王 琴， 鄭 敏

(太原理工大學(xué)信息化管理與建設(shè)中心，山西太原 030024)

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，各高校將多媒體教學(xué)建設(shè)作為教育信息化進程的重要環(huán)節(jié)，大力建設(shè)網(wǎng)絡(luò)化的多媒體教室，進一步改善教學(xué)環(huán)境，普及多媒體教學(xué)，從而提高教學(xué)質(zhì)量，促進教育改革和發(fā)展，然而，目前國內(nèi)許多高校都有多個相距較遠的分校區(qū)，學(xué)校的多媒體教室就分布在各校區(qū)的不同的教學(xué)點，且教學(xué)設(shè)備型號各異，操作繁瑣，對教師要求高，課堂設(shè)備故障率高，管理人員工作強度大，技術(shù)人員無法直接快速了解故障情況，使得課堂多媒體教學(xué)設(shè)備故障得不到及時處理，嚴(yán)重影響學(xué)校的現(xiàn)代化教學(xué)質(zhì)量。如何集中管理好多個校區(qū)的多媒體教室成為了擺在現(xiàn)代教育工作者面前一個急待解決的難題。

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速的發(fā)展，為其在智能領(lǐng)域的應(yīng)用打開了廣闊的前景，物聯(lián)網(wǎng)較早應(yīng)用于智慧交通、智慧物流等領(lǐng)域［1］，并起到了良好的示范作用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日漸成熟，為現(xiàn)代化教育系統(tǒng)帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為高校分校區(qū)的多媒體教室信息化管理帶來了全新的技術(shù)手段和管理方法［2］，為了達到更優(yōu)化的教學(xué)環(huán)境和效果，使學(xué)校的現(xiàn)代化教學(xué)管理水平更上一個臺階，我們研究物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計智慧多媒體教室，以實現(xiàn)多個校區(qū)的多媒體教室的智能化控制、遠程管理、遠程維護以及安全防護，從而進一步提升學(xué)校多媒體教學(xué)的信息化、自動化、互動化水平。

1 物聯(lián)網(wǎng)

“物聯(lián)網(wǎng)”被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，物聯(lián)網(wǎng)在歐美被稱為“The InternetofThings” (IOT)，強 調(diào) “any things connection”［3］，物聯(lián)網(wǎng)通過傳感器、射頻識別、全球定位等信息設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行被測物的聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等各種信息的交換和通信，以實現(xiàn)被測物的智能化感知、識別、定位、跟蹤、監(jiān)控、交互和管理的一種網(wǎng)絡(luò)，它是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò)［4］。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)涵蓋了從信息獲取、信息傳輸、信息存儲、信息處理直至應(yīng)用的全過程。其信息的獲取是通過RFID射頻識別和傳感器等技術(shù)，隨時隨地采集物體的識別信息和感知信息;信息的傳輸是通過通信網(wǎng)絡(luò)，隨時隨地對接入網(wǎng)絡(luò)的物體進行信息發(fā)送、傳輸和接收;信息的處理是利用各種智能計算技術(shù)，對海量的感知數(shù)據(jù)和信息進行分析并處理，從而實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)物體的遠程智能化控制和管理。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)的組成

典型的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由RFID系統(tǒng)、中間件Savant系統(tǒng)和Internet系統(tǒng)［5］三大部分組成。

RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別，是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象，可快速地進行物品追蹤和數(shù)據(jù)交換。RFID系統(tǒng)主要由標(biāo)簽(Tag)、閱讀器(Reader)、天線(Antenna)組成。

Savant是處在解讀器和Internet之間的中間件。Savant是具有數(shù)據(jù)捕獲、監(jiān)控、傳送功能的數(shù)據(jù)挖掘工具，Savant系統(tǒng)需要完成的主要任務(wù)是數(shù)據(jù)校對、解讀器協(xié)調(diào)、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)存儲和任務(wù)管理。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)可以簡單地劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個層［6］，如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

感知層位于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的最下層，是物聯(lián)網(wǎng)信息的源頭。其利用多種傳感器、傳感網(wǎng)絡(luò)、RFID、GPS、攝像頭、無線電通信以及智能嵌入設(shè)備等來全面立體感知現(xiàn)實世界中的各種信息，物體不僅自己有感知，同時在局部空間里面還具有互動性。

網(wǎng)絡(luò)層就是把Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)、全球WiMAX微波網(wǎng)絡(luò)、蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)等各種網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，完成信息的存儲、信息的融合和信息的遠距離傳輸?shù)裙δ堋?/p>

應(yīng)用層主要完成數(shù)據(jù)的挖掘和應(yīng)用的決策，即服務(wù)的發(fā)現(xiàn)和服務(wù)呈現(xiàn)的工作。

2 智慧多媒體教室設(shè)計

多媒體教學(xué)系統(tǒng)包含了全部電化教學(xué)、計算機輔助教學(xué)和演示手段，是目前最受歡迎、最便于使用、效果最理想的教學(xué)演示系統(tǒng)。它將多媒體計算機、視頻實物展臺、投影機等先進的視聽設(shè)備以及其他可遙控設(shè)備有機地連接，構(gòu)成現(xiàn)代化視聽教學(xué)環(huán)境。

2.1 教學(xué)設(shè)備組成

多媒體教室教學(xué)設(shè)備由多媒體計算機、投影儀、視頻展示臺、中央控制系統(tǒng)、投影屏幕、音響設(shè)備及環(huán)境設(shè)備等多種現(xiàn)代教學(xué)設(shè)備組成，如圖2所示。

圖2 多媒體教學(xué)設(shè)備組成

多媒體教室的中央控制器采用內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)管理模塊，教室加裝傳感器和攝像頭，通過網(wǎng)絡(luò)對每間多媒體教室的控制設(shè)備和受控設(shè)備進行遠程監(jiān)視、控制、管理和基本維護，使多媒體教室得到高效使用和管理。

2.2 基本架構(gòu)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，傳感器技術(shù)已開始得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用，通過它構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network)，可連接物理世界和數(shù)字世界［7］。智慧多媒體教室采用體積小、能量消耗低、價格低廉的無線傳感器技術(shù)、RFID射頻技術(shù)、GPS技術(shù)、攝像頭和無線電通信技術(shù)加以設(shè)計，其物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)主要分為感知層、接入網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖3所示。

2.2.1 感知層設(shè)計

圖3 智慧多媒體教室基本架構(gòu)

多媒體教室的感知層設(shè)計，①在各校區(qū)的每間多媒體教室機柜中安裝RFID系統(tǒng)，使用者通過射頻IC卡確認(rèn)身份后，方可使用教室中的多媒體教學(xué)設(shè)備;②在每間多媒體教室中安裝教師和學(xué)生攝像頭，實時采集多媒體教學(xué)過程中設(shè)備運行狀態(tài)的視頻圖像，管理人員通過遠程視頻圖像對所觀察到的問題進行快速處理;③在可控教學(xué)設(shè)備中安裝相應(yīng)的檢測傳感器，為遠程控制多媒體機柜、計算機、投影儀、電動幕布、功率放大器、電動窗簾、教室前排燈光以及音響等教學(xué)設(shè)備提供感知信息。④對貴重設(shè)備投影儀安裝GPS定位及無線防盜報警系統(tǒng)。

利用RFID、攝像頭和傳感器所構(gòu)筑的智慧多媒體教室感知層，通過IC卡進行身份認(rèn)證，通過攝像頭隨時監(jiān)視教學(xué)情況，通過傳感器可自動監(jiān)測每個教室的設(shè)備狀態(tài)以及各種技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)，從而實現(xiàn)多媒體教學(xué)過程的全方位“實時感知、動態(tài)控制和智慧處理［8］”，進一步提高教學(xué)設(shè)備的智慧運行維護水平。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計

多媒體教室的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計，為了將獲取的感知信息無障礙、安全、可靠進行傳輸，在網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計中，首先要考慮選擇適合的通信協(xié)議和信息融合技術(shù)。

目前的全球因特網(wǎng)所采用的協(xié)議族是TCP/IP協(xié)議族。IP是TCP/IP協(xié)議族中網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議，是TCP/IP協(xié)議族的核心協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用所采用的協(xié)議大多是IPv4協(xié)議，然而2011年2月3日，國際互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會ICANN官方宣布:全球最后一批IPv4地址分配完畢。這標(biāo)志著，第一代互聯(lián)網(wǎng)地址的“池子”已經(jīng)全空了［9］，目前IPv4地址消耗嚴(yán)重，很容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源耗盡而癱瘓，無法滿足物聯(lián)網(wǎng)對大量地址的需要，而IPv6是基于IPv4的優(yōu)化更新，在校園網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中可發(fā)揮優(yōu)質(zhì)服務(wù)效能，并可實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)質(zhì)計算、高效能點對點通信聯(lián)系、互聯(lián)應(yīng)用、無線傳輸［10］，IPv6具有豐富的地址空間，可實現(xiàn)真正的端到端的互聯(lián)互通，安全性高。如果說IPv4實現(xiàn)的只是人機對話，而IPv6則擴展到任意事物之間的對話，它不僅可以為人類服務(wù)，還將服務(wù)于眾多硬件設(shè)備，它將是無時不在，無處不在的真正的寬帶網(wǎng)。我校無線校園網(wǎng)已接入中國下一代互聯(lián)網(wǎng)(CNGI-CERNET2)，用戶只需添加IPv6協(xié)議(Win7及Vista系統(tǒng)已自帶)即可訪問豐富的IPv6資源，開展有關(guān)研究和體驗。下一代互聯(lián)網(wǎng)(CNGICERNET2)無線校園網(wǎng)的建成可以很好的支持智慧多媒體教室的建設(shè)。

通信網(wǎng)是一種由通信端點、節(jié)點和傳輸鏈路相互有機地連接起來，以實現(xiàn)在兩個或更多的規(guī)定通信端點之間提供連接或非連接傳輸?shù)耐ㄐ朋w系。利用現(xiàn)有的通信網(wǎng)將學(xué)校多媒體教室總控制室的電話座機、各校區(qū)的多媒體教室管理技術(shù)人員的移動電話和總控制室的監(jiān)控計算機相互有機地連接起來，管理技術(shù)人員可實時了解課堂多媒體教學(xué)設(shè)備運行情況，從而實現(xiàn)多媒體教室設(shè)備故障的及時排除。將通信網(wǎng)絡(luò)與無線校園網(wǎng)進行融合，可實現(xiàn)多媒體教室教學(xué)設(shè)備信息實時準(zhǔn)確地傳輸與交互［11］。

2.2.3 應(yīng)用層設(shè)計

由于多校區(qū)多媒體教學(xué)系統(tǒng)具有設(shè)備多、連接復(fù)雜、技術(shù)性強、系統(tǒng)利用率高等特點，應(yīng)用層的設(shè)計采用云計算技術(shù)進行架構(gòu)，由于云計算所提供的計算、存儲、平臺和服務(wù)等各種資源均采用虛擬化技術(shù)，且支持用戶共享軟硬件資源，云計算可將傳統(tǒng)的分散在廣闊地域的計算資源整合為一個虛擬的、可統(tǒng)一調(diào)度、按需使用的計算資源［12］，因而采用云計算技術(shù)構(gòu)建云服務(wù)的多校區(qū)多媒體教室，建成資源節(jié)約型［13］的多媒體教學(xué)環(huán)境，達到教學(xué)環(huán)境最優(yōu)化。

云計算具有超大規(guī)模、高擴展性、虛擬化、高可靠性、通用性、廉價等特點［14］，應(yīng)用層采用云計算、模式識別等各種智能計算技術(shù)來完成多媒體教室的管理和數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的處理、數(shù)據(jù)的存儲、數(shù)據(jù)的共享以及信息的智能交互，并通過總控制室顯示屏顯示多媒體教室各種測量參數(shù)、實時數(shù)據(jù)、故障報警、圖形和報表等信息，實時遠程監(jiān)測與控制多媒體教室終端教學(xué)設(shè)備的運行工作狀況，精確表述多媒體教室教學(xué)設(shè)備故障原因，實現(xiàn)遠程實時處理故障，遠程協(xié)助教師完成多媒體教學(xué)設(shè)備的操作。

3 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)是目前在國際上備受關(guān)注的前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域，已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，被認(rèn)為是對21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一［15］，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧多媒體教室的設(shè)計，將多校區(qū)的多媒體教室全面接入傳感網(wǎng)絡(luò)，使得多校區(qū)多媒體教室獲得了全面感知，可有效提高多媒體教室的管理和維護效率，以及處理教學(xué)故障的靈活性和響應(yīng)速度。

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