一、系統(tǒng)概述
1.1 智慧教室建設(shè)背景
在學(xué)校，課堂教學(xué)環(huán)節(jié)是學(xué)生接受系統(tǒng)教育最重要的一環(huán)，做好教學(xué)互動(dòng)環(huán)節(jié)，是掌握好教學(xué)環(huán)節(jié)的質(zhì)量，提高教學(xué)水平的關(guān)鍵?，F(xiàn)行的教學(xué)過(guò)程中，傳統(tǒng)的簽到環(huán)節(jié)、疑問(wèn)確認(rèn)環(huán)節(jié)、提問(wèn)互動(dòng)環(huán)節(jié)、課堂小測(cè)試環(huán)節(jié)存在諸多問(wèn)題。簽到過(guò)程中，使用紙張簽到，效率低且存在代簽現(xiàn)象，結(jié)果不便于教師統(tǒng)計(jì);提問(wèn)互動(dòng)環(huán)節(jié)和課堂小測(cè)試的環(huán)節(jié)中，教師給出簡(jiǎn)單選擇后，學(xué)生舉手或者口頭回答，不能獲得準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，教師只能根據(jù)大體情況來(lái)判斷是否進(jìn)行教學(xué)，沒(méi)有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，更不能考慮后期的數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作。傳統(tǒng)的教學(xué)方式已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代化教學(xué)的需要，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集智慧教學(xué)、人員考勤、資產(chǎn)管理、環(huán)境智慧調(diào)節(jié)、視頻監(jiān)控及遠(yuǎn)程控制于一體的新型現(xiàn)代化智慧教室系統(tǒng)在逐步的推廣運(yùn)用。智慧教室作為一種新型的教育形式和現(xiàn)代化教學(xué)手段，給教育行業(yè)帶來(lái)了新的機(jī)遇。
1.2 智慧教室主要用途
智慧教室設(shè)備能夠體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的三個(gè)層次(應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層)，運(yùn)用傳感器、射頻識(shí)別(RFID)等技術(shù)，使信息傳感設(shè)備實(shí)時(shí)感知任何需要的信息，按照約定的協(xié)議，通過(guò)可能的網(wǎng)絡(luò)(如基于WIFI的無(wú)線局域網(wǎng)、移動(dòng)通信、電信網(wǎng)等)接入方式，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的泛在鏈接，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的智慧化識(shí)別、跟蹤、監(jiān)控和管理。 同時(shí)，智慧教室還能滿足學(xué)校物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專業(yè)開(kāi)設(shè)的物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論、傳感器原理及應(yīng)用、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用、RFID技術(shù)及應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)工程及應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)與中間件技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)等課程的實(shí)踐實(shí)訓(xùn)教學(xué)需要，并為學(xué)生或教師的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用項(xiàng)目開(kāi)發(fā)提供平臺(tái)。
使學(xué)生通過(guò)智慧教室實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)理論、物理信息系統(tǒng)標(biāo)識(shí)與感知、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)和數(shù)據(jù)分析與信息處理技術(shù)等知識(shí)，具備通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)等信息領(lǐng)域?qū)拸V專業(yè)知識(shí)，具備一定的工程應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、實(shí)踐能力和科學(xué)研究能力。
二、智慧教室實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方案
智慧教室以物聯(lián)網(wǎng)工程信息平臺(tái)為基礎(chǔ)，以光載無(wú)線交換機(jī)為核心，構(gòu)建WiFi無(wú)線局域網(wǎng)，覆蓋智慧教室，加上教室的有線網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)路由器，從而建立融合有線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線局域網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵部分——網(wǎng)絡(luò)層，各種傳感器件通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)模塊WiFi設(shè)備服務(wù)器(串口通信RS232轉(zhuǎn)WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò))無(wú)線接入物聯(lián)網(wǎng)工程信息平臺(tái)，構(gòu)成全面涵蓋物聯(lián)網(wǎng)三個(gè)層次的一個(gè)統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。同時(shí)，其它內(nèi)置WiFi模塊的各種手持設(shè)備(筆記本電腦、手機(jī)等)也能無(wú)線接入該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，成為物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的一部分;師生教學(xué)、科研實(shí)踐開(kāi)發(fā)的其它感知模塊，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)的WiFi設(shè)備服務(wù)器連接，也能輕易接入該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成測(cè)試、驗(yàn)證。
2.1 光載無(wú)線交換機(jī)及其分布式天線系統(tǒng)
光載無(wú)線交換機(jī)及其配套設(shè)備遠(yuǎn)端射頻單元為廣州飛瑞敖電子科技有限公司的核心產(chǎn)品，用于實(shí)現(xiàn)WiFi無(wú)線射頻信號(hào)的遠(yuǎn)距離、大范圍的光纖分布，是物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)分布的主要分布方式。
光載無(wú)線交換機(jī)安裝在智慧教室的網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜里，與原本有線布線的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接，接入學(xué)校計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。光載無(wú)線交換機(jī)內(nèi)置2個(gè)WiFi接入點(diǎn)(AP)(所有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議處理、基帶數(shù)據(jù)處理、射頻信號(hào)處理都集中在光載無(wú)線交換機(jī)內(nèi))，通過(guò)模擬光纖鏈路將WiFi射頻信號(hào)分布到智慧教室內(nèi)，完成智慧教室的WiFi無(wú)線覆蓋，將實(shí)驗(yàn)設(shè)備和各類WiFi終端接入統(tǒng)一的WiFi無(wú)線局域網(wǎng)，構(gòu)成整體物聯(lián)網(wǎng)工程平臺(tái)。
2.2 物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)服務(wù)器
為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的統(tǒng)一管理、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)設(shè)備等管控、以及開(kāi)展功能復(fù)雜的綜合設(shè)計(jì)和科研項(xiàng)目，在智慧教室的網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜里配置一臺(tái)服務(wù)器。
該服務(wù)器安裝系統(tǒng)軟件，及物聯(lián)網(wǎng)工程實(shí)驗(yàn)的服務(wù)器端軟件，提供本地、或遠(yuǎn)程訪問(wèn)服務(wù)，并實(shí)施對(duì)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的監(jiān)控和設(shè)備管理。
三、智慧教室系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案述
智慧教室基于光載無(wú)線交換機(jī)為核心，建成一個(gè)綜合型的物聯(lián)網(wǎng)共享平臺(tái)，所有的設(shè)備系統(tǒng)均可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)模塊WiFi設(shè)備服務(wù)器無(wú)線接入物聯(lián)網(wǎng)工程信息平臺(tái)，通過(guò)服務(wù)器的系統(tǒng)軟件統(tǒng)一管理前端系統(tǒng)設(shè)備;同時(shí)，我們提供教室智慧系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理圖，開(kāi)放足夠多的端口和豐富、完善的接口函數(shù)以及二次開(kāi)發(fā)包，為教師、學(xué)生提供了一個(gè)開(kāi)放的環(huán)境平臺(tái)去學(xué)習(xí)和研究。
下圖1是智慧教室總體框圖：
圖1 智慧教室總體框圖
該實(shí)驗(yàn)室建成一個(gè)綜合型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，用于學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究，以及教師開(kāi)展科學(xué)研究。首先通過(guò)讀取人員考勤系統(tǒng)中數(shù)據(jù)來(lái)判斷教室內(nèi)是否有人員，如果教室內(nèi)無(wú)人，則教室內(nèi)所有系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài);反之，則處于工作狀態(tài)。 智慧教室包括以下幾個(gè)系統(tǒng)：
3.1教學(xué)系統(tǒng)
教學(xué)系統(tǒng)由內(nèi)置電子白板功能的觸控投影機(jī)一體機(jī)、功放、音箱、無(wú)線麥克、拾音器、問(wèn)答器和配套控制軟件構(gòu)成。
使用內(nèi)置電子白板功能的觸控投影機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的黑板教學(xué)，實(shí)現(xiàn)無(wú)塵教學(xué)，保護(hù)師生的健康，可在投影畫(huà)面上可以操作電腦，在每個(gè)桌位上配置問(wèn)答器，實(shí)現(xiàn)師生交互式課堂教學(xué)。
3.2 LED顯示系統(tǒng)
LED顯示系統(tǒng)由LED面板拼接而成，安裝在教室黑板頂部，用于顯示正在上課的課程名稱、專業(yè)班級(jí)、任課教師、到課率、和教室內(nèi)各傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)(室內(nèi)溫濕度、光照度、二氧化碳濃度等)。
3.3人員考勤系統(tǒng)
人員考勤系統(tǒng)由RFID考勤機(jī)、考勤卡和配套控制軟件構(gòu)成。
在教室前后門(mén)各安裝一個(gè)RFID考勤機(jī)，采用RFID標(biāo)簽(校園一卡通)對(duì)學(xué)生進(jìn)行考勤統(tǒng)計(jì)，對(duì)進(jìn)入教室的人員進(jìn)行身份識(shí)別，對(duì)合法用戶進(jìn)行考勤統(tǒng)計(jì)，對(duì)非法用戶進(jìn)行告警。同時(shí)可通過(guò)WiFi無(wú)線覆蓋，在遠(yuǎn)程對(duì)考勤情況的監(jiān)控，統(tǒng)計(jì)以及存檔打印等。
3.4資產(chǎn)管理系統(tǒng)
資產(chǎn)管理系統(tǒng)由特高頻RFID讀卡器、紙質(zhì)標(biāo)簽、抗金屬標(biāo)簽和配套控制軟件構(gòu)成。
在教室前后門(mén)各安裝一個(gè)特高頻讀卡器，對(duì)教室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備等資產(chǎn)(貼有RFID標(biāo)簽，標(biāo)簽上存儲(chǔ)有設(shè)備的詳細(xì)信息)進(jìn)行出入教室的監(jiān)控與管理，對(duì)未授權(quán)用戶把教室內(nèi)資產(chǎn)帶出教室進(jìn)行告警，方便設(shè)備管理人員對(duì)教室設(shè)備的統(tǒng)一管理。
3.5燈光控制系統(tǒng)
燈光控制系統(tǒng)由燈光控制器、光照傳感器、人體傳感器、窗簾控制系統(tǒng)和配套控制軟件構(gòu)成。
首先通過(guò)人體傳感器來(lái)判斷教室內(nèi)對(duì)應(yīng)位置是否有人，此位置無(wú)人，則燈光控制系統(tǒng)及窗簾控制系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài);反之，處于工作狀態(tài)。
1：窗簾控制系統(tǒng)：通過(guò)采集安裝在窗戶的光照傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)軟件預(yù)設(shè)門(mén)限值，以窗簾自動(dòng)開(kāi)、關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)教室內(nèi)光照強(qiáng)度的補(bǔ)償;
2：燈光控制系統(tǒng)：采集安裝在教室內(nèi)的光照傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)分析數(shù)據(jù)，根據(jù)軟件預(yù)設(shè)值，來(lái)控制教室內(nèi)燈光的自動(dòng)開(kāi)啟與關(guān)閉，并可調(diào)節(jié)燈光的亮度，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)燈光的智能控制與節(jié)能減排。
3.6空調(diào)控制系統(tǒng)
空調(diào)控制系統(tǒng)由中央空調(diào)電源控制器、溫濕度傳感器和配套控制軟件構(gòu)成。
通過(guò)溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度，通過(guò)分析數(shù)據(jù)，根據(jù)軟件預(yù)設(shè)值，當(dāng)室內(nèi)溫濕度高于最高門(mén)限值時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟空調(diào)。當(dāng)室內(nèi)溫濕度低于最底門(mén)限值時(shí)自動(dòng)關(guān)閉空調(diào)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫濕度的自動(dòng)控制。
3.7門(mén)窗監(jiān)視系統(tǒng)
門(mén)窗監(jiān)視系統(tǒng)由窗戶門(mén)磁模塊及配套軟件組成。
窗戶門(mén)磁模塊用于檢測(cè)門(mén)和窗戶的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并將狀態(tài)信息及時(shí)上傳至服務(wù)器。同時(shí)設(shè)置敏感時(shí)段，實(shí)施對(duì)窗戶的自動(dòng)監(jiān)視和報(bào)警。
3.8通風(fēng)換氣系統(tǒng)
通風(fēng)換氣系統(tǒng)由抽風(fēng)機(jī)、CO2傳感器和配套監(jiān)控軟件構(gòu)成。
通過(guò)CO2傳感器監(jiān)測(cè)室內(nèi)的CO2濃度，通過(guò)分析數(shù)據(jù)，根據(jù)軟件預(yù)設(shè)值，當(dāng)室內(nèi)CO2濃度高于軟件門(mén)限值時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟抽風(fēng)機(jī)來(lái)進(jìn)行換氣，通過(guò)補(bǔ)充室外空氣來(lái)降低室內(nèi)CO2的濃度。
3.9視頻監(jiān)控系統(tǒng)
視頻監(jiān)控系統(tǒng)由WiFi無(wú)線攝像頭和配套監(jiān)控軟件構(gòu)成。
視頻監(jiān)控可為安防系統(tǒng)、資產(chǎn)出入庫(kù)、人員出入情況提供查詢依據(jù)。
在教室前后門(mén)口各安裝一個(gè)WiFi無(wú)線攝像頭監(jiān)控人員出入和資產(chǎn)的出入庫(kù)情況，在教室內(nèi)安裝一個(gè)WiFi無(wú)線攝像頭監(jiān)控教室內(nèi)部實(shí)時(shí)情況，所采集的影像經(jīng)由遠(yuǎn)端射頻單元傳送至終端管理電腦，提供實(shí)時(shí)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。
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