陳中威，陳明芳，樊秋月，蘇江

（廣東科學技術職業(yè)學院，廣東珠海，519090）

0 引言

近年來，物聯(lián)網技術作為新一代信息技術的范疇，已然走入尋常百姓家，基于物聯(lián)網技術的智能家裝，基于物聯(lián)網技術的個人智能穿戴產品，基于物聯(lián)網技術的智慧交通以及基于物聯(lián)網技術的智慧城市建設處處可見。隨著國內各大高校教育理念的不斷創(chuàng)新和探索，教育領域越來越重視信息技術和傳統(tǒng)教室的深度融合，傳統(tǒng)教室及其設備逐漸向數字化、智能化、便捷化方向發(fā)展。而“能調節(jié)教室環(huán)境、多樣化的課堂交互，教室安全的智能化監(jiān)控，教學內容的立體化呈現(xiàn)和教學資源共享獲取”于一體的智慧教室成為一種必然趨勢，智慧教室的建設將會為學生提供更加舒適，科學、適景的學習氛圍，從而提高學習的質量和效率。

基于物聯(lián)網技術的智慧教室控制系統(tǒng)設計，將人與課室軟硬件設備、學習環(huán)境通過多樣化的網絡進行連接，實現(xiàn)物聯(lián)網技術的人人相連，人物相連和物物相連，通過智慧教室控制系統(tǒng)設計最終可以實現(xiàn)對教學全過程的精準把控和高效管理。智慧教室控制系統(tǒng)集課室多媒體設備的智能化管理、智能化的教室環(huán)境調節(jié)，智慧化的教學互動于一體，全方位支撐高校教學模式的改革和創(chuàng)新，讓枯燥的課堂，變得智能，高效、簡單、有趣。

1 智慧教室控制系統(tǒng)需求分析

需求分析是做好智慧教室控制系統(tǒng)設計的前提，而需求分析主要體現(xiàn)在教室的“智慧性”，即智能化教室環(huán)境管理、教學資源的一鍵獲取和整合、教學實時互動捕捉與管理、多樣化的教學內容呈現(xiàn)等。因此，在進行智慧教室控制系統(tǒng)設計時，應著重分析下述需求：

（1）教室環(huán)境的個性化。多項研究表明學生在自然舒適的環(huán)境下學習質量和效率會有很大的提升，智慧教室控制系統(tǒng)就是利用各種傳感器實時監(jiān)測教室環(huán)境，自動調節(jié)相關教學設備，為教師和學生打造出利于授課和學習的最佳環(huán)境，主要包括使人體舒適的溫濕度、光照度以及全身心融入的視聽覺感受等，目的就是讓師生能夠在最適宜的環(huán)境下高效開展教與學的相關活動。

（2）教學設備的智能化統(tǒng)一監(jiān)管。設計集操作和監(jiān)控為一體的教室設備智能化管理平臺，實現(xiàn)對教學中所用設備的智能互聯(lián)和遠程監(jiān)控。不但可以遠程查看教室設備運行情況，還可對課室內的計算機、投影儀、音響廣播等設備進行集中統(tǒng)一控制，從而將眾多設備實現(xiàn)有效的智能互聯(lián)，例如，可根據教室排課情況，自動設置計算機、投影和音響系統(tǒng)的自動開關機，另外根據課室溫度實時變化，遠程自動調節(jié)室內空調溫度，無需人工現(xiàn)場介入。

（3）課堂教學資源的錄制、整合和潛在價值的智能挖掘。高校教室傳感器設備的置入，如攝像頭的裝置，不僅讓教學過程在遠端清晰可見，還可監(jiān)控課堂學生學習狀態(tài)以及課室內的突發(fā)狀況。智慧教室控制系統(tǒng)必須滿足課堂授課的實時錄制和回放，從而打造開放，共享的線上教學資源，同時還可采集教學過程中的相關教、學、研的數據，并實現(xiàn)數據的智能化分析。智慧教室通過數據收集、數據分析、數據挖掘等功能，記錄和分析學生全過程的課堂行為表現(xiàn)，為教師精準分析學生學情、學業(yè)評價、教學效果提供技術支撐，滿足教、學、管各方的個性化需求。

（4）支持靈活多樣的學教互動。大學生不同于中小學生，一般都具備獨立思考和自主學習的能力，大學課堂不再是簡單地教師講授和學生學習，而是教師和學生，學生和學生之間交流互動的空間。智慧教室應提供教學互動及人機互動能力，支持多樣化教學互動模式，比如提供文本互動、答題語音互動、視頻互動等，這樣一來，可進一步激發(fā)高校的教育模式改革。

2 基于物聯(lián)網技術的智慧教室控制系統(tǒng)架構的總體設計

在智慧教室控制系統(tǒng)中，利用物聯(lián)網技術及STM32 單片機系統(tǒng)將傳統(tǒng)課室中教學軟硬件設備通過傳感器和各種網絡連接起來，實現(xiàn)設備的物物相連，智慧教室控制系統(tǒng)總體架構設計在物聯(lián)網典型的三層架構基礎之上，增加了控制層，以便于整個智慧教室的操控和管理?？傮w架構主要包括：系統(tǒng)感知層、系統(tǒng)網絡層、系統(tǒng)應用層和系統(tǒng)控制層，除此之外還包括系統(tǒng)的主控設備。系統(tǒng)總體架構設計如圖1 所示。

（1）感知層。感知層主要用來數據信息的采集。位于整個系統(tǒng)的最底層，主要是通過各種傳感器采集相關數據信息，如溫濕度傳感器、光照傳感器、RFID 芯片、攝像頭、報警器等，以上傳感器采集的信息可以為空調溫度控制、教室門窗智能控制、教室照明控制，異常報警控制等提供數據支撐。

（2）網絡層。網絡層用來傳遞感知層所采集的信息，可通過有線網絡、無線網絡、ZigBee 網絡提供的服務將采集的數據與應用層，感知層進行信息傳遞，此外還可以實現(xiàn)數據與系統(tǒng)設備控制器之間的數據交換，確保采集到的數據都能準確地處理和傳送。

（3）應用層。應用層是智慧教室面向用戶的核心部分，主要包括：空調管理、教室光照管理、門窗管理、多媒體設備管理、課室實時動態(tài)監(jiān)控、授課錄制、學生考勤、教學資源管理及教學互動等。應用層通過對感知層采集的數據進行存儲、傳輸、分析和挖掘，結合具體的教學場景，對課室相關設備進行智能化控制，以實現(xiàn)教學過程的精準監(jiān)控和高效管理。

（4）控制層?？刂茖又饕峭ㄟ^各種外設終端來進行智慧教室的操控，包括：電腦終端控制，手機專用APP 控制、小程序控制、平板電腦控制、多媒體控制等?？刂茖又荚谕ㄟ^不同的操控方式，實現(xiàn)智慧教室控制的簡單化，多樣化及高效化。

（5）主控設備。主控設備貫穿整個智慧教室控制系統(tǒng)設計，不僅是智慧教室的大腦，而且為智慧教室系統(tǒng)提供源源不斷的能量。MCU 模塊猶如系統(tǒng)的大腦，根據指令開啟相關設備的控制，MCU 模塊使用STM32F407 單片機芯片實現(xiàn)，整個系統(tǒng)的能量由交直流電提供并配備應急電源。供電電源電路設計原理圖如圖2 所示。其中單片機芯片工作電壓為3.3V，其余模塊工作電壓為5V，系統(tǒng)使用直流5V 2A 的電源適配器將交流電轉換成直流電，適配后的直流電接入到電源電路中，芯片所使用的電壓通過穩(wěn)壓元件AMS117-3.3 將5V 電壓轉換為3.3V。如果出現(xiàn)課室斷電情況，機房會立即啟動備用UPS 應急電源，將外部不可控因素對系統(tǒng)的影響降到最低。

圖2 電源電路原理圖

3 基于物聯(lián)網技術的智慧教室控制系統(tǒng)功能設計

■3.1 智慧教室內外部環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

基于傳感器采集的教室內外部環(huán)境數據，通過各種類型網絡傳輸及MCU 模塊的處理，通過物聯(lián)網統(tǒng)一管理平臺實現(xiàn)對教室內的溫濕度、燈光、門禁、攝像頭等設備的自動控制，從而確保教室內燈光，溫濕度、通風等達到一個適合學習的場所，為師生的教與學提供一個相對舒適的外部環(huán)境。教室內外部環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計實現(xiàn)框圖如圖3 所示。

圖3 教室內外部環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計實現(xiàn)框圖

3.1.1 空調及空氣凈化消毒控制功能

系統(tǒng)通過教室內安置的溫濕度傳感器，可實現(xiàn)固定時段的空調設備的自動開啟和關停，比如南方高校教室空調使用的時間一般自動設置為5 月至10 月，此外系統(tǒng)能根據檢測到的教室內外部溫度變化，自動升高或降低空調溫度，自動增大或降低風速，確保為師生工作與學習提供一個舒適的溫度環(huán)境。

新冠全球大流行下，高校作為人員密集場所，做好教學場所的消毒凈化工作必不可少，空氣凈化功能主要是通過課室內裝置的空氣質量探測設備，實時檢測教室內空氣質量，如PM2.5、二氧化碳含量等，然后系統(tǒng)根據事先設定的空氣參數自動開啟凈化空氣功能，此外在教室使用完畢后，系統(tǒng)自動啟用紫外線等消殺設備，清除有害細菌，確保教室內始終保持優(yōu)良的空氣指數。

3.1.2 光照強度控制功能

智慧教室可通過后臺設置相關參數，通過傳感器捕捉教室內光照強度，根據光照強弱通過MCU 模塊控制課室內優(yōu)先自動關閉或開啟一個或多個窗簾，從而實現(xiàn)室內自然光線的自動調節(jié)。系統(tǒng)一旦檢測到室內光照不足，會自動開啟日光燈裝置，此外還可根據學生落座密集情況，精準實現(xiàn)某一特定區(qū)域的照明調節(jié)，使燈光照明資源使用最大化，避免產生資源浪費。

3.1.3 門窗控制功能

系統(tǒng)能通過傳感器自動檢測教室門窗的開關狀態(tài)，并通過網絡將信息及時傳送給MQTT 服務器，服務器根據收到的信息，對設備發(fā)出相關指令操作，比如，關閉教室門窗或開啟教室門窗。門控開關電路設計原理圖如圖4 所示，門控開關GS 和門關閉GC 檢測分別由芯片STM32F407 控制，電阻R1、晶體管Q1、繼電器RL1 和二極管組成功放電路。門控開關的工作電壓為5V，芯片通過對GS 端的控制實現(xiàn)教室門的開啟和關閉，關門操作執(zhí)行后，芯片還可以通過GC 端檢測教室門是否完全閉合。為確保教室的安全，教室置入門禁系統(tǒng)，可通過IC 卡、指紋、密碼等多種方式進行開啟。當課室使用完畢，人去室空時教室自動進行監(jiān)控狀態(tài)，當有人蓄意非法破壞教室門窗時，系統(tǒng)后臺會發(fā)出蜂鳴報警，提示管理人員及時查看教室情況，確保非法闖入不被允許。

圖4 門控開關電路原理圖

■3.2 智慧教室多媒體設備智能控制系統(tǒng)

多媒體設備是教師教學的核心設備，通過設計多媒體智能控制系統(tǒng)，能夠協(xié)助課室管理員課前自動開啟設備和課后自動關閉設備，一方面省去了教師開關設備的繁瑣，另一方面大幅提升管理員的工作效率，此外，電腦、投影、話筒等設備可以實現(xiàn)相互連接，設備的運行狀態(tài)可以及時記錄，設備的報障可以一鍵發(fā)起，日常的設備維護也可記錄在案。

3.2.1 教學設備的智能控制

通過STM32 單片機模塊對教室內的電腦、投影儀、音響、話筒等設備進行集中統(tǒng)一控制。教師和課室管理員可以通過現(xiàn)場一鍵開啟或關閉相關設備，也可以遠程登錄課室管理APP 實現(xiàn)，減少教師課前不必要的時間等待，確保教師到課室，設備即運行。授課結束后，教師可以通過觸摸屏一鍵關閉所有設備，系統(tǒng)也可設定時間，在人去室空時，自動關閉相關設備，一方面可以節(jié)約資源，另一方面也可以省去管理員“掃樓”管設備的艱辛。

3.2.2 教學設備運行狀況控制

系統(tǒng)后臺能實時掌握各課室教學設備的運行狀況，比如投影儀清晰度，音響的音量，設備的啟停等，避免管理員無謂的現(xiàn)場維護。系統(tǒng)還可以將設備每日的運行狀況記錄在案，形成基礎數據庫，方便管理員的高效管理，比如可以通過系統(tǒng)后臺查詢或導出設備的開啟、關閉時間，設備的利用效率等，也可生成多種形式的報表，方便管理人員向上級匯報工作，課室的管理效率得到了極大的提升。

3.2.3 教學設備的智能互聯(lián)

系統(tǒng)可以實現(xiàn)課表和教室相關設備的自動聯(lián)動，在教師上課前，自動開啟教學所用的相關設備，對于授課中常用的網址鏈接，教學輔助系統(tǒng)也可一鍵開啟，為教師提供貼心舒心的服務，不但節(jié)省了教師和學生的時間，還大大降低系統(tǒng)誤操作所帶來的問題，提升教學的實施效果。課后，系統(tǒng)會自動檢測課室內狀況，確保人去室空后，自動關閉教學設備，避免教學資源的浪費，提升了設備利用率。當有教師需要錄制課程授課時，課室內的攝像頭根據學生落座情況和教師授課活動空間等自動調整到合適角度，確保開展高清去噪的課程授課錄制，錄制結束后，及時保存文件到后臺服務器，為確保視頻文件的高可用性，在視頻錄制完成后，可自動進行異地備份，大幅提升視頻文件的容災能力。

3.2.4 設備遠程報修與維護功能

教學設備的故障問題繞不開，躲不過，在授課過程中一旦出現(xiàn)設備故障，授課教師可通過一鍵對話功能將故障上報，系統(tǒng)可自動捕捉設備故障詳細信息，包括故障教室，故障具體內容，故障時間，報修教師、報修時間等，然后系統(tǒng)會通過微信、郵件等形式發(fā)送報障提醒至課室維修人員。維護人員可遠程調用室內攝像頭查看故障現(xiàn)場情況，第一時間進行設備排障，如遠程檢測電腦操作系統(tǒng)，遠程打系統(tǒng)補丁，遠程測試設備的開啟和關閉以及遠程進行軟件的下載和安裝等。

■3.3 教學管理控制系統(tǒng)

教學管理控制系統(tǒng)可以通過調用課室安置的攝像頭，實時捕捉教師授課情況和學生聽課狀態(tài)，教學管理系統(tǒng)還配備智能考勤助手，方便教師在移動端查看學生到課情況。教師日常授課借助攝像頭可錄制豐富教學資源庫，一方面方便教師對課堂授課進行復盤，另一方面為學生提供課程回看功能，加深學生對知識的理解。教學管理控制系統(tǒng)實現(xiàn)框圖如圖5 所示。

圖5 教學管理控制系統(tǒng)實現(xiàn)框圖

3.3.1 課堂考勤系統(tǒng)

課堂考勤系統(tǒng)主要有考勤APP、人臉識別和藍牙定位三部分組成，課前學生需開啟智能手機的藍牙功能，確保學生在正確的時間和正確的地點進行考勤簽到，在簽到的同時需要學生進行人臉識別驗證，確認簽到是否為本人所操作，如果簽到過程中因為網絡不暢，或其他原因導致簽到不成功的情況，學生可以申請讓授課教師進行調整，這樣通過考勤系統(tǒng)將得到準確的課堂考勤數據，便于教師對學生平時出勤成績的評定。

3.3.2 視頻錄播控制系統(tǒng)

視頻錄播系統(tǒng)通過課室內置攝像頭，音響話筒及MCU處理模板等將教師日常授課情況錄制成冊，可以是實時的全部錄制，也可以是部分錄制。對于部分優(yōu)秀教師的公開授課可通過網絡實現(xiàn)多平臺同步直播，方便學生多平臺獲取知識。視頻錄播系統(tǒng)的引入為高校教學質量管理開展教學督導和教學評價提供了便利。

3.3.3 教學資源管理

授課教師可以通過資源管理模塊上傳電子課件、教學日歷，教案、視頻微課、實訓指導書等多樣化的教學材料和資源，以課程為中心，并以樹型結構的形式展現(xiàn)教學資源，方便學生查找相關資源。對于課程學習內容，教師可自定義發(fā)布對象，接收知識內容的班級人群等。另外還可以根據學生自學課程資源情況，及時調整課程進度和授課的方式方法。對于之前課堂錄制的授課視頻，微課等，可以同步至教學資源管理系統(tǒng)，這樣一來，可以為學生提供課外隨時觀看，反復觀看的途徑。

3.3.4 教學互動管理

教學互動是圍繞課程來展開，針對課程，可以提供多樣化的教學互動功能，比如課堂在線討論、問題答疑、視頻互動、文字評論，在線作業(yè)及考試等，充分凸顯教學互動在教學過程的作用。另外，每個多媒體課室還配備觸摸交互式投影屏，學生通過掃碼等手段，將手機終端和觸摸投影屏相連，即時實現(xiàn)手機小屏與投影大屏的互動連接，最重要的可以實現(xiàn)教學資源的一鍵共享和使用。

4 結束語

在普通的智慧教室控制系統(tǒng)設計中，設計人員一般將設備的智能化控制作為重點，而對人機交互和數據分析挖掘考慮不足，而基于物聯(lián)網技術的智慧教室控制系統(tǒng)設計通過引入最新的物聯(lián)網技術和STM32 單片機系統(tǒng)，使課室的軟硬件資源得到了極大的整合，實現(xiàn)了課室的智能化控制：比如通過各種傳感器為教學創(chuàng)造個性化的物理環(huán)境，實現(xiàn)教室多媒體設備的集中統(tǒng)一控制，為教學資源管理和教學互動提供有力支撐，助力教師打破原有傳統(tǒng)教學模式，變革和創(chuàng)新教學教法，學習方式。

隨著需求的不斷變化和新技術的快速發(fā)展，智慧教室控制系統(tǒng)下一步設計將會引入大數據分析技術及區(qū)塊鏈技術，通過大數據技術可以將教室設備的使用情況進行量化管理，比如可以統(tǒng)計設備使用率和故障率、課室使用率等，此外。諸如學生回答問題的次數，教師與學生互動的頻次等都可以通過大數據技術進行捕捉，收集相關數據并分析后，可以生成各種類型的數據報表，比如餅狀圖，柱狀圖，為管理層的相關決策提供數據支撐。區(qū)塊鏈技術的引進主要是確保整個系統(tǒng)的安全可靠性，打破原有中心化的系統(tǒng)，使智慧教室各個節(jié)點都能保存和記憶完整數據，大幅提升了智慧教室控制系統(tǒng)的高可用性。新技術的發(fā)展進步必然會促使智慧教室控制系統(tǒng)的改進，為了更好地服務師生，服務教學，更加智能化，自動化的教室將會不斷涌現(xiàn)。