智慧教室建设解决专业方案.docx

1.1 智慧教室建设背景
　　　在学校，课堂教学步骤是学生接收系统教育最关键一环，做好教学互动步骤，是掌握好教学步骤质量，提升教学水平关键。现行教学过程中，传统签到步骤、疑问确定步骤、提问互动步骤、课堂小测试步骤存在很多问题。签到过程中，使用纸张签到，效率低且存在代签现象，结果不便于老师统计；提问互动步骤和课堂小测试步骤中，老师给出简单选择后，学生举手或口头回复，不能取得正确统计数据，老师只能依据大致情况来判定是否进行教学，没有正确数据，更不能考虑后期数据挖掘和数据统计工作。传统教学方法已经不适应该代化教学需要，基于物联网技术集智慧教学、人员考勤、资产管理、环境智慧调整、视频监控及远程控制于一体新型现代化智慧教室系统在逐步推广利用。智慧教室作为一个新型教育形式和现代化教学手段，给教育行业带来了新机遇。
1.2 智慧教室关键用途
　　智慧教室设备能够表现物联网三个层次（应用层、网络层、感知层），利用传感器、射频识别（RFID）等技术，使信息传感设备实时感知任何需要信息，根据约定协议，经过可能网络（如基于WIFI无线局域网、移动通信、电信网等）接入方法，把任何物品和互联网相连接，进行信息交换和通信，实现物和物、物和人泛在链接，实现对物品智慧化识别、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、物联网标准和中间件技术、物联网应用系统设计等课程实践实训教学需要，并为学生或老师物联网技术应用项目开发提供平台。
　　　使学生经过智慧教室试验平台，能掌握物联网技术基础理论、物理信息系统标识和感知、计算机网络理论和技术和数据分析和信息处理技术等知识，含有通信技术、网络技术、传感技术等信息领域宽广专业知识，含有一定工程应用系统开发、实践能力和科学研究能力。
二、智慧教室试验平台方案
　　　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关键，构建WiFi无线局域网，覆盖智慧教室，加上教室有线网络交换机、网络路由器，从而建立融合有线网络、无线局域网物联网关键部分——网络层，多种传感器件经过标准模块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，组成全方面涵盖物联网三个层次一个统一物联网工程试验平台。同时，其它内置WiFi模块多种手持设备（笔记本电脑、手机等）也能无线接入该试验平台，成为物联网试验设备一部分；师生教学、科研实践开发其它感知模块，经过和标准WiFi设备服务器连接，也能轻易接入该试验平台，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关键产品，用于实现WiFi无线射频信号远距离、大范围光纤分布，是物联网无线网络分布关键分布方法。
　　光载无线交换机安装在智慧教室网络机柜里，和原本有线布线网络交换机连接，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）（全部网络协议处理、基带数据处理、射频信号处理全部集中在光载无线交换机内），经过模拟光纤链路将WiFi射频信号分布到智慧教室内，完成智慧教室WiFi无线覆盖，将试验设备和各类WiFi终端接入统一WiFi无线局域网，组成整体物联网工程平台。
2.2 物联网工程试验平台服务器
　　为实现物联网工程试验平台统一管理、试验室试验设备等管控、和开展功效复杂综合设计和科研项目，在智慧教室网络机柜里配置一台服务器。
　　该服务器安装系统软件，及物联网工程试验服务器端软件，提供当地、或远程访问服务，并实施对物联网试验监控和设备管理。
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关键，建成一个综合型物联网共享平台，全部设备系统均能够经过标准模块WiFi设备服务器无线接入物联网工程信息平台，经过服务器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设计原理图，开放足够多端口和丰富、完善接口函数和二次开发包，为老师、学生提供了一个开放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
　　该试验室建成一个综合型物联网应用场景，用于学生进行创新试验研究，和老师开展科学研究。首先经过读取人员考勤系统中数据来判定教室内是否有些人员，假如教室内无人，则教室内全部系统处于关闭状态；反之，则处于工作状态。 智慧教室包含以下多个系统：
3.1教学系统
　　教学系统由内置电子白板功效触控投影机一体机、功放、音箱、无线麦克、拾音器、问答器和配套控制软件组成。
　　使用内置电子白板功效触控投影机替换传统黑板教学，实现无尘教学，保护师生健康，可在投影画面上能够操作电脑，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，用于显示正在上课课程名称、专业班级、任课老师、到课率、和教室内各传感器采集环境数据（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组成。
　　在教室前后门各安装一个RFID考勤机，采取RFID标签（校园一卡通）对学生进行考勤统计，对进入教室人员进行身份识别，对正当用户进行考勤统计，对非法用户进行告警。同时可经过WiFi无线覆盖，在远程对考勤情况监控，统计和存档打印等。
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组成。
　　在教室前后门各安装一个特高频读卡器，对教室内试验仪器、设备等资产（贴有RFID标签，标签上存放有设备具体信息）进行出入教室监控和管理，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组成。
　　首先经过人体传感器来判定教室内对应位置是否有些人，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：经过采集安装在窗户光照传感器数据，依据软件预设门限值，以窗帘自动开、关来实现教室内光照强度赔偿；
2：灯光控制系统：采集安装在教室内光照传感器数据，经过分析数据，依据软件预设值，来控制教室内灯光自动开启和关闭，并可调整灯光亮度，实现室内灯光智能控制和节能减排。
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组成。
　　经过温湿度传感器监测室内温度，经过分析数据，依据软件预设值，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开关状态，并将状态信息立即上传至服务器。同时设置敏感时段，实施对窗户自动监视和报警。
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组成。
　　经过CO2传感器监测室内CO2浓度，经过分析数据，依据软件预设值，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，经过补充室外空气来降低室内CO2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组成。
　　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，所采集影像经由远端射频单元传送至终端管理电脑，提供实时监控数据。
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
3
LED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、试验项目
　　该试验方案能够完成物联网网络层、应用层和传感层课程试验和综合试验，同时支持在此平台下，开展科研训练、复杂综合设计试验、毕业设计及创新试验，下表列出了基础试验项目：
试验项目表
物联网试验方案
设备
试验序号
试验项目
物联网工程信息平台套件
试验1
有线局域网组网试验
试验2
无线局域网组网试验
试验3
有线和无线局域网混合组网试验
试验4
物联网工程信息平台测试试验
试验5
无线信号分布试验
试验6
物联网信息平台管理和配置试验
试验7
感知层认知试验
试验8
网络层传输试验
试验9
感知层网络层接口试验
试验10
网络层应用层接口试验
试验11
应用层编程试验
试验12
WiFi无线传感器试验-温湿度传感器
试验13
WiFi无线传感器试验-光照度传感器
嵌入式试验
试验14
温湿度传感器数据采集试验
试验15
光照度数据数据采集试验
试验16
温湿度传感器数据通信试验
试验17
光照度数据通信试验
WIFI设备服务器
试验18
WiFi设备服务器管理和配置
人员考勤系统
试验19
高频RFID应用试验
试验20
人员考勤系统设计试验
资产管理系统
试验21
特高频RFID应用试验
试验22
货物盘点系统设计试验
智慧照明系统
试验23
物联网智慧灯光控制系统应用试验
试验24
物联网智慧灯光控制系统开发实训
视频监控系统
试验25
物联网视频监控应用实训
试验26
物联网视频监控系统开发实训
空调控制系统
试验27
试验室空调控制系统应用实训
试验28
物联网空调控制系统开发实训
串联控制系统
试验29
试验室窗帘控制系统应用实训
试验30
试验室窗帘控制系统开发实训
综合
试验31
物联网人员管理应用实训
试验32
物联网物资管理应用实训
试验33
物联网人员物资管理系统开发实训
试验34
物联网综合应用开发实训
试验35
数据服务器管理和配置试验
试验36
物联网数据网关（中间件）设计实训
试验37
物联网网络编程试验
试验38
物联网远程控制试验（B/S模式）
试验39
物联网远程控制试验（C/S模式）