中智訊（武漢）科技有限公司
開放式智慧教室實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)方案

1. 智慧教室項(xiàng)目開發(fā)背景
   互聯(lián)互通的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

隨著網(wǎng)絡(luò)覆蓋的普及，人們提出了一個(gè)問題，既然無處不在的網(wǎng)絡(luò)能夠成為人際間溝通的*的工具，為什么我們不能將網(wǎng)絡(luò)作為物體與物體溝通的工具，人與物體溝通的工具，乃至人與自然溝通的工具？于是，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生。物聯(lián)網(wǎng)是“萬物溝通”的、具有全面感知、可靠傳送、智能處理特征的連接物理世界的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了任何時(shí)間、任何地點(diǎn)及任何物體的連結(jié)。可以幫助實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)與物理世界的有機(jī)結(jié)合，使人類可以以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，從而提高整個(gè)社會(huì)的信息化能力。

物聯(lián)網(wǎng)從技術(shù)角度講分為三個(gè)部分：全面感知、可靠傳遞、智能處理，是傳統(tǒng)嵌入式技術(shù)的一種應(yīng)用延伸，囊括從ARM接口技術(shù)、傳感器接口技術(shù)、微控制器驅(qū)動(dòng)應(yīng)用、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、ZigBee無線通信技術(shù)、6LoWPAN無線通信技術(shù)、*6無線通信技術(shù)、嵌入式操作系統(tǒng)、高級(jí)嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信、智慧云中間件、Android移動(dòng)應(yīng)用、嵌入式服務(wù)器編程、智慧數(shù)據(jù)分析與挖掘等課程資源的學(xué)習(xí)：
 

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開放式智慧教室實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)建設(shè)方案

1. 智慧教室項(xiàng)目開發(fā)背景
   互聯(lián)互通的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

隨著網(wǎng)絡(luò)覆蓋的普及，人們提出了一個(gè)問題，既然無處不在的網(wǎng)絡(luò)能夠成為人際間溝通的*的工具，為什么我們不能將網(wǎng)絡(luò)作為物體與物體溝通的工具，人與物體溝通的工具，乃至人與自然溝通的工具？于是，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生。物聯(lián)網(wǎng)是“萬物溝通”的、具有全面感知、可靠傳送、智能處理特征的連接物理世界的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了任何時(shí)間、任何地點(diǎn)及任何物體的連結(jié)。可以幫助實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)與物理世界的有機(jī)結(jié)合，使人類可以以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，從而提高整個(gè)社會(huì)的信息化能力。

物聯(lián)網(wǎng)從技術(shù)角度講分為三個(gè)部分：全面感知、可靠傳遞、智能處理，是傳統(tǒng)嵌入式技術(shù)的一種應(yīng)用延伸，囊括從ARM接口技術(shù)、傳感器接口技術(shù)、微控制器驅(qū)動(dòng)應(yīng)用、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、ZigBee無線通信技術(shù)、6LoWPAN無線通信技術(shù)、*6無線通信技術(shù)、嵌入式操作系統(tǒng)、高級(jí)嵌入式網(wǎng)絡(luò)通信、智慧云中間件、Android移動(dòng)應(yīng)用、嵌入式服務(wù)器編程、智慧數(shù)據(jù)分析與挖掘等課程資源的學(xué)習(xí)：

物聯(lián)網(wǎng)與智能硬件

物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵在于人與物對(duì)話，當(dāng)空調(diào)、汽車、廚房、書包能夠主動(dòng)與人“對(duì)話”，提供它的服務(wù)，嘮叨它的抱怨時(shí)，就已經(jīng)智能化了。物聯(lián)網(wǎng)的未來會(huì)大量改造現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)備，采用嵌入式技術(shù)為設(shè)備植入智能大腦，開發(fā)出生動(dòng)的智能硬件設(shè)備

物聯(lián)網(wǎng)與傳感網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)代社會(huì)的信息交互離不開網(wǎng)絡(luò)，智能硬件也需要通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。由于智能硬件的低成本/低功耗等多方面的嚴(yán)格要求，衍生出無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科要求能夠培養(yǎng)全面的傳感網(wǎng)絡(luò)知識(shí)，包括：ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth、RF433MHz、電力載波、*6等各種傳感網(wǎng)絡(luò)。特別是*6技術(shù)是未來物聯(lián)網(wǎng)傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)，能夠支持與互聯(lián)網(wǎng)的無縫接入，在開設(shè)ZigBee無線傳感網(wǎng)課程的基礎(chǔ)上，對(duì)*6技術(shù)的延伸尤為必要。

物聯(lián)網(wǎng)與智慧網(wǎng)關(guān)

物聯(lián)網(wǎng)傳感網(wǎng)絡(luò)屬于個(gè)域網(wǎng)的范疇，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程交互，需要通過智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行更遠(yuǎn)的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳遞。智慧網(wǎng)關(guān)的開發(fā)包含嵌入式Linux操作系統(tǒng)、嵌入式網(wǎng)絡(luò)編程、嵌入式數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)、并發(fā)線程及消息推送等技術(shù)。

物聯(lián)網(wǎng)與智云中間件

物聯(lián)網(wǎng)是對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)設(shè)施的一次升級(jí)，由此會(huì)帶來海量的傳感數(shù)據(jù)信息及交互日志信息，構(gòu)建區(qū)域化的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心是物聯(lián)網(wǎng)信息化建設(shè)中的重中之重，而基于數(shù)據(jù)中心的智云中間件的設(shè)計(jì)更是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的核心環(huán)節(jié)。智云中間件涉及到云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)并發(fā)、數(shù)據(jù)挖掘等多個(gè)技術(shù)內(nèi)容。

物聯(lián)網(wǎng)與系統(tǒng)應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)學(xué)科的應(yīng)用開發(fā)主要基于兩部分：基于行業(yè)的B/S架構(gòu)專家系統(tǒng)和基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)應(yīng)用開發(fā)。
 

構(gòu)建覆蓋每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)知識(shí)點(diǎn)的多功能物聯(lián)網(wǎng)綜合實(shí)驗(yàn)室符合當(dāng)前人才培養(yǎng)需求，同時(shí)能夠?qū)鹘y(tǒng)計(jì)算機(jī)、電子、軟件、通信等相關(guān)專業(yè)進(jìn)行學(xué)科融合，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室在不同課程學(xué)習(xí)中的實(shí)驗(yàn)作用。

物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)過近十年的發(fā)展，如今已經(jīng)上升為一門電子類與計(jì)算機(jī)類核心的專業(yè)學(xué)科。從當(dāng)前行業(yè)發(fā)展來看，物聯(lián)網(wǎng)研究方向主要基于五大新興領(lǐng)域：智能硬件、傳感網(wǎng)絡(luò)、智慧網(wǎng)關(guān)、智云中間件、系統(tǒng)應(yīng)用。

1. 物聯(lián)網(wǎng)之智慧教室

智慧教室是數(shù)字教室和未來教室的一種形式。智慧教室是一種新型的教育形式和現(xiàn)代化教學(xué)手段，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集智慧教學(xué)、人員考勤、資產(chǎn)管理、環(huán)境智慧調(diào)節(jié)、視頻監(jiān)控及遠(yuǎn)程控制等于一體的新型現(xiàn)代化智慧教室系統(tǒng)，是推進(jìn)未來學(xué)校建設(shè)的有效組成部分。

在學(xué)校，課堂教學(xué)環(huán)節(jié)是學(xué)生接受系統(tǒng)教育zui重要的一環(huán)，做好教學(xué)互動(dòng)環(huán)節(jié)，是掌握好教學(xué)環(huán)節(jié)的質(zhì)量，提高教學(xué)水平的關(guān)鍵。現(xiàn)行的教學(xué)過程中，傳統(tǒng)的簽到環(huán)節(jié)、疑問確認(rèn)環(huán)節(jié)、提問互動(dòng)環(huán)節(jié)、課堂小測(cè)試環(huán)節(jié)存在諸多問題。傳統(tǒng)的教學(xué)方式已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代化教學(xué)的需要，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集智慧教學(xué)、人員考勤、資產(chǎn)管理、環(huán)境智慧調(diào)節(jié)、視頻監(jiān)控及遠(yuǎn)程控制于一體的新型現(xiàn)代化智慧教室系統(tǒng)在逐步的推廣運(yùn)用。智慧教室作為一種新型的教育形式和現(xiàn)代化教學(xué)手段，給教育行業(yè)帶來了新的機(jī)遇

智慧教室設(shè)備能夠體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的三個(gè)層次（應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層），運(yùn)用傳感器、射頻識(shí)別（RFID）等技術(shù)，使信息傳感設(shè)備實(shí)時(shí)感知任何需要的信息，按照約定的協(xié)議，通過可能的網(wǎng)絡(luò)（如基于WIFI的無線局域網(wǎng)、移動(dòng)通信、電信網(wǎng)等）接入方式，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的泛在鏈接，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的智慧化識(shí)別、跟蹤、監(jiān)控和管理。同時(shí)，智慧教室還能滿足學(xué)校物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專業(yè)開設(shè)的物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論、傳感器原理及應(yīng)用、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用、RFID技術(shù)及應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)工程及應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)與中間件技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)等課程的實(shí)踐實(shí)訓(xùn)教學(xué)需要，并為學(xué)生或教師的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用項(xiàng)目開發(fā)提供平臺(tái)。

使學(xué)生通過智慧教室實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)理論、物理信息系統(tǒng)標(biāo)識(shí)與感知、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)和數(shù)據(jù)分析與信息處理技術(shù)等知識(shí)，具備通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)等信息領(lǐng)域?qū)拸V專業(yè)知識(shí)，具備一定的工程應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)、實(shí)踐能力和科學(xué)研究能力。

1. 開放式創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)室

智慧教室基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，那就可以搭建成一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，既可以用于學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究，也方便教師開展科學(xué)研究。可以通過智慧教室里面的人員考勤系統(tǒng)來判斷教室內(nèi)是否有人員，如果教室內(nèi)無人，則教室內(nèi)所有系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)；反之，則處于工作狀態(tài)。

智慧教室主要包括以下八個(gè)系統(tǒng)：

• 智能門禁系統(tǒng)

智能門禁系統(tǒng)由磁力門鎖、RFID讀卡器及配套軟件構(gòu)成，采用RFID標(biāo)簽（校園一卡通）對(duì)學(xué)生進(jìn)行考勤統(tǒng)計(jì)，對(duì)進(jìn)入教室的人員進(jìn)行身份識(shí)別，對(duì)合法用戶進(jìn)行考勤統(tǒng)計(jì)，對(duì)非法用戶進(jìn)行告警。同時(shí)可通過WiFi無線覆蓋，在遠(yuǎn)程對(duì)考勤情況的監(jiān)控，統(tǒng)計(jì)以及存檔打印等。

• 電器控制系統(tǒng)

電器控制系統(tǒng)由電動(dòng)窗簾、光照傳感器及配套控制軟件構(gòu)成。首先通過光照傳感器來判斷教室內(nèi)對(duì)應(yīng)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(guān)閉狀態(tài)；反之，處于工作狀態(tài)。

• 電器遙控系統(tǒng)

電器遙控系統(tǒng)由紅外遙控器、紅外LED壁燈和配套控制軟件構(gòu)成。通過光照傳感器監(jiān)測(cè)室內(nèi)光照度，通過分析數(shù)據(jù)，根據(jù)軟件預(yù)設(shè)值，當(dāng)室內(nèi)光照度低于限值時(shí)自動(dòng)開啟紅外LED壁燈。夏天當(dāng)室內(nèi)溫濕度低于zui底門限值時(shí)自動(dòng)關(guān)閉空調(diào)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫濕度的自動(dòng)控制。

• 安防報(bào)警系統(tǒng)

安防報(bào)警系統(tǒng)由燃?xì)?煙霧、報(bào)警器、排風(fēng)扇及配套軟件組成。用于檢測(cè)室內(nèi)可燃?xì)怏w濃度，并將狀態(tài)信息及時(shí)上傳至服務(wù)器。同時(shí)設(shè)置可燃?xì)怏w濃度達(dá)到一定值時(shí)，實(shí)施對(duì)排風(fēng)扇開啟和報(bào)警。

• 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由溫濕度傳感器、光照度傳感器、空氣質(zhì)量傳感器和配套監(jiān)控軟件構(gòu)成。通過溫濕度傳感器、光照度傳感器、空氣質(zhì)量傳數(shù)據(jù)采集，通過分析數(shù)據(jù)，根據(jù)軟件預(yù)設(shè)值，來判定環(huán)境是否適合居住

• 攝像監(jiān)控系統(tǒng)

攝像監(jiān)控系統(tǒng)由攝像頭、紅外柵欄傳感器和配套監(jiān)控軟件構(gòu)成。通過攝像頭查看學(xué)生上課行為習(xí)慣。

• 能耗管理系統(tǒng)

能耗管理系統(tǒng)由智能電表、智能插座和配套軟件構(gòu)成。通過軟件可以控制智能插座電源，實(shí)現(xiàn)控制相關(guān)電器的目的。采集電表數(shù)據(jù)設(shè)定用電額度，從而控制智能插座實(shí)現(xiàn)能耗管理

• 遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)

遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)由血壓傳感器、*、心率傳感器及配套軟件構(gòu)成。可以采集血壓、體溫、心率的數(shù)據(jù)，通過分析得知身體狀況。可通過軟件和醫(yī)生聯(lián)機(jī)、質(zhì)詢、整段。

1. 智慧教室項(xiàng)目實(shí)施方案
   1. 項(xiàng)目方案總體介紹

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一門綜合的工程應(yīng)用類學(xué)科，幾乎涵蓋了當(dāng)前熱門的幾個(gè)技術(shù)：智能硬件、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、無線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、M2M中間件、大數(shù)據(jù)挖掘等。高校在開展理論教學(xué)的同時(shí)，需要更加注重實(shí)踐環(huán)節(jié)，特別是對(duì)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)知識(shí)及行業(yè)應(yīng)用需求的分析尤需重視。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)基本分為兩類，一種是采購實(shí)驗(yàn)箱/實(shí)訓(xùn)臺(tái)進(jìn)行教學(xué)，基本上無法讓學(xué)生對(duì)項(xiàng)目總體有感性的認(rèn)知；另一種是采購沙盤/樣板間進(jìn)行項(xiàng)目演示教學(xué)，無法讓學(xué)生進(jìn)行基礎(chǔ)性知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。能否讓兩種教學(xué)方式合二為一，讓學(xué)生能夠?qū)ν暾捻?xiàng)目進(jìn)行認(rèn)知，又能夠在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中直接對(duì)項(xiàng)目部件進(jìn)行編程控制，同時(shí)還能綜合分組完成整體項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)？本項(xiàng)目方案即實(shí)現(xiàn)了一種創(chuàng)新型開放式智慧教室的實(shí)訓(xùn)室構(gòu)建方法，詳細(xì)教學(xué)模型如下
 

實(shí)驗(yàn)室方案框架說明：

1）開放式智慧教室實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)基礎(chǔ)硬件設(shè)施由現(xiàn)有傳統(tǒng)教室改造而成，配合智慧開放式實(shí)訓(xùn)桌，可構(gòu)建各種實(shí)際可見的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。

2）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)備通過智能化改造，增加智能無線控制器，支持物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通功能展示，同時(shí)配合增加的各種行業(yè)應(yīng)用需求的硬件，比如智慧教室、智能農(nóng)業(yè)、智能交通、智能溯源等，可以完成豐富的應(yīng)用項(xiàng)目展示，教師端通過管理軟件可以在線實(shí)時(shí)進(jìn)行項(xiàng)目演示教學(xué)。

3）智慧開放式實(shí)訓(xùn)桌提供豐富的分組實(shí)驗(yàn)功能，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)備通過分組設(shè)置不同的實(shí)訓(xùn)模塊，通過總線接入到實(shí)訓(xùn)桌，學(xué)生可通過本地的無線控制器，并聯(lián)對(duì)實(shí)際硬件進(jìn)行采集和控制，教師可通過管理軟件在線實(shí)時(shí)抓取硬件控制流數(shù)據(jù)包進(jìn)行作業(yè)分析。同時(shí)學(xué)生通過本地的無線控制器可以學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的嵌入式接口技術(shù)、傳感器接口技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。

4）智云物聯(lián)開放平臺(tái)采用標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)中間件技術(shù)，為物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目開發(fā)構(gòu)建一套完整的編程框架，方便進(jìn)行快速的綜合應(yīng)用項(xiàng)目開發(fā)與發(fā)布。

2.2   智慧教室功能概述

智慧教室硬件主體包含兩個(gè)部分：智慧樣板間、智慧實(shí)訓(xùn)桌，兩者通過并行總線連接，可以滿足所有學(xué)生并聯(lián)控制

2.2.1智慧樣板間

智慧樣板間基于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)備進(jìn)行的升級(jí)改造，將實(shí)驗(yàn)室分成8個(gè)功能區(qū)，分別可完成：環(huán)境監(jiān)測(cè)、安防報(bào)警、電器控制、紅外遙控、智能門禁、攝像監(jiān)控、能耗管理、遠(yuǎn)程醫(yī)療等項(xiàng)目的獨(dú)立實(shí)訓(xùn)，所有功能區(qū)均通過裝修安裝到實(shí)驗(yàn)室墻壁。詳細(xì)的功能區(qū)配置如下：

每個(gè)智能傳感器都通過智云無線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線控制，并與教師端智能網(wǎng)關(guān)組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，通過教師管理軟件可完成綜合采集、控制和演示。

1. 智慧實(shí)訓(xùn)桌

智慧實(shí)訓(xùn)桌采用標(biāo)準(zhǔn)的六角桌，可同時(shí)滿足6個(gè)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。每個(gè)實(shí)訓(xùn)桌與智慧樣板間的一個(gè)項(xiàng)目功能區(qū)對(duì)應(yīng)，功能區(qū)內(nèi)的傳感器將通過總線并線接入到實(shí)訓(xùn)桌，每個(gè)實(shí)訓(xùn)桌工位均可對(duì)該實(shí)訓(xùn)區(qū)內(nèi)傳感器進(jìn)行控制。布局如下：

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