理教室教學(xué)過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，另一方面通過(guò)校園網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行教室內(nèi)外部信息的交換。利用光載無(wú)線交換機(jī)構(gòu)建智慧教室無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合交換機(jī)和路由器將教室內(nèi)各種硬件設(shè)施進(jìn)行組網(wǎng)連接，形成人機(jī)交流的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智慧教室信息的互聯(lián)互通與教學(xué)設(shè)備的智能控制[4]。網(wǎng)絡(luò)層可采用的通信組網(wǎng)技術(shù)包括CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線、RS-485 總線、以太網(wǎng)、Zig-Bee 無(wú)線技術(shù)、WIFI 無(wú)線技術(shù)、5G 網(wǎng)絡(luò)等，將有線網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，滿足智慧教室的通信需求。

應(yīng)用層是將網(wǎng)絡(luò)層傳遞來(lái)的感知層數(shù)據(jù)進(jìn)行加工應(yīng)用，通過(guò)教學(xué)系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)智慧教室管理。教師與學(xué)生可以通過(guò)電腦、手機(jī)等設(shè)備連接到應(yīng)用層進(jìn)行智慧教室的應(yīng)用，構(gòu)建成一個(gè)完整的智能教學(xué)生態(tài)系統(tǒng)，輔助教師教學(xué)、學(xué)生學(xué)習(xí)和教室的智能化管理。

4 智慧教室物理環(huán)境設(shè)計(jì)

4.1 物理環(huán)境搭建

智慧教室物理環(huán)境是以電子教學(xué)設(shè)備、管理設(shè)備自動(dòng)化控制為目的建立的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，能夠?qū)⒍嗝襟w教學(xué)設(shè)備、教室照明設(shè)備、空調(diào)、音響、門(mén)禁等統(tǒng)一管理，并實(shí)現(xiàn)自主感應(yīng)控制。首先利用獨(dú)立CAN控制器對(duì)智慧教室物理環(huán)境進(jìn)行綜合布線，將教室中的電子、電氣設(shè)備設(shè)立統(tǒng)一的、唯一的標(biāo)識(shí)編碼，設(shè)立獨(dú)立的控制節(jié)點(diǎn)，由智能網(wǎng)關(guān)發(fā)送指令進(jìn)行控制，可按照?qǐng)?bào)文標(biāo)識(shí)符設(shè)置節(jié)點(diǎn)信息傳送的優(yōu)先級(jí)，CAN總線進(jìn)行各節(jié)點(diǎn)之間的信息通信交互，用戶可通過(guò)終端設(shè)備連接智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行設(shè)備的設(shè)置與管理[5]。智慧教室物理環(huán)境如圖2所示。

圖2 智慧教室物理環(huán)境

智能教室硬件環(huán)境的控制可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)本地或異地管理，用戶通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接智能網(wǎng)關(guān)，操控控制平臺(tái)，進(jìn)行智慧教室設(shè)備的管理。加設(shè)防火墻和使用節(jié)點(diǎn)虛擬專用網(wǎng)絡(luò)VPN設(shè)備，保證智慧教室設(shè)備使用的安全。

4.2 物聯(lián)環(huán)境控制

智慧教室的采集系統(tǒng)是由溫濕度傳感器、光照感應(yīng)器、煙霧傳感器、紅外傳感器等構(gòu)成，傳感器聯(lián)動(dòng)教室控制設(shè)備，如溫濕度傳感器連接中央空調(diào)、光照傳感器連接燈光照明和窗簾、煙霧傳感器連接消防、紅外傳感器連接攝像頭等[6]。各類傳感器根據(jù)設(shè)置的教室環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)教室環(huán)境高于或者低于傳感器設(shè)置的感應(yīng)范圍則自動(dòng)反饋中央控制系統(tǒng)對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行開(kāi)關(guān)或者調(diào)解決策，實(shí)現(xiàn)智慧教室物理環(huán)境的智能化管理。各類傳感器節(jié)點(diǎn)的布置采用ZigBee 技術(shù)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)管理，對(duì)所覆蓋范圍的傳感對(duì)象進(jìn)行監(jiān)控[7]，采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隨著智慧教室的電氣設(shè)備越來(lái)越豐富，采用個(gè)體節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)多節(jié)點(diǎn)聯(lián)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行管理，其中個(gè)體節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)控制單個(gè)傳感器設(shè)備，匯聚節(jié)點(diǎn)聚集同類傳感器采集信息，控制節(jié)點(diǎn)對(duì)匯聚節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行處理上傳到外部網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)控制節(jié)點(diǎn)也可以接收外部指令下發(fā)給各個(gè)體節(jié)點(diǎn)進(jìn)行個(gè)體電氣設(shè)備的獨(dú)立控制。

5 智慧教室軟件環(huán)境設(shè)計(jì)

智慧教室軟件環(huán)境是由多個(gè)獨(dú)立的硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)教室的管理，主要包括：智能教學(xué)系統(tǒng)、教室環(huán)境管理系統(tǒng)、學(xué)生管理系統(tǒng)等[8]。針對(duì)不同開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建的硬件系統(tǒng)需要獨(dú)立應(yīng)用與維護(hù)，存在軟硬件供應(yīng)體系不同管理難度大、維護(hù)成本高等問(wèn)題，因此設(shè)計(jì)基于云計(jì)算跨平臺(tái)的智慧教室軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智慧教室一體化管理。

5.1 關(guān)鍵技術(shù)

智慧教室軟件環(huán)境涉及關(guān)鍵技術(shù)主要有虛擬化技術(shù)、云存儲(chǔ)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和云安全技術(shù)等。為了實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)與底層物理設(shè)備分離，采用虛擬化技術(shù)建立資源池，按照用戶類型分配系統(tǒng)應(yīng)用功能[9]。首先使用VMware 技術(shù)和Hyper-V技術(shù)將智能教室物理環(huán)境設(shè)備與數(shù)據(jù)中心服務(wù)器進(jìn)行資源整合，由虛擬機(jī)對(duì)資源進(jìn)行集中管理與控制，根據(jù)用戶權(quán)限開(kāi)啟對(duì)應(yīng)智慧教室功能，如：教師可開(kāi)啟智能教學(xué)系統(tǒng)具有針對(duì)性地進(jìn)行教學(xué)互動(dòng)和課堂診斷，學(xué)生則可開(kāi)啟智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)選擇名師視頻輔導(dǎo)、課堂隨機(jī)測(cè)試；其次，采用云存儲(chǔ)技術(shù)對(duì)課堂產(chǎn)生的活動(dòng)信息進(jìn)行邏輯存儲(chǔ)，并通過(guò)TPC進(jìn)行存儲(chǔ)資源的調(diào)配和統(tǒng)一管理；最后，采用VSwitch虛擬網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)虛擬化，實(shí)現(xiàn)用戶桌面與主機(jī)分離，直接在云端進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用，保證云數(shù)據(jù)中心的安全[10]。

5.2 軟件平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

智慧教室軟件系統(tǒng)基于云服務(wù)搭建應(yīng)用服務(wù)層（SaaS）、中間件層（PaaS）和基礎(chǔ)設(shè)施層（IaaS）[11]。SaaS層為用戶提供教學(xué)、空調(diào)、照明、通風(fēng)、考勤、監(jiān)控等可視化操作系統(tǒng)；PaaS層進(jìn)行用戶管理、數(shù)據(jù)管理、資源管理、安全管理、認(rèn)證管理和接口管理等；IaaS 層提供服務(wù)器資源、網(wǎng)絡(luò)資源、計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、算法資源、應(yīng)用軟件等，軟件平臺(tái)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 軟件平臺(tái)架構(gòu)

SaaS 層為用戶使用終端設(shè)備控制和使用智慧教室的電氣設(shè)備和系統(tǒng)提供友好界面；PaaS層將對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行維護(hù)與升級(jí)，進(jìn)行系統(tǒng)用戶的管理與控制；IaaS 層對(duì)分散的智慧教室硬件資源進(jìn)行整合，通過(guò)虛擬化資源池為用戶提供底層資源。

6 結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算是未來(lái)智慧教室建設(shè)與推廣的兩大技術(shù)支撐體系，將二者有效地與數(shù)字化教學(xué)資源相結(jié)合，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將教室內(nèi)的電氣設(shè)備聯(lián)網(wǎng)自主控制，利用云計(jì)算實(shí)現(xiàn)異構(gòu)資源的統(tǒng)一管理與應(yīng)用，形成人與物、物與物之間的無(wú)障礙互通，可以讓課堂教學(xué)更加便利與舒適，具有廣泛的應(yīng)用前景。