基于物联网技术的智能教室应用

2022-12-23邓煌依林雨雯

物联网技术 2022年12期

关键词：网络层门禁系统联网

邓煌依，林雨雯

（广州工商学院，广东佛山 528000）

0 引言

随着物联网的不断发展，物联网在生活、工作和学习中的应用不断扩大，比如近些年在国内外竞争十分激烈的智能音箱、智能门锁、智能家具、扫地机器人等领域，我们身边随处可见的智能设备等，都是利用物联网技术连接起来的[1]。

1 概述

1.1 物联网技术

物联网是指将生活、工作和学习中的日用品连接到互联网的过程。这些物品一旦连接上了互联网，便可以进行远程操控、数据共享等，简单来说就是物联网把全世界的物品连接起来，让他们之间可以交流，简称万物互联[2]。

1.2 智能教室

智能教室是运用传感器、云计算等技术，将教室里的灯光、门禁、教学设备等连接起来，使学生在学习的过程中能够更加简单、高效和轻松。

2 传统教室的状况

学生进出课堂很随意；教室需要通过黑板来罗列所学知识，知识体系更加抽象；灯光、窗帘等教室所需设备需要人为走动开关和调整；学生需要携带各科纸质版书籍和相应笔记本到教室学习，不利于减轻学生负担；教师需要通过口头布置作业和回收纸质版作业进行查阅批改，不利于环保[3]。

3 智能教室的应用

3.1 智能控制系统

智能控制系统通过电脑的中控与教室里各系统进行关联，从而更好地控制教室内的各种机械器具。控制系统是智能教室强有力的助手，能很好地调节各方面需要，满足学生和教师的需求。

智能控制系统能够实时根据天气的变化合理调整温度和湿度，并在上课时间内自动开启学习灯光，在下课时自动开启护眼灯光，当师生都进入教室时，窗帘自动关闭，通风换气系统和空调自动打开，当学生全部退出教室后，系统自动打开窗帘，关闭通风换气系统和空调，使师生能够处于适宜的环境[4-5]。

（1）智能照明系统

现在的照明大多保持固定状态，教室照明的作用是为学生提供明亮的学习环境。但固定的照明会使学生产生视觉疲劳，甚至近视。即使现有灯光可以人工调节，但大多数时候，人在专注一件事时，会忘记调节灯光亮度。而智能控制系统可通过数据计算和光感器推算出当前适用的最优灯光，时时刻刻提供最优照明。智能照明系统以单片机作为主控单元，通过传感器判断教室里是否有人，做到人在灯亮，人走灯灭。使得学校对于照明的耗电量及电费得到有效减少[6]。

（2）智能环境系统

在物联网环境下，通过对当天天气及温度、湿度的数值进行提取分析，控制空调的温度及湿度。南方的冬天寒冷入骨，夏天炎热使人疲倦，虽然北方在冬天有供暖系统，但并不能完全满足人体对最佳温度的需求。

（3）智能通风系统

在南方寒冷的冬天，同学们会把门窗关上，减少外界冷空气的进入，但长时间坐在教室中呼吸空气，会使得教室充满沉闷的感觉，同学们不能很好地呼吸新鲜空气。智能通风系统基于物联网技术，通过感受教室内的风量、风速及二氧化碳等有害气体等的浓度，及时将新鲜空气与室内空气进行交换。

3.2 智能门禁系统

当学生站在教室门口时，智能门禁系统利用人脸识别技术收集学生的学籍信息，当学生签到后自动开门，待所有学生进入教室后，考勤系统将会整理一份电子版表格传给对应教师端，清楚记录应到人数、总到人数、缺勤人数等信息。

3.3 智能教学系统

智能教学系统利用超大投影仪代替了传统的黑板教学模式，在教师教学的过程中能够自动调整音响音量，教师在投影屏幕上能够结合视频、图片、动画进行生动教学，使学生不再局限于传统的板书获取知识。学生登录自己的账号后可找到专属本节课的电子书，还可在电子书里自由做笔记，教师对学生进行提问或布置作业时学生也可以通过班级讨论及提交作业的形式把答案通过平台传递给教师，教师可以在教师系统中对学生的作业进行批改。系统在每节课课后都会自动弹出课堂评价及课堂反馈，方便教师及时调整教学策略[7]。

3.4 智能安防系统

智能安防系统利用烟雾传感器、温湿度传感器、地震预报系统等对教室情况进行实时监测，超过一定数值则会发出警报，及时提醒师生撤离，保证师生安全。

4 智能教室的优点

4.1 智能教室所需技术

（1）物联网技术

物联网将现实世界数字化，应用范围十分广泛。在智能教室中，物联网分为感知层、网络层、应用层，主要通过对外界的感知、网络传输、代码运算、结果返回等方式进行实时控制。

感知层：为智能控制系统、智能门禁系统、智能教学系统和智能安防系统分配唯一的地址，实现物与物之间的通信。感知层主要由传感器组成，将所有信息通过传感器收集后借助网络层传输。在智能门禁系统中，将人脸识别技术应用于门禁系统，可有效避免未录入系统的陌生人随意进入，而且能够获悉每个人进入的时间，以及停留时间。智能控制系统中的环境系统通过感应器接收当下的温度及湿度信息，由计算机推测最佳温度后进行调整。感知层技术如图1所示。

图1 感知层技术

网络层：物联网分为短距离无线、中距离无线、长距离无线，以及有线技术等。其中，我们将ZigBee应用于智能教学系统。ZigBee属于无线传输技术，其距离短且功耗低，该技术通常情况下被应用在短距离范围，在数据传输速率要求不高的电子设备中得到了广泛应用。同蓝牙相比，该技术十分简单，且费用与功率等也相对较低。网络层流程如图2所示。

图2 网络层流程

应用层：应用服务层针对不同客户的需求，利用网络层传输的数据直接操作智能器具。如安防系统，接收到网络层传来的烟雾警报将立即开启灭火装置；门禁系统接收到不符合学校学籍数据库中的人脸信息后，应用层开启门禁系统中的禁止入内模式。应用层设备如图3所示。

图3 应用层设备

（2）云计算技术

云计算通过网络将大量需要经过计算处理的程序分拆成无数小的子程序，再将这些小程序交给由许多服务器组成的庞大系统进行搜寻、计算分析等处理，之后将结果传回用户，不会造成资源浪费[8]。

云计算能够按用户需求进行动态分配，给我们提供了便捷。其优势如下：

可大规模使用：云服务器能供几十甚至上百万台计算机使用，满足多种用户需求；

可靠性高：当个别云服务器出现差错时，服务可跳转到空闲服务器；

按需服务：这是云计算的一大特点，能对用户的需求进行动态分配，满足用户需求等。

这些优势能在使用云服务时降低智能教学出现差错的概率，云技术可自动跳转到空闲服务器，使得教学过程顺畅。一些特定资料上传到云服务端，能有效避免电脑格式化、U盘格式化、感染病毒而导致数据丢失等情况出现，学生也能直接在云服务中随时获取数据，进一步方便学生学习，减少教师教学过程中的突发情况[9]。

（3）智能桌面及虚拟技术

未来，学生的桌面不应只是用来放书，起支撑作用。我们可以将物联网技术与书桌相连，打造智能化书桌。桌面不再是木质桌面，而是玻璃屏的电子桌面，能向手机一样进行触屏操作，同时，桌面还具有提醒功能，学生能将当天需完成的任务写在虚拟桌面上。由北京邮电大学的“老师好我叫何同学”制作的智能桌不仅具有提醒功能，还配备了手机充电功能。这些可以运用在智能教室的虚拟桌面中。将电脑融入桌面，方便学生进行资料查阅，教师也可以将屏幕共享到学生对应的书桌上。同时我们也可将虚拟技术运用在课堂上，通过3D眼镜实现由肢体参与到课堂的方式，趣味性十足。

4.2 智能教室优化传统教学环境的功能分析

智能教室相比于传统教室具有很强的交互性、灵活性，且沉浸体验感佳。智能教室的特性决定了它具有数字化、信息化、智能化等特点，在多种现代技术的加持下，能给学生和教师提供更好的工作环境。

当下高校大多数都已经是多媒体教室了，但由于多媒体教室由不同专业课程的教室和学生使用，每种课程的教师使用的软件不尽相同。随着多媒体教室的应用和推广，易出现由于教师和学生不当操作，给系统带来安全隐患的情况。传统教室大多只是具有多媒体的部分功能，将由手写和口头讲授的方式转变成为电子白板或电脑桌面展示，教师只能运用单一的教具传授知识。而智能教室不仅给学生营造了舒适的学习环境，还具有多种交互特点，使学生的“学”与教师的“教”具有互动和趣味性[10]。

智能教室还具备多种智能设备及系统，无论是智能安防、智能控制、智能门禁还是智能教学，使用者都能从安全、舒适、智能等方面来体验该教室不同于传统教室的功能[11]。

5 智能教室的思路与前景

物联网技术的运用比比皆是，例如智能家居、智能电气等。不久的将来，我们也可以将物联网技术应用到现代教学设备管理中，为教师和学生创建智能化、数字化、舒适的教学环境。我们深入理解了物联网与云计算的发展过程，根据现有水平及学校的实际情况进行调整，构建融合了互联网体系、云计算体系的服务平台。智能教室不仅注重技术，还要时刻注重管理，所以管理人员也起着十分重要的作用。