开放式智慧教室实训系统建设方案

中智讯-开放式智慧教室实训系统建设方案
中智讯（武汉）科技有限公司
开放式智慧教室实训系统建设方案
1 智慧教室项目开发背景
1.1 互联互通的物联网技术
随着网络覆盖的普及，人们提出了一个问题，既然无处不在的网络能够成为人际间沟通的无所不能的工具，为什么我们不能将网络作为物体与物体沟通的工具，人与物体沟通的工具，乃至人与自然沟通的工具？于是，物联网技术的发展应运而生。物联网是“万物沟通”的、具有全面感知、可靠传送、智能处理特征的连接物理世界的网络，实现了任何时间、任何地点及任何物体的连结。可以帮助实现人类社会与物理世界的有机结合，使人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，从而提高整个社会的信息化能力。

物联网从技术角度讲分为三个部分：全面感知、可靠传递、智能处理，是传统嵌入式技术的一种应用延伸，囊括从ARM接口技术、传感器接口技术、微控制器驱动应用、无线网络技术、ZigBee无线通信技术、6LoWPAN无线通信技术、IPv6无线通信技术、嵌入式操作系统、高级嵌入式网络通信、智慧云中间件、Android移动应用、嵌入式服务器编程、智慧数据分析与挖掘等课程资源的学习。
物联网与智能硬件

物联网的内涵在于人与物对话，当空调、汽车、厨房、书包能够主动与人“对话”，提供它的服务，唠叨它的抱怨时，就已经智能化了。物联网的未来会大量改造现有基础设备，采用嵌入式技术为设备植入智能大脑，开发出生动的智能硬件设备
物联网与传感网络

现代社会的信息交互离不开网络，智能硬件也需要通过网络进行传输。由于智能硬件的低成本/低功耗等多方面的严格要求，衍生出无线传感网络技术。物联网学科要求能够培养全面的传感网络知识，包括：ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth、RF433MHz、电力载波、IPv6等各种传感网络。特别是IPv6技术是未来物联网传感网络的发展趋势，能够支持与互联网的无缝接入，在开设ZigBee无线传感网课程的基础上，对IPv6技术的延伸尤为必要。

物联网与智慧网关

物联网传感网络属于个域网的范畴，为了实现远程交互，需要通过智能网关进行更远的互联网数据传递。智慧网关的开发包含嵌入式Linux操作系统、嵌入式网络编程、嵌入式数据库的设计、并发线程及消息推送等技术。

物联网与智云中间件

物联网是对现有传统设施的一次升级，由此会带来海量的传感数据信息及交互日志信息，构建区域化的物联网数据中心是物联网信息化建设中的重中之重，而基于数据中心的智云中间件的设计更是系统设计中的核心环节。智云中间件涉及到云计算、大数据、数据分析、数据存储、数据并发、数据挖掘等多个技术内容。

物联网与系统应用

物联网学科的应用开发主要基于两部分：基于行业的B/S架构专家系统和基于移动互联网的移动应用开发。

构建覆盖每个物联网技术知识点的多功能物联网综合实验室符合当前人才培养需求，同时能够将传统计算机、电子、软件、通信等相关专业进行学科融合，充分发挥实验室在不同课程学习中的实验作用。

物联网经过近十年的发展，如今已经上升为一门电子类与计算机类核心的专业学科。从当前行业发展来看，物联网研究方向主要基于五大新兴领域：智能硬件、传感网络、智慧网关、智云中间件、系统应用。

物联网之智慧教室
智慧教室是数字教室和未来教室的一种形式。智慧教室是一种新型的教育形式和现代化教学手段，基于物联网技术集智慧教学、人员考勤、资产管理、环境智慧调节、视频监控及远程控制等于一体的新型现代化智慧教室系统，是推进未来学校建设的有效组成部分。

在学校，课堂教学环节是学生接受系统教育最重要的一环，做好教学互动环节，是掌握好教学环节的质量，提高教学水平的关键。现行的教学过程中，传统的签到环节、疑问确认环节、提问互动环节、课堂小测试环节存在诸多问题。传统的教学方式已经不适应现代化教学的需要，基于物联网技术集智慧教学、人员考勤、资产管理、环境智慧调节、视频监控及远程控制于一体的新型现代化智慧教室系统在逐步的推广运用。智慧教室作为一种新型的教育形式和现代化教学手段，给教育行业带来了新的机遇

智慧教室设备能够体现物联网的三个层次（应用层、网络层、感知层），运用传感器、射频识别（RFID）等技术，使信息传感设备实时感知任何需要的信息，按照约定的协议，通过可能的网络（如基于WIFI的无线局域网、移动通信、电信网等）接入方式，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，实现物与物、物与人的泛在链接，实现对物品的智慧化识别、跟踪、监控和管理。同时，智慧教室还能满足学校物联网技术专业开设的物联网导论、传感器原理及应用、无线传感器网络及应用、RFID技术及应用、物联网工程及应用、物联网标准与中间件技术、物联网应用系统设计等课程的实践实训教学需要，并为学生或教师的物联网技术应用项目开发提供平台。

使学生通过智慧教室实验平台，能掌握物联网技术基础理论、物理信息系统标识与感知、计算机网络理论与技术和数据分析与信息处理技术等知识，具备通信技术、网络技术、传感技术等信息领域宽广专业知识，具备一定的工程应用系统的开发、实践能力和科学研究能力。



1.2 开放式创新实训室
智慧教室基于物联网技术，那就可以搭建成一个物联网应用场景，既可以用于学生进行创新实验研究，也方便教师开展科学研究。可以通过智慧教室里面的人员考勤系统来判断教室内是否有人员，如果教室内无人，则教室内所有系统处于关闭状态；反之，则处于工作状态。

智慧教室主要包括以下八个系统：

l 智能门禁系统

智能门禁系统由磁力门锁、RFID读卡器及配套软件构成，采用RFID标签（校园一卡通）对学生进行考勤统计，对进入教室的人员进行身份识别，对合法用户进行考勤统计，对非法用户进行告警。同时可通过WiFi无线覆盖，在远程对考勤情况的监控，统计以及存档打印等。

l 电器控制系统

电器控制系统由电动窗帘、光照传感器及配套控制软件构成。首先通过光照传感器来判断教室内对应位置是否有人，此位置无人，则灯光控制系统及窗帘控制系统处于关闭状态；反之，处于工作状态。

l 电器遥控系统

电器遥控系统由红外遥控器、红外LED壁灯和配套控制软件构成。通过光照传感器监测室内光照度，通过分析数据，根据软件预设值，当室内光照度低于限值时自动开启红外LED壁灯。夏天当室内温湿度低于最底门限值时自动关闭空调，实现室内温湿度的自动控制。

l 安防报警系统

安防报警系统由燃气/烟雾、报警器、排风扇及配套软件组成。用于检测室内可燃气体浓度，并将状态信息及时上传至服务器。同时设置可燃气体浓度达到一定值时，实施对排风扇开启和报警。

l 环境监测系统

环境监测系统由温湿度传感器、光照度传感器、空气质量传感器和配套监控软件构成。通过温湿度传感器、光照度传感器、空气质量传数据采集，通过分析数据，根据软件预设值，来判定环境是否适合居住

l 摄像监控系统

摄像监控系统由摄像头、红外栅栏传感器和配套监控软件构成。通过摄像头查看学生上课行为习惯。

l 能耗管理系统

能耗管理系统由智能电表、智能插座和配套软件构成。通过软件可以控制智能插座电源，实现控制相关电器的目的。采集电表数据设定用电额度，从而控制智能插座实现能耗管理

l 远程医疗系统

远程医疗系统由血压传感器、体温传感器、心率传感器及配套软件构成。可以采集血压、体温、心率的数据，通过分析得知身体状况。可通过软件和医生联机、质询、整段。

1 智慧教室项目实施方案
1.1 项目方案总体介绍
物联网技术是一门综合的工程应用类学科，几乎涵盖了当前热门的几个技术：智能硬件、移动互联网、无线互联网络、M2M中间件、大数据挖掘等。高校在开展理论教学的同时，需要更加注重实践环节，特别是对物联网行业知识及行业应用需求的分析尤需重视。传统实验室的建设基本分为两类，一种是采购实验箱/实训台进行教学，基本上无法让学生对项目总体有感性的认知；另一种是采购沙盘/样板间进行项目演示教学，无法让学生进行基础性知识点的学习。能否让两种教学方式合二为一，让学生能够对完整的项目进行认知，又能够在基础实验中直接对项目部件进行编程控制，同时还能综合分组完成整体项目的实训实验？本项目方案即实现了一种创新型开放式智慧教室的实训室构建方法
实验室方案框架说明：

1）开放式智慧教室实训系统基础硬件设施由现有传统教室改造而成，配合智慧开放式实训桌，可构建各种实际可见的物联网应用系统。

2）传统实验室基础设备通过智能化改造，增加智能无线控制器，支持物联网互联互通功能展示，同时配合增加的各种行业应用需求的硬件，比如智慧教室、智能农业、智能交通、智能溯源等，可以完成丰富的应用项目展示，教师端通过管理软件可以在线实时进行项目演示教学。

3）智慧开放式实训桌提供丰富的分组实验功能，传统实验室基础设备通过分组设置不同的实训模块，通过总线接入到实训桌，学生可通过本地的无线控制器，并联对实际硬件进行采集和控制，教师可通过管理软件在线实时抓取硬件控制流数据包进行作业分析。同时学生通过本地的无线控制器可以学习基础的嵌入式接口技术、传感器接口技术、传感器网络技术等基础实验。

4）智云物联开放平台采用标准的物联网中间件技术，为物联网项目开发构建一套完整的编程框架，方便进行快速的综合应用项目开发与发布。

2.2 智慧教室功能概述
智慧教室硬件主体包含两个部分：智慧样板间、智慧实训桌，两者通过并行总线连接，可以满足所有学生并联控制及采集
2.2.1智慧样板间
智慧样板间基于传统实验室基础设备进行的升级改造，将实验室分成8个功能区，分别可完成：环境监测、安防报警、电器控制、红外遥控、智能门禁、摄像监控、能耗管理、远程医疗等项目的独立实训，所有功能区均通过装修安装到实验室墙壁
2.2.2 智慧实训桌
智慧实训桌采用标准的六角桌，可同时满足6个学生进行实验学习。每个实训桌与智慧样板间的一个项目功能区对应，功能区内的传感器将通过总线并线接入到实训桌，每个实训桌工位均可对该实训区内传感器进行控制

每个实训桌配有6个实训工位，通过并行总线与功能区传感器相连，实训桌内6个学生通过本组的智云网关组成一个传感网络，可同时对对应的功能区传感器进行物联网软件采集和控制。教师可通过智慧教室标准节点和网络跟踪硬件的变化，从而验证学生的作业情况。
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