智慧教室建设解决方案

一、系统概述

1.1 智慧教室建设背景

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。签到过程中，使用纸张签到，效率低且存在代签现象，结果不便于教师统计；提问互动环节和课堂小测试的环节中，教师给出简单选择后，学生举手或者口头回答，不能获得准确的统计数据，教师只能根据大体情况来判断是否进行教学，没有准确的数据，更不能考虑后期的数据挖掘和数据统计工作。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。

1.2 智慧教室主要用途

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。

二、智慧教室实验平台方案

智慧教室以物联网工程信息平台为基础，以光载无线交换机为核心，构建WiFi无线局域网，覆盖智慧教室，加上教室的有线网络交换机、网络路由器，从而建立融合有线网络、无线局域网的物联网关键部分——网络层，各种传感器件通过标准模块WiFi设备服务器（串口通信RS232转WiFi无线网络）无线接入物联网工程信息平台，构成全面涵盖物联网三个层次的一个统一的物联网工程实验平台。同时，其它内置WiFi模块的各种手持设备（笔记本电脑、手机等）也能无线接入该实验平台，成为物联网实验设备的一部分；师生教学、科研实践开发的其它感知模块，通过与标准的WiFi设备服务器连接，也能轻易接入该实验平台，完成测试、验证。

2.1 光载无线交换机及其分布式天线系统

光载无线交换机及其配套设备远端射频单元为广州飞瑞敖电子科技有限公司的核心产品，用于实现WiFi无线射频信号的远距离、大范围的光纤分布，是物联网无线网络分布的主要分布方式。

光载无线交换机安装在智慧教室的网络机柜里，与原本有线布线的网络交换机连接，接入学校计算机网络。光载无线交换机内置2个WiFi接入点（AP）（所有网络协议处理、基带数据处理、射频信号处理都集中在光载无线交换机内），通过模拟光纤链路将WiFi射频信号分布到智慧教室内，完成智慧教室的WiFi无线覆盖，将实验设备和各类WiFi终端接入统一的WiFi无线局域网，构成整体物联网工程平台。

2.2 物联网工程实验平台服务器

为实现物联网工程实验平台的统一管理、实验室实验设备等管控、以及开展功能复杂的综合设计和科研项目，在智慧教室的网络机柜里配置一台服务器。

该服务器安装系统软件，及物联网工程实验的服务器端软件，提供本地、或远程访问服务，并实施对物联网实验的监控和设备管理。

三、智慧教室系统设计方案述

智慧教室基于光载无线交换机为核心，建成一个综合型的物联网共享平台，所有的设备系统均可以通过标准模块WiFi设备服务器无线接入物联网工程信息平台，通过服务器的系统软件统一管理前端系统设备；同时，我们提供教室智慧系统的设计原理图，开放足够多的端口和丰富、完善的接口函数以及二次开发包，为教师、学生提供了一个开放的环境平台去学习和研究。

下图1是智慧教室总体框图：

图1 智慧教室总体框图

该实验室建成一个综合型的物联网应用场景，用于学生进行创新实验研究，以及教师开展科学研究。首先通过读取人员考勤系统中数据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。 智慧教室包括以下几个系统：

3.1教学系统

教学系统由内置电子白板功能的触控投影机一体机、功放、音箱、无线麦克、拾音器、问答器和配套控制软件构成。

使用内置电子白板功能的触控投影机代替传统的黑板教学，实现无尘教学，保护师生的健康，可在投影画面上可以操作电脑，在每个桌位上配置问答器，实现师生交互式课堂教学。

3.2 LED显示系统

LED显示系统由LED面板拼接而成，安装在教室黑板顶部，用于显示正在上课的课程名称、专业班级、任课教师、到课率、和教室内各传感器采集的环境数据（室内温湿度、光照度、二氧化碳浓度等）。

3.3人员考勤系统

人员考勤系统由RFID考勤机、考勤卡和配套控制软件构成。

在教室前后门各安装一个RFID考勤机，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。

3.4资产管理系统

资产管理系统由特高频RFID读卡器、纸质标签、抗金属标签和配套控制软件构成。

在教室前后门各安装一个特高频读卡器，对教室内的实验仪器、设备等资产（贴有RFID标签，标签上存储有设备的详细信息）进行出入教室的监控与管理，对未授权用户把教室内资产带出教室进行告警，方便设备管理人员对教室设备的统一管理。

3.5灯光控制系统

灯光控制系统由灯光控制器、光照传感器、人体传感器、窗帘控制系统和配套控制软件构成。

首先通过人体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。

1：窗帘控制系统：通过采集安装在窗户的光照传感器数据，根据软件预设门限值，以窗帘自动开、关来实现教室内光照强度的补偿；

2：灯光控制系统：采集安装在教室内的光照传感器数据，通过分析数据，根据软件预设值，来控制教室内灯光的自动开启与关闭，并可调节灯光的亮度，实现室内灯光的智能控制与节能减排。

3.6空调控制系统

空调控制系统由中央空调电源控制器、温湿度传感器和配套控制软件构成。

通过温湿度传感器监测室内温度，通过分析数据，根据软件预设值，当室内温湿度高于最高门限值时自动开启空调。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。

3.7门窗监视系统

门窗监视系统由窗户门磁模块及配套软件组成。

窗户门磁模块用于检测门和窗户的开关状态，并将状态信息及时上传至服务器。同时设置敏感时段，实施对窗户的自动监视和报警。

3.8通风换气系统

通风换气系统由抽风机、CO2传感器和配套监控软件构成。

通过CO2传感器监测室内的CO2浓度，通过分析数据，根据软件预设值，当室内CO2浓度高于软件门限值时自动开启抽风机来进行换气，通过补充室外空气来降低室内CO2的浓度。

3.9视频监控系统

视频监控系统由WiFi无线摄像头和配套监控软件构成。

视频监控可为安防系统、资产出入库、人员出入情况提供查询依据。

在教室前后门口各安装一个WiFi无线摄像头监控人员出入和资产的出入库情况，在教室内安装一个WiFi无线摄像头监控教室内部实时情况，所采集的影像经由远端射频单元传送至终端管理电脑，提供实时的监控数据。

序号系统名称设备名称

1物联网工程信息平台套件光载无线交换机

远端射频单元

有线交换机模块

1U服务器

光载无线网络管理软件

2教学系统台式电脑

功放

音箱

无线麦克

拾音器

问答器

教学软件

3LED显示系统LED面板

LED显示管理软件

4人员考勤系统高频标签

WiFi设备服务器

物联网人员管理软件

高频RFID读卡器

5资产管理系统特高频读卡器

纸质标签

抗金属标签

WiFi设备服务器

物联网仓储物流管理软件

6灯光控制系统光照传感器

人体传感器

WiFi设备服务器

灯光控制系统

窗帘控制系统

物联网智慧家居管理软件

7空调控制系统温湿度传感器

WiFi设备服务器

中央空调电源控制器

立式空调

空调控制系统软件

8门窗监视系统门磁模块

安防主机报警系统主机

门窗监控系统软件

9通风换气系统抽风机

CO2传感器

通风换气管理软件

10视频监控系统WiFi摄像头

物联网视频监控管理软件

四、实验项目

该实验方案可以完成物联网网络层、应用层和传感层的课程实验和综合实验，同时支持在此平台下，开展科研训练、复杂综合设计实验、毕业设计及创新实验，下表列出了基本的实验项目：

实验项目表

物联网实验方案

设备实验序号实验项目

物联网工程信息平台套件实验1有线局域网组网实验

实验2无线局域网组网实验

实验3有线和无线局域网混合组网实验

实验4物联网工程信息平台测试实验

实验5无线信号分布实验

实验6物联网信息平台的管理与配置实验

实验7感知层认知实验

实验8网络层传输实验

实验9感知层网络层接口实验

实验10网络层应用层接口实验

实验11应用层编程实验

实验12WiFi无线传感器实验-温湿度传感器

实验13WiFi无线传感器实验-光照度传感器

嵌入式实验实验14温湿度传感器数据采集实验

实验15光照度数据数据采集实验

实验16温湿度传感器数据通信实验

实验17光照度数据通信实验

WIFI设备服务器实验18WiFi设备服务器管理与配置

人员考勤系统实验19高频RFID应用实验

实验20人员考勤系统设计实验

资产管理系统实验21特高频RFID应用实验

实验22货物盘点系统设计实验

智慧照明系统实验23物联网智慧灯光控制系统应用实验

实验24物联网智慧灯光控制系统开发实训

视频监控系统实验25物联网视频监控应用实训

实验26物联网视频监控系统开发实训

空调控制系统实验27实验室空调控制系统应用实训

实验28物联网空调控制系统开发实训

串联控制系统实验29实验室窗帘控制系统应用实训

实验30实验室窗帘控制系统开发实训

综合实验31物联网人员管理应用实训

实验32物联网物资管理应用实训

实验33物联网人员物资管理系统开发实训

实验34物联网综合应用开发实训

实验35数据服务器管理与配置实验

实验36物联网数据网关（中间件）设计实训

实验37物联网网络编程实验

实验38物联网远程控制实验（B/S模式）

实验39物联网远程控制实验（C/S模式）