一、系統(tǒng)概述

　　1.1 智慧教室建設背景

　　在學校，課堂教學環(huán)節(jié)是學生接受系統(tǒng)教育最重要的一環(huán)，做好教學互動環(huán)節(jié)，是掌握好教學環(huán)節(jié)的質量，提高教學水平的關鍵?，F行的教學過程中，傳統(tǒng)的簽到環(huán)節(jié)、疑問確認環(huán)節(jié)、提問互動環(huán)節(jié)、課堂小測試環(huán)節(jié)存在諸多問題。簽到過程中，使用紙張簽到，效率低且存在代簽現象，結果不便于教師統(tǒng)計;提問互動環(huán)節(jié)和課堂小測試的環(huán)節(jié)中，教師給出簡單選擇后，學生舉手或者口頭回答，不能獲得準確的統(tǒng)計數據，教師只能根據大體情況來判斷是否進行教學，沒有準確的數據，更不能考慮后期的數據挖掘和數據統(tǒng)計工作。傳統(tǒng)的教學方式已經不適應現代化教學的需要，基于物聯網技術集智慧教學、人員考勤、資產管理、環(huán)境智慧調節(jié)、視頻監(jiān)控及遠程控制于一體的新型現代化智慧教室系統(tǒng)在逐步的推廣運用。智慧教室作為一種新型的教育形式和現代化教學手段，給教育行業(yè)帶來了新的機遇。

　　1.2 智慧教室主要用途

　　智慧教室設備能夠體現物聯網的三個層次(應用層、網絡層、感知層)，運用傳感器、射頻識別(RFID)等技術，使信息傳感設備實時感知任何需要的信息，按照約定的協(xié)議，通過可能的網絡(如基于WIFI的無線局域網、移動通信、電信網等)接入方式，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，實現物與物、物與人的泛在鏈接，實現對物品的智慧化識別、跟蹤、監(jiān)控和管理。 同時，智慧教室還能滿足學校物聯網技術專業(yè)開設的物聯網導論、傳感器原理及應用、無線傳感器網絡及應用、RFID技術及應用、物聯網工程及應用、物聯網標準與中間件技術、物聯網應用系統(tǒng)設計等課程的實踐實訓教學需要，并為學生或教師的物聯網技術應用項目開發(fā)提供平臺。

　　使學生通過智慧教室實驗平臺，能掌握物聯網技術基礎理論、物理信息系統(tǒng)標識與感知、計算機網絡理論與技術和數據分析與信息處理技術等知識，具備通信技術、網絡技術、傳感技術等信息領域寬廣專業(yè)知識，具備一定的工程應用系統(tǒng)的開發(fā)、實踐能力和科學研究能力。

　　二、智慧教室實驗平臺方案

　　智慧教室以物聯網工程信息平臺為基礎，以光載無線交換機為核心，構建WiFi無線局域網，覆蓋智慧教室，加上教室的有線網絡交換機、網絡路由器，從而建立融合有線網絡、無線局域網的物聯網關鍵部分——網絡層，各種傳感器件通過標準模塊WiFi設備服務器(串口通信RS232轉WiFi無線網絡)無線接入物聯網工程信息平臺，構成全面涵蓋物聯網三個層次的一個統(tǒng)一的物聯網工程實驗平臺。同時，其它內置WiFi模塊的各種手持設備(筆記本電腦、手機等)也能無線接入該實驗平臺，成為物聯網實驗設備的一部分;師生教學、科研實踐開發(fā)的其它感知模塊，通過與標準的WiFi設備服務器連接，也能輕易接入該實驗平臺，完成測試、驗證。

　　2.1 光載無線交換機及其分布式天線系統(tǒng)

　　光載無線交換機及其配套設備遠端射頻單元為廣州飛瑞敖電子科技有限公司的核心產品，用于實現WiFi無線射頻信號的遠距離、大范圍的光纖分布，是物聯網無線網絡分布的主要分布方式。

　　光載無線交換機安裝在智慧教室的網絡機柜里，與原本有線布線的網絡交換機連接，接入學校計算機網絡。光載無線交換機內置2個WiFi接入點(AP)(所有網絡協(xié)議處理、基帶數據處理、射頻信號處理都集中在光載無線交換機內)，通過模擬光纖鏈路將WiFi射頻信號分布到智慧教室內，完成智慧教室的WiFi無線覆蓋，將實驗設備和各類WiFi終端接入統(tǒng)一的WiFi無線局域網，構成整體物聯網工程平臺。

　　2.2 物聯網工程實驗平臺服務器

　　為實現物聯網工程實驗平臺的統(tǒng)一管理、實驗室實驗設備等管控、以及開展功能復雜的綜合設計和科研項目，在智慧教室的網絡機柜里配置一臺服務器。

　　該服務器安裝系統(tǒng)軟件，及物聯網工程實驗的服務器端軟件，提供本地、或遠程訪問服務，并實施對物聯網實驗的監(jiān)控和設備管理。

　　三、智慧教室系統(tǒng)設計方案述

　　智慧教室基于光載無線交換機為核心，建成一個綜合型的物聯網共享平臺，所有的設備系統(tǒng)均可以通過標準模塊WiFi設備服務器無線接入物聯網工程信息平臺，通過服務器的系統(tǒng)軟件統(tǒng)一管理前端系統(tǒng)設備;同時，我們提供教室智慧系統(tǒng)的設計原理圖，開放足夠多的端口和豐富、完善的接口函數以及二次開發(fā)包，為教師、學生提供了一個開放的環(huán)境平臺去學習和研究。

　　下圖1是智慧教室總體框圖：

　　圖1 智慧教室總體框圖

　　該實驗室建成一個綜合型的物聯網應用場景，用于學生進行創(chuàng)新實驗研究，以及教師開展科學研究。首先通過讀取人員考勤系統(tǒng)中數據來判斷教室內是否有人員，如果教室內無人，則教室內所有系統(tǒng)處于關閉狀態(tài);反之，則處于工作狀態(tài)。 智慧教室包括以下幾個系統(tǒng)：

　　3.1教學系統(tǒng)

　　教學系統(tǒng)由內置電子白板功能的觸控投影機一體機、功放、音箱、無線麥克、拾音器、問答器和配套控制軟件構成。

　　使用內置電子白板功能的觸控投影機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的黑板教學，實現無塵教學，保護師生的健康，可在投影畫面上可以操作電腦，在每個桌位上配置問答器，實現師生交互式課堂教學。

　　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、任課教師、到課率、和教室內各傳感器采集的環(huán)境數據(室內溫濕度、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、考勤卡和配套控制軟件構成。

　　在教室前后門各安裝一個RFID考勤機，采用RFID標簽(校園一卡通)對學生進行考勤統(tǒng)計，對進入教室的人員進行身份識別，對合法用戶進行考勤統(tǒng)計，對非法用戶進行告警。同時可通過WiFi無線覆蓋，在遠程對考勤情況的監(jiān)控，統(tǒng)計以及存檔打印等。

　　3.4資產管理系統(tǒng)

　　資產管理系統(tǒng)由特高頻RFID讀卡器、紙質標簽、抗金屬標簽和配套控制軟件構成。

　　在教室前后門各安裝一個特高頻讀卡器，對教室內的實驗儀器、設備等資產(貼有RFID標簽，標簽上存儲有設備的詳細信息)進行出入教室的監(jiān)控與管理，對未授權用戶把教室內資產帶出教室進行告警，方便設備管理人員對教室設備的統(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)和配套控制軟件構成。

　　首先通過人體傳感器來判斷教室內對應位置是否有人，此位置無人，則燈光控制系統(tǒng)及窗簾控制系統(tǒng)處于關閉狀態(tài);反之，處于工作狀態(tài)。

　　1：窗簾控制系統(tǒng)：通過采集安裝在窗戶的光照傳感器數據，根據軟件預設門限值，以窗簾自動開、關來實現教室內光照強度的補償;

　　2：燈光控制系統(tǒng)：采集安裝在教室內的光照傳感器數據，通過分析數據，根據軟件預設值，來控制教室內燈光的自動開啟與關閉，并可調節(jié)燈光的亮度，實現室內燈光的智能控制與節(jié)能減排。

　　3.6空調控制系統(tǒng)

　　空調控制系統(tǒng)由中央空調電源控制器、溫濕度傳感器和配套控制軟件構成。

　　通過溫濕度傳感器監(jiān)測室內溫度，通過分析數據，根據軟件預設值，當室內溫濕度高于最高門限值時自動開啟空調。當室內溫濕度低于最底門限值時自動關閉空調，實現室內溫濕度的自動控制。

　　3.7門窗監(jiān)視系統(tǒng)

　　門窗監(jiān)視系統(tǒng)由窗戶門磁模塊及配套軟件組成。

　　窗戶門磁模塊用于檢測門和窗戶的開關狀態(tài)，并將狀態(tài)信息及時上傳至服務器。同時設置敏感時段，實施對窗戶的自動監(jiān)視和報警。

　　3.8通風換氣系統(tǒng)

　　通風換氣系統(tǒng)由抽風機、CO2傳感器和配套監(jiān)控軟件構成。

　　通過CO2傳感器監(jiān)測室內的CO2濃度，通過分析數據，根據軟件預設值，當室內CO2濃度高于軟件門限值時自動開啟抽風機來進行換氣，通過補充室外空氣來降低室內CO2的濃度。

　　3.9視頻監(jiān)控系統(tǒng)

　　視頻監(jiān)控系統(tǒng)由WiFi無線攝像頭和配套監(jiān)控軟件構成。

　　視頻監(jiān)控可為安防系統(tǒng)、資產出入庫、人員出入情況提供查詢依據。

　　在教室前后門口各安裝一個WiFi無線攝像頭監(jiān)控人員出入和資產的出入庫情況，在教室內安裝一個WiFi無線攝像頭監(jiān)控教室內部實時情況，所采集的影像經由遠端射頻單元傳送至終端管理電腦，提供實時的監(jiān)控數據。