基于移动物联网的智慧教室设计与实现
(1)无线组网关键技术介绍
①WiFi技术
WiFi是基于“IEEE 802.11”系列的无线网络技术,工作特点:①覆盖范围广,通信半径30~100m;②传输速率高,一般传输速率可达数百Mbit/s,第六代WiFi无线传输速率达到7Gbps;③低辐射传输,IEEE 802.11规定的发射功率不超过100mW,实际发射功率为60~70mW,低于手机的发射功率200mW~1W,辐射安全性较好。WiFi 组网方式为近距离的星型拓扑,WiFi路由器起中心节点的作用,终端设备作为一般节点,其接入和断开网络不会影响网络其他节点的工作,是目前人类生活中接入互联网最为方便和应用最为广泛的组网方式。
②ZigBee技术
ZigBee是一种基于“IEEE 802.15.4”通信协议的短距离无线通信技术,旨在构建一种低速率、低功耗、近距离传输的个域网(Low Rate Wireless Personal Area Network, LRWPAN)。按照ZigBee组网方式,拓扑类型有星型(Star)、树型(Tree)及网状型(Mesh),网络设备的节点由协调器节点(Coordinate)、路由器节点(Router)及终端节点(End Device)组成。ZigBee技术具有低功耗、低成本、延时短、自组织、自适应、高可靠性和安全性优势,广泛应用于工业控制、现代农业、智能家居等领域。
③Thread技术
Thread是一个基于开放标准构建的面向低功耗“IEEE802.15.4”网络拓扑的下一代互联协议IPv6的网络标准,运行频段2.4GHz,使用6LowPAN(Pv6 over Low power Wireless Personal Area Network)技术,能够同时支持250个左右的智能设备(如传感器、照明、智能开关等)相互连接并直接连接到云端。Thread组网是网状拓扑,主要由设备节点、路由器节点和边界路由器节点组成。第一个路由器节点自动作为Leader节点,主要负责执行额外的网络组建管理任务,并进行决策,在同一网络同一时段,仅有一个Leader节点。
(2)智能环境监控系统设计
智慧教室环境监控系统通过在感知层部署大量传感器实时采集感知数据,传感器与硬件设备通过联动来实时动态调整教室环境最优状态,同时教室环境的监测数据也及时反馈至硬件设备,对硬件设备进行通断电决策,充分提高硬件设备的利用率并有效节约资源。环境监控系统传感器及联动外设如表1所示。
针对小型智慧教室系统,环境监测系统感知层采用WiFi组网的星型拓扑结构。中心节点为智能网关设备(如无线路由器),教室其他传感器设备节点都直接接入WiFi网络进行通信,实现教室环境与硬件设备的联动。 WiFi星型拓扑示意图如图5所示。
各联动外设内置采用基于“802.11n”通信标准的型号为“88W8801”的WiFi模块芯片,其工作频段为2.4GHz,最大传输速率为72Mbps,满足小型智慧教室环境监测系统需求,实现智慧教室与硬件设备智能联动,基于WiFi组网的小型智慧教室智能环境监控系统由信息感知、传递、处理及应用构成,具体实现方案如图6所示。
针对较大型的智慧教室系统,并非所有传感器节点均与智能网关直接通信,鉴于传统的ZigBee组网技术无法直接与互联网连接,本文利用Thread应用层兼容ZigBee设备的特点,提出一种融合ZigBee终端设备节点的Thread新型组网方案(以下简称“ZigBee_Thread组网技术”),充分发挥了ZigBee和Thread组网技术的优势,由于Thread是基于IPv6网络协议,因此其可以直接接入互联网并访问任何一个节点,不需要依赖复杂的智能网关。 ZigBee_Thread组网技术网状拓扑示意图如图7所示。
各联动外设内置的ZigBee终端设备节点采用HFZ-CC2530EM-V2.0芯片开发,采用德州仪器(Texas Instruments,TI)的射频芯片CC2530-F256,具备RF 收发器的优良性能,增强型8051为处理器,系统内可编程闪存为8-KB RAM,支持ZigBee2007/Pro协议栈。基于ZigBee_Thread组网的大型智慧教室监控系统,传感器数据经过串口通信至ZigBee终端节点,运用ZigBee应用层协议(ZigBee Cluster Library,ZCL)运行于Thread组网上,完成信息感知、传递、处理及应用,具体实现方案如图8所示。
4.移动终端后台服务器与APP应用开发
在应用层的应用服务端与终端接入层的应用客户端的处理过程中,需要开发一个移动终端后台服务器,使用户能够基于移动终端运行智慧教室的各个子系统。应用层后台服务器移动终端的构建,使用服务端构建的基于校园网智慧教室独立的服务器端软件平台,具体包括:安装处理数据的数据库管理软件(如Oracle Database、SQL Server);搭建IIS(Internet Information Server)信息服务器,与 Window Server完全集成在一起。用户能够利用Windows Server和NTFS(NT File System,NT的文件系统)内置的安全特性,建立强大、灵活而安全的Internet和Intranet站点,为智能教室服务器配置固定的IP地址和域名。
至于客户应用端APP应用的开发,本文基于Android部署与用户APP通信的服务端程序, 在Java语言提供的核心软件开发工具JDK(Java)与Android SDK软件开发环境,通过软件编程及界面设计,为用户提供移动终端平台可视化和友好的人机交互界面,使师生等人员在使用智慧教室时,体验移动端的一站式服务。开发的APP可以包括移动交互学习平台、智能教学管理客户端、智慧教室多媒体设备远程控制、电子门禁考勤等应用,实现用户对智慧教室的“智能掌控”。
四、结束语
在“互联网+教育”浪潮的推动下,智慧教室融合了物联网、云平台、移动互联网、无线传感网等新兴技术。本文提出融合移动物联网与云平台的智能教室,给师生提供了一个集智能教学、移动交互学习、环境智能监测调节、设备联动智能控制于一体的现代新型信息化教室系统,充分提高了教学资源的利用率,进一步提升了教师的信息化教学素养,增强了学生的自主学习意识,为开拓新时代智慧教育的新模式发挥了作用。
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