教室智能化管理的设计与实现

黄孝新 黄思乐 姜公信

【摘要】传统高校教室设备复杂多样，故障率高，智能化管理存在一定瓶颈。本文以北理工珠海学院的教室为背景，通过对教室的设备架构和控制模式重新设计，利用云计算、物联网等信息技术，实现教室设备根据教务系统的任务进行智能控制，将使用场景复杂的教室管理變得智能、简单。

【关键词】多媒体；教室；智能化；物联网

一、研究背景

高校多媒体教室的多媒体设备主要由中央控制器、视频输入设备、视频输出设备、音频输入设备、音频输出设备等组成，如图1：

随着计算机技术的不断发展，部分多媒体设备控制系统逐渐将多媒体教室内的空调、灯光等强电设备也集中管理起来，但此部分功能主要是基于原有的多媒体设备控制系统，并无根本改变多媒体设备的组成结构，控制方式也基于原有的中央控制主机功能进行扩展。从多媒体教室的管理和使用来看，传统多媒体教室设备组成及控制方式，存在网络布线麻烦、设备部署繁杂、管理不便、用户体验不佳、资源浪费严重等诸多弊端，具体如下：

1.多媒体教室设备繁多，集成度不高，主要包括计算机、视频输入输出设备、音频输入输出设备等传统多媒体设备，以及空调、灯光、风扇等设备。

2.基于传统中控系统的设备连接繁琐、故障排查难，设备稳定新、可靠性均受影响。

3.多媒体教室的管理除多媒体设备集中管理外，空调、灯光、风扇等外设均主要依靠物业人员进行人工管理，导致教室管理效率低，人员管理成本高，同时也因管理效率问题，造成大量资源浪费。

4.因设备繁杂，导致教学人员使用设备较为繁琐，很多时候需要借助于管理人员；目前主流的手机、平板等移动设备较难接入多媒体教学平台，教学人员教学资源暂时受限。

随着计算机技术、物联网技术及云计算的发展，各高校也在积极探索适合自身教学、管理需求的智慧教室的方案。北京理工大学珠海学院结合自身管理特点，对教室的智能化管理进行了设计和实现。

二、教室智能化管理的设计

本文主要依托北京理工大学珠海学院对教室智能化管理的需求，对教室的多媒体设备及智能控制进行系统改造设计。

（一）设计原则

教室智能化管理的设计须符合北京理工大学珠海学院的实际管理情况，具备落地实施的条件。北京理工大学珠海学院多媒体教室为一体化管理模式。因此，教室智能化管理的设计不仅包括多媒体设备，而且包括教室内空调、灯光、风扇等所有设备。

1.智能原则

教室智能化管理设计须满足智能化控制原则，改变现有的人工管理和维护的现状；根据系统计划任务，达到教室的智能化管理；利用物联网技术，把教室全部设备集中连接、控制。

2.简化原则

利用先进信息技术，增强设备的集成力度，进一步简化设备组成，改变传统的多媒体教室设备组成结构。同时，教室应优化操作界面，简化教学人员的使用。

3.成本原则

设备的与设计，需有利于进一步减低设备投入成本；其次，教室智能化设计须考虑管理成本，尽量简化，易维护，减少管理人员成本支出；同时考虑节能设计，避免资源浪费。

（二）设计架构

1.教室智能化控制系统设计

本系统将教务系统与教室的控制系统进行数据对接，以教务系统的使用，包括课表、借用等任务，作为教室智能化管理和控制的计划任务，通过计划任务实现对教室的投影机、电脑、音响等多媒体设备及空调、灯光、风扇等设备进行智能化控制，实现教室的智能化管理，其设计架构如图2：

教室智能化管理和控制系统的设计关注以下几点：

（1）教室的智能化控制系统是以教务系统的课表、考试安排、借用等使用任务作为智能化管理和控制的数据依据，实现多媒体教室的智能管理。

（2）教室的智能化管理和控制充分考虑学校的管理实际，在以教务系统相关数据作为智能控制计划任务时，增加可提前或延后执行任务的时间设置，时间可根据学校的使用情况设置。

（3）充分考虑教室内各类设备特性，设定智能控制的顺序，例如，在计划任务结束时，依次先以正常程序关闭空调、投影机、投影幕、电脑等设备，以免因直接断电关闭设备，影响设备寿命；待以上设备正常关闭后，再执行关闭电源指令，控制教室电源。

（4）因智能控制主要依托网络传输相关数据和指令，因此，本设计考虑在断网或服务器异常的情况下，默认教室电路全为开路，保证教室正常使用，以免影响正常教学。

（5）本设计主要通过系统的计划任务来实现教室的智能化管理和控制，因考虑教室使用场景复杂多样，须建立教室移动化、集中化控制机制，即管理人员通过互联网可随时随地管理和控制教室。

2.多媒体设备系统设计

传统的多媒体设备系统中以传统中央控制器为核心设备，其他输入设备和输出设备等均通过有线接入中央控制器，以满足日常教学需求。多媒体设备系统设计主要以Android系统为核心技术，对传统中央控制器进行改进设计；同时，结合云计算和物联网等信息技术，组成新的多媒体设备系统架构，以满足日常教学需求，具体设计架构如图3：

多媒体设备系统设计主要关注以下几点：

（1）建立以Android系统为操作系统的、高度集成的、低能耗的智能中央控制设备为核心的多媒体系统，其余教学设备通过有线或无线接入至智能中央控制设备，形成完整的多媒体教学系统，简化多媒体设备系统组成。

（2）结合云计算技术，在多媒体设备中接入云桌面；每间教室将分配一个公共云桌面，或教师可直接使用自己的云桌面，直接用于教学；云桌面可集中管理、维护，大大减低教室管理人员的维护难度和复杂度；教师使用自身的云桌面进行教学，个性化更强，更具针对性。若遇断网，也可直接使用中控的Android系统，应急用于教学。

（3）多媒体的教学外设，包括投影机、电脑、话筒、音响等，主要通过有线或无线投屏技术接入中控。平板、手机等外设可通过无线投屏接入到多媒体设备系统中，实现教师和学生的移動设备可随时在教室内投屏分享，丰富课堂。

三、教室智能化管理的技术实现

（一）多媒体核心设备-智能中控

智能中控是一台带Android操作系统的硬件设备，不仅满足其他输入、输出设备通过有线或无线接入，而且结合学校云桌面，形成多媒体计算机，满足多媒体教室的日常教学。同时，智能中控集成了传统多媒体设备中的功放、无线路由器、多媒体中央控制等硬件功能，大大简化了多媒体设备的系统组成，如图4：

（二）智能化控制硬件系统

在不改变教室内原强电箱线路的情况下，将空调、灯光、风扇等强电回路接入控制电箱的继电器模块，通过控制继电器模块实现教室强电的控制功能。后台控制管理系统通过网络TCP/IP协议，与电箱网关设备进行通讯，网关设备将TCP/IP协议转换为RS485通信协议与教室控制模块进行通信。通信数据指令通过串口软件对教室内相应设备进行配置，把教室内不同型号的空调、投影机等控制码下发至对应教室的控制器内，实现空调、投影机的控制功能。其中，空调通过红外模块进行控制，投影机通过232模块进行控制，灯光、空调等强电模块则通过继电器模块进行控制。控制电箱内预留了电流检测模块，可将实时用电数据提供到节能平台，方便管理员对用电数据进行监控分析，如图5：

（三）智能化控制软件平台

智能教室控制软件平台是基于JAVA语言进行编写的。为了满足管理人员随时随地管理和控制多媒体教室，我们开发了基于B/S架构的web控制页面和基于H5技术开发的移动控制页面。控制软件将教室多媒体设备、空调和灯光、摄像头等设备集成在控制终端。通过控制软件，不仅可以观察各教室设备的运行状态，同时也可以对相关设备进行参数配置，从而实现对相应设备的控制。后台管理服务器每分钟向教室内的控制器发送数据包，教室内控制器超过三分钟接收不到后台服务器发送的数据包，控制器将不起作用，教室默认处于供电状态，解决由于断网或后台服务挂死出现大面积无法供电的情况，保证教育教学的正常秩序。WEB控制端如图6、手机APP控制端如图7：

（四）智能控制系统与教务系统对接

智能控制系统与教务系统进行数据库对接，将教务系统中的课表、考试安排、借用等任务列为智能控制系统的计划任务，从而智能的管理多媒体教室。智能控制系统和教务系统链接的方法是Dblink。 Dblink是一种实现异地数据库和本地数据库数据同步的技术，可以连接到异地数据库系统的表、视图。该技术建立同步操作快捷方便，在保证数据的自动更新的同时，又可以保证数据库间的数据实时一致，从而使教务系统中课表、借用表等同步到控制系统，使控制系统可以根据课表等控制教室内设备，实现教室智能化控制。

四、总结

本次教室智能化管理的设计和实现偏向于高校教室的管理，教学的智能化方面考虑较少。随着教室智能化的深入使用，技术的不断发展，教室智能化必将朝着教学智能化发展，即现在研究的热点：智慧教室。教室智能化将为教学积累大量教学数据，为课堂大数据分析提供数据基础，推动高校教育教学改革。

参考文献：

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