唐培　劉雅　瞿雨秋　陶曾杰

摘? ?要：隨著現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新型的科技技術(shù)發(fā)展創(chuàng)新，各大高校的學(xué)習(xí)環(huán)境顯得尤為重要。而現(xiàn)在教學(xué)課堂環(huán)境依舊存在很多問(wèn)題，如學(xué)生缺課、逃課、考勤、安全。通過(guò)設(shè)計(jì)采用與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能化、技術(shù)化、科技化為時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)，來(lái)提高高校的教室信息化水平的管理、教育資源的充分使用。通過(guò)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)+傳統(tǒng)的教學(xué)方式進(jìn)行資源整合，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)之間的使用優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建、開(kāi)創(chuàng)一種全新、智能、高效的學(xué)習(xí)模式。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行智慧教室管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

關(guān)鍵詞：智慧教室;物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);管理系統(tǒng)

目前大部分學(xué)校普遍采用的上課模式是粉筆+黑板、多媒體+投影儀以及其他移動(dòng)設(shè)備，隨著國(guó)家大力發(fā)展教育，以及近年來(lái)我國(guó)的信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展[1]，我國(guó)開(kāi)始提倡在智能化的環(huán)境下成長(zhǎng)、學(xué)習(xí)。在此前提下，需要讓物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)的教學(xué)行業(yè)相互結(jié)合，進(jìn)行一個(gè)深度的融合，創(chuàng)造一個(gè)新的發(fā)展生態(tài)的環(huán)境。

在現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)上，要想聯(lián)合“物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)”，以及利用智能化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)智能化的教學(xué)環(huán)境，以師生的思想相互結(jié)合，通過(guò)信息技術(shù)來(lái)促進(jìn)教學(xué)環(huán)境的改善、教學(xué)質(zhì)量的提高，促進(jìn)師生的相互交流溝通[2]。

1? ? 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智慧教室的設(shè)計(jì)

整個(gè)智慧教室的設(shè)計(jì)一共由3大模塊構(gòu)成：電器設(shè)備的控制、安保系統(tǒng)及考勤系統(tǒng)。（1）電器設(shè)備的控制：主要控制教室里的用電設(shè)備，通過(guò)多媒體計(jì)算機(jī)與各類傳感器進(jìn)行一個(gè)全面連接，然后通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)電器設(shè)備控制中心來(lái)對(duì)每個(gè)設(shè)備進(jìn)行智能化的統(tǒng)一控制與運(yùn)行。（2）安保系統(tǒng)：著重于對(duì)教室電器設(shè)備短路起火、易燃易爆物品引發(fā)的安全隱患加以清除，以及教室物品安全問(wèn)題的管理。（3）考勤系統(tǒng)：通過(guò)建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)、云計(jì)算來(lái)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析。在考勤系統(tǒng)設(shè)立監(jiān)控層，主要目的是對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)對(duì)學(xué)生、老師上課的情況進(jìn)行反饋。

1.1? 室內(nèi)電器設(shè)備的控制

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)+室內(nèi)電器設(shè)備體系，可以促進(jìn)更加智能化、自動(dòng)化的教室設(shè)備的實(shí)現(xiàn)，室內(nèi)電器設(shè)備控制框架如圖1所示。

1.1.1? 燈光控制系統(tǒng)

目前普遍采用白熾燈來(lái)進(jìn)行教室的照明，功能相對(duì)比較單一，使用壽命短，耗電能較大。并且具有一個(gè)大的難題，即當(dāng)教室沒(méi)人時(shí)，若忘記關(guān)燈，電量就白白地耗費(fèi)掉了，造成能量的浪費(fèi)。為了改善現(xiàn)階段教室白熾燈存在的不良情況，本研究結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)的白熾燈燈具，實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)控制調(diào)節(jié)日常燈。

通過(guò)燈光控制系統(tǒng)來(lái)控制燈光的光和亮，利用室內(nèi)光照感應(yīng)模塊、人體（熱）感應(yīng)模塊、燈亮度調(diào)節(jié)模塊配套構(gòu)成的燈光控制系統(tǒng)。

（1）相對(duì)應(yīng)的模塊：功能是室內(nèi)光照感應(yīng)，主要的作用是對(duì)教室內(nèi)的亮度是否滿足正常上課所需亮度進(jìn)行檢測(cè)。（2）人體（熱）感應(yīng)模塊：當(dāng)人走進(jìn)教室時(shí)，熱感應(yīng)器檢測(cè)到人體的溫度，再通過(guò)光照傳感器來(lái)檢測(cè)教室的采光度，若教室內(nèi)的光線比較暗，則燈光自動(dòng)照亮教室。這樣能夠改善另一個(gè)問(wèn)題：由于教室過(guò)大，且教室只有少數(shù)幾個(gè)人，整個(gè)教室的白熾燈是開(kāi)著的，那就造成了浪費(fèi)。本研究通過(guò)結(jié)合室內(nèi)光照感應(yīng)模塊+光照強(qiáng)度感應(yīng)模塊+人體熱感應(yīng)模塊，并準(zhǔn)確地判斷，確保燈光照亮人體感應(yīng)的部分。這樣就能防止一個(gè)教室在只有少數(shù)人的情況下開(kāi)啟所有燈光，解決電能浪費(fèi)的問(wèn)題。當(dāng)沒(méi)有人在教室的時(shí)候，燈光電源就會(huì)自動(dòng)關(guān)掉，更有效地節(jié)約用電。

1.1.2? 智慧教室風(fēng)扇、空調(diào)控制系統(tǒng)

現(xiàn)在的風(fēng)扇依靠人對(duì)開(kāi)關(guān)與風(fēng)扇檔位的調(diào)節(jié)。通過(guò)采用風(fēng)扇、空調(diào)的智能控制系統(tǒng)，將風(fēng)扇、空調(diào)進(jìn)行電源的接通。風(fēng)扇、空調(diào)控制系統(tǒng)由紅外線感應(yīng)模塊+室內(nèi)溫度感應(yīng)模塊+空氣感應(yīng)模塊（干燥度、濕度）通過(guò)微處理器系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。然后通過(guò)遠(yuǎn)程智能終端來(lái)對(duì)風(fēng)扇、空調(diào)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)。

首先對(duì)風(fēng)扇、空調(diào)內(nèi)部進(jìn)行時(shí)間、溫度設(shè)置。比如當(dāng)教室室內(nèi)的溫度大于空調(diào)設(shè)置的預(yù)設(shè)溫度值。其次，如果感應(yīng)到教室坐滿了人，空調(diào)就會(huì)自啟動(dòng)。當(dāng)室內(nèi)的溫度值低于空調(diào)的預(yù)設(shè)初始溫度值時(shí)，空調(diào)會(huì)一直處于不工作或者休眠的狀態(tài)。或者教室內(nèi)的人數(shù)較少，室內(nèi)的空氣溫度相對(duì)不是太熱，就自啟動(dòng)風(fēng)扇。通過(guò)這樣的方式，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇與空調(diào)的智能化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)是開(kāi)啟風(fēng)扇還是開(kāi)啟空調(diào)。這樣就能智能地節(jié)約電力資源，對(duì)教室進(jìn)行降溫，減少炎熱，提高上課學(xué)習(xí)效率。

1.1.3? 窗簾控制系統(tǒng)

目前普遍的窗簾是通過(guò)人來(lái)對(duì)窗簾進(jìn)行開(kāi)關(guān)，這樣既不省時(shí)，也不省力。下雨時(shí)，如果整棟教室忘記關(guān)窗簾，那么多媒體教室、實(shí)訓(xùn)室、機(jī)房等，都會(huì)造成巨大損失。所以，擬通過(guò)將普遍的門窗簾與物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)智能控制。

若使用這個(gè)設(shè)備，當(dāng)室外下雨的時(shí)候，雨水感應(yīng)裝置+空氣濕度檢測(cè)裝置+風(fēng)檢測(cè)感應(yīng)裝置共同檢測(cè)。當(dāng)智能終端檢測(cè)到數(shù)據(jù)，微數(shù)據(jù)處理器就會(huì)實(shí)現(xiàn)教室、實(shí)訓(xùn)室、機(jī)房的門、窗簾進(jìn)行自動(dòng)的關(guān)閉。這樣就最大程度地避免在沒(méi)有關(guān)窗戶的情況下，下暴雨時(shí)雨水飄到電腦控制室造成線路短路等安全隱患。

1.2? 智能防火防盜系統(tǒng)

綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新興信息技術(shù)[3]，將信息化與消防安全的業(yè)務(wù)工作進(jìn)行深度融合，建立起各大校園防火災(zāi)防盜體系。教室、寢室、教學(xué)樓防火防盜等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，保證學(xué)生和教師的生命財(cái)產(chǎn)安全，防火防盜系統(tǒng)框架如圖2所示。

在原有的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加裝智慧用電安全探測(cè)器、智慧消防水源采集器（液位/水壓）、智慧消防射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）標(biāo)簽、網(wǎng)絡(luò)視頻攝像頭等前端物聯(lián)探測(cè)設(shè)備[4]，通過(guò)有線或無(wú)線移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與智慧消防物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺(tái)相互聯(lián)系，構(gòu)建智慧校園物聯(lián)網(wǎng)消防遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[5]。

加裝智慧用電安全探測(cè)器、獨(dú)立式煙感報(bào)警器、可燃?xì)怏w報(bào)警器、簡(jiǎn)易自動(dòng)噴淋滅火裝置等，來(lái)構(gòu)建智能消防預(yù)警系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)滅火[6]。借助手機(jī)APP客戶端或者多媒體計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)維保單位消防設(shè)施狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與異常信息推送及報(bào)警信息的快速反應(yīng)。

1.3? 智能考勤管理系統(tǒng)

現(xiàn)階段各大高校的考勤主要依靠班級(jí)的學(xué)習(xí)委員進(jìn)行點(diǎn)名，存在代課、朋友代答到的情況。這樣對(duì)于一些同學(xué)的考勤就存在很多的問(wèn)題?；诖?，本研究通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)+云計(jì)算+互聯(lián)網(wǎng)來(lái)構(gòu)建一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)智能考勤管理系統(tǒng)。

首先通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)云盤構(gòu)建一個(gè)大數(shù)據(jù)庫(kù)。其次，以一個(gè)班級(jí)為單位來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)總采集，將收集到的信息錄入學(xué)校教務(wù)處學(xué)生考勤數(shù)據(jù)庫(kù)。最后，教務(wù)處將收集好的信息數(shù)據(jù)通過(guò)手機(jī)APP或者PC端口，在每個(gè)教室的監(jiān)控里面加入人臉識(shí)別系統(tǒng)。這樣就能在課堂上進(jìn)行全方位掃描學(xué)生信息。將在課堂上的代課、缺課、逃離課堂的人員通過(guò)“智慧平臺(tái)”的人臉識(shí)別+云計(jì)算。將代課、缺課、逃課的人員信息，通過(guò)智能終端系統(tǒng)發(fā)出數(shù)據(jù)信號(hào)，將這個(gè)信號(hào)傳遞發(fā)至輔導(dǎo)員、教務(wù)處進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。這樣就可以最大限度地提高學(xué)生出勤率。任課老師也能根據(jù)“智能平臺(tái)”的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)生出勤的記錄，將學(xué)生出勤、考勤記錄，作為期末平時(shí)成績(jī)的一個(gè)重要憑證。

通過(guò)利用物聯(lián)網(wǎng)智慧教室的人臉識(shí)別功能，與手機(jī)信號(hào)探測(cè)儀加入人臉識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，就可以將上課玩手機(jī)的同學(xué)檢測(cè)出來(lái)，通過(guò)無(wú)線信號(hào)（互聯(lián)網(wǎng)）直接傳輸?shù)綄W(xué)工處，并納入學(xué)生的日?？记谙到y(tǒng)。

通過(guò)將物聯(lián)網(wǎng)智慧+人臉識(shí)別+溫度熱感應(yīng)+煙霧探測(cè)器進(jìn)行結(jié)合，可以在教學(xué)樓（不準(zhǔn)吸煙區(qū)）進(jìn)行檢測(cè)，一旦檢測(cè)到學(xué)生在教學(xué)樓處抽煙，或者有損公共財(cái)產(chǎn)，能在第一時(shí)間鎖定同學(xué)，并納入學(xué)生學(xué)工處日常行為規(guī)范的考勤系統(tǒng)。

通過(guò)人臉識(shí)別系統(tǒng)+夜視顯示儀，運(yùn)用于學(xué)校的街道、教室、走廊、操場(chǎng)、停車場(chǎng)，可以通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)，對(duì)于學(xué)校的公共安全、財(cái)產(chǎn)安全提供強(qiáng)有力的保障，如果有盜竊行為，或者丟失手機(jī)、電腦等貴重物品，可以通過(guò)監(jiān)控查詢，能迅速鎖定嫌疑人所處位置，在最短時(shí)間內(nèi)解決事情。

2? ? 結(jié)語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧教室的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，教學(xué)環(huán)境可以變得智能化、人性化。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)+云計(jì)算相互結(jié)合，實(shí)現(xiàn)教學(xué)質(zhì)量的信息共享、智能化資源相互共享，讓教室變得更加智慧。這些在小學(xué)、中學(xué)、高中、大學(xué)都非常適用，而且可以讓教室變得智能化，進(jìn)一步提升廣大同學(xué)學(xué)習(xí)的效率，優(yōu)化教學(xué)的環(huán)境，能夠更好地開(kāi)展教育和學(xué)習(xí)。

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Design of intelligent classroom management system based on Internet of Things

Tang Pei， Liu Ya， Qu Yuqiu， Tao Zengjie

（School of Electronic Information， Hunan Institute of Information Technology， Changsha 410151， China）

Abstract：As the Internet of Things at this stage big data cloud computing such as the new development of science and technology innovation， universities in the learning environment is particularly important and is currently teaching classroom environment still exist many problems， such as： attendance of students absent classes security through the design. We adopt combined with Internet technology， to realize intelligent technology into the era of science and technology development trend， to improve the level of informatization of classroom management， improve the efficient education make full use of resources. By adopting the Internet of Things technology + traditional teaching methods to integrate resources， give full play to the use between the Internet of Things and the Internet， create and build a new intelligent and efficient learning model through the design and development of the intelligent classroom management system of the Internet of Things technology.

Key words：intelligent classroom; Internet of Things technology; management system