基于移动物联网的智慧教室设计与实现
(3)应用层
应用层通过对感知层的数据信息进行处理并应用,实现智能教室的信息展示、信息交互并构建智能教学服务应用平台,如教室门禁考勤系统、硬件设备控制系统、教室环境监测系统、移动教育云平台及智能教学管理系统。
(4)终端接入层
终端接入层是物联网人机交互的接口,基于用户(如教师、学生或校方)的需求,用户可基于PC端及移动终端(智能手机或平板电脑)提供的可视化界面,对教室进行远程线上控制或选择控制策略。智慧教室系统整体结构如图2所示。
三、智慧教室系统设计方案
1.智能门禁考勤系统
智慧教室的智慧生态环境是开放式、交互式、联动式的。在日常教学中,门禁考勤也需要慎重考虑,目前,多媒体教室考勤沿用打卡式,这种“认卡不认人”的方式也给教学常规管理带来一定局限性。本文基于模式识别与RFID一卡通,提出智能门禁考勤系统。
(1)RFID模块
RFID模块部分使用有源标签,又称主动标签(Active Tag),采用超高频915MHz、微波2.45GHz和5.8GHz工作频段,远距离自动识别,高频系统的特点是标签内保存的数据量大、读写距离远(可达几米至十几米),识别静止及高速运行物体的性能一样好。
(2)摄像采集模块
依据大数据技术,对于进出教室的师生,调用校园资源数据库,根据实际情况及时定期更新资源库的信息,为门禁系统的模式识别提供最优的信息匹配数据库,实现门禁系统对识别目标的有效识别。
(3)模式识别模块
人脸、车牌等信息具有唯一性,基于上文采用的超高频RFID有源标签识别,快速识别目标对象的特性。由于基于人脸识别算法,智能门禁系统只对人脸特征信息“感兴趣”,其余干扰信息都“视而不见”。
本系统基于RFID超高频有源标签模式识别门禁考勤系统,如图3所示,通过高清摄像机自动截取人脸进行信息采集,同时传输网络送至模式识别和RFID模块,师生的人脸识别和RFID读卡器自动进行人脸特征信息与校园数据库匹配,作为身份认证。认证通过则“放行”,并记录考勤时间;反之则“提醒”,师生的进出情况等信息通过校园网存储于学校智能教学管理系统考勤模块,系统管理员也能随时通过移动终端查询实时门禁管理系统的当前以及历史数据。
2.硬件设备控制系统
传统的多媒体教室硬件设备碎片化严重,各种品牌型号不一、通信协议兼容性差,以至各类硬件设备应用处于割裂状态,只能单一控制,无法智能联动。
为此,本文提出基于CAN的现场总线组网技术,采用“分布式部署,集中式管理”的方式,把智慧教室的各种硬件设备连接组网,实现硬件设备控制管理的智能化、网络化、互动化、集成化。
(1)CAN现场总线关键技术
CAN是控制器局域网络(Controller Area Network)的简称,CAN总线是一种支持分布式控制和实时控制的网络总线,采用通信数据块进行信道编码,通信报文采用短帧结构,每个控制节点都有独立的CAN控制器,因此当多个控制节点同时发送数据时,总线根据控制数据的ID号自动比特位仲裁(Arbitration),避免造成数据阻塞及混乱。相比目前普遍应用的RS-485总线抗干扰能力差、传输可靠性差、通信传输速率低、每次只能接收并处理一个控制节点数据等不足,CAN总线采用循环冗余检查(CRC),添加冗余检查位保证通信的可靠性。CAN的数据传输速率范围广,介于5kbps~1Mbps之间,传输介质可采用双绞线或光纤等,具有高性能、高可靠性、高稳定性、实时性强、性价比高等优势,广泛应用于不同领域。
(2)智能控制系统设计
每间智慧教室的教学设备,包括多媒体设备、投影幕布、传感网络、网络摄像头、照明、空调、音响、门禁、自动窗帘等电气设备统一编码。本文的设计基于82C50型驱动器CAN总线综合布线技术,每一个硬件设备部署独立的CAN控制器,构建一个控制节点,通过CAN总线结构简单的总线网络拓扑,各设备控制节点接收中心协调器(如智能网关)的控制指令,智能教室网路层的各节点根据总线访问优先级别,优先级别取决于用户需求设置,并通过报文标识符(Pan ID)区别响应,采用无损结构逐位仲裁方式竞争向总线发送控制数据。由于CAN协议废除了站地址编码,取而代之对控制节点的通信数据实行编码,每个控制节点单元都有唯一的地址编码,通过这些地址编码使不同的控制节点同时接收到指令数据。CAN总线网络主要挂在CAN_H(CAN_High)和CAN_L(CAN_Low)上,由于双绞线的特性阻抗,还需要在CAN_H和CAN_L之间接上120Ω的终端电阻,各个节点通过这两条线实现信号的串行差分传输,使基于CAN总线构建的网络控制节点之间信息通信实现较强的交互性。当用户身处智慧教室时,基于智慧教室PC端控制设备;当用户在教室户外时,可以基于预定部署的异地PC端或个人移动终端,在线远程控制教室设备,不受空间限制,均可实现设备高可靠性与灵活性的管理控制。智能教室硬件设备控制系统如图4所示。
3.教室环境监控系统
目前多媒体教室环境监控主要依赖于摄像头的视频监控,并且大多数摄像头也依赖于人力干预,在监控中心看监控画面,只实行“监”,无法实现对突发事件的智能远程处理,此外教室环境监测设备(如PM2.5环境监测、光照监测、温湿度监测)部署基本没有。基于上述问题,本文基于无线传感网络与WiFi、ZigBee、Thread等无线组网技术,实现了智慧教室环境实时监测、智能远程处理。
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