【《智慧教室中智慧物联功能设计与实现案例分析》3900字】

智慧教室中智慧物联功能设计与实现案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u1176智慧教室中智慧物联功能设计与实现案例分析 1326591.1建设意义 111781.2方案概述 1195371.2.1设计原则 117191.2.2方案架构 284701.3设计与实现 4建设意义教室是学校进行教学活动的主要场所。“智慧物联教室”主要利用物联网技术对包括多媒体系统、照明灯具、空调、风扇、新风系统等设备进行智能化改造，简化设备协调管理的难度，提高设备管理效率，提高设备效能，节省人员管理成本，加固用电安全，为学生打造可体验感知的未来教室。建设具备全教室设备互联的智慧教室，具备如下意义：智能物联：实现多媒体设备、灯光、窗帘、空调、新风、风扇等设备的互联，结合数据采集和后台大数据分析实时监测室内环境并改善优化，并可以让学生在学习阶段就可以亲身感受物联网技术；高效管理：方便统一管理教学设备、一键优化环境质量，自由调节教学场景、支持灯具寿命预测、状态及故障统计；节能环保：减少当前学校存在的多设备维护费用及人力，所有照明设备均为LED光源，智能调节、整体设备综合节能50%以上。方案概述设计原则根据国家发布的校园建设标准，智慧物联校园建设将是一个长期的过程，而智慧教室则是与学生教学最为密切的物联网应用。根据现阶段学校发展情况及当前功能的要求，考虑未来应用扩展的需要，现阶段智慧物联教室的建设，需满足下列原则：实用性实用性是应遵循的第一原则。智慧物联教室的建设内容应符合实际需要，不片面追求系统与功能的超前性，在合适的技术范围和投资范围内实现当前所需要的功能。系统的前端产品和系统软件均有良好的操作性，使具备电脑初级操作水平人员，通过简单的培训即可掌握操作要领。稳定性智慧物联教室系统需长期工作，且教室众多设备众多，日常因教学活动不便随时维护等特性，使系统及设备的稳定性显得尤为重要。整个方案中的产品需选择有多年市场成功应用经验、有完整客户群和客户服务体系公司的产品进行对接改进，确保系统的整体稳定性及使用寿命。安全性校园项目需充分考虑对学生安全可能造成的影响。项目建设中所选用的设备及配件，在性能安全可靠运转的同时，还需充分考虑学生因好奇操作、冲撞、误操作、强行拆卸等情况下，部分结构或零部件边缘对其身体可能造成的伤害。可扩展性随着智慧物联教室建设的深入，学校需求的不断变化，物联教室的设计与实施应考虑到将来可扩展的实际需要，可灵活增减或更新各个子系统，以满足不同时期的需要，同时保持领先地位，作为校园智能设施使用及建设的典范。易维护性系统运行过程中的维护应简单易行。系统的运转做到开电即可工作运行的程度，在日常维护过程中无需使用过多专用的维护工具。方案架构参照《智慧校园总体框架》中的总体架构图进行设计，如REF_Ref71306207\h图4-1所示。图4-SEQ图4-\*ARABIC1《智慧校园总体框架》总体框架图以本课题使用的某高校教室阐述，教室为实践型小班教室，教室中已经具备多媒体设备等基本的教学的设施，如REF_Ref71744272\h图4-2所示。结合教室的实际情况，按上述的设计原则进行设计，并最大化的遵循利旧原则，归纳出本智慧教室基本由端、管、云三层架构构成。图4-SEQ图4-\*ARABIC2本课题使用的教室首先阐述“端”侧的方案，根据最大化利旧原则，采用尽量保持原教室已有基础设施，通过增加通信模块、网关等方式进行智能化改造，如教室中的多媒体设备。无法通过增加通信模块进行改造的，则对一些控制开关进行更换，更换为具备联网能力的控制开关，如智能开关、智能插座。其次阐述“管”侧的方案，可以选择运营商的蜂窝网或者LoRa、ZigBee这样的自组网网络，这里考虑到自组网网络都基本需要在每个教师中放置一个物联网网关，会产生一些网关成本和建设维护成本，且前述的5GXR功能主要基于5G网络，所以这里考虑优先选用运营商的蜂窝网，另外，在2020年7月，国际电信联盟（ITU）召开的ITU-RWP5D会议对国际移动通信系统（IMT）做出重大决议：NB-IoT正式纳入5G标准，成为mMTC场景核心技术，虽然需要向运营商少量资费，但无需布置网关，所以结合技术发展趋势和成本等的考量，这里选用中国移动NB-IoT网络作为“管”侧方案。最后是“云”端方案，以接入物联网终端的能力和后期易拓展两方面考虑，由物联网PaaS平台+智慧教室应用构成，物联网PaaS平台可以选择使用中国移动OneNET平台、涂鸦平台、阿里IOT平台等，智慧教室应用含能耗管理、远程控制、环境监控等模块，可实现设备远程开关、实时工作状态监控、数量统计、电量监控的效果。整体架构及拓扑如REF_Ref71744260\h图4-3所示。图4-SEQ图4-\*ARABIC3系统架构、拓扑图设计与实现目前高校的教室基本都配备了多媒体系统，多媒体系统是现代教室的重要功能性系统，广泛应用于现代教学工作。现代校园教学设施先进，经调研，大多数多媒体教室和互动研讨室内都配置了包括录播、电子白板投影、电视等多媒体设备辅助日常教学，由于多媒体设备布置分散，种类多样，协调操作上全部集中在教师中控台来完成，但是教室内大量配置的多媒体设备的使用状态情况以及管理维护工作量较大，还需要配置有专人对其进行维护管理。针对此类设备，在时序电源控制器处增加一个可以通过NB网络进行回传的DTU。教室等灯光通过更换智能空气开关、墙壁的智能墙壁开关更换为具备连接NB网络功能的智能插座，窗帘通过在原有窗帘滑轨处增加智能窗帘电机等对教室中的供电设备、窗帘等进行远程或联动控制。在教室中安装温湿度传感器、空气质量传感器、人体检测传感器，以实现教室中环境及是否长时间无人等的监测。另外，教室中的传统烟感可更换为NB烟感，教室的传统门锁可以更换为NB智能门锁，更加便于校方对教室的管理。这些物联网终端设备经过了前几年的大规模发展，均已经是成熟产品，这里选择市面上出货量较大的品牌商或者方案商的设备，保证符合本方案的设计原则。物联网平台方面，业内基本由如REF_Ref71744240\h图4-4所示的几类平台厂商，目前来看，并有一家可以做到一家独大，每个平台厂商都有自己的业务优势，所以还需要根据业务场景，选择合适的自身项目的平台。图4-SEQ图4-\*ARABIC4业内的物联网PaaS平台商根据本课题的智慧物联教室场景，对中国移动OneNET、阿里物联网平台、华为物联网平台、涂鸦智能这四个市场占有率较大的平台进行比较，从通用平台能力、设备接入能力、行业应用开发、生态能力等方面看，OneNET平台在通用平台能力、设备接入能力等方面占据一定优势，因智慧物联教室目前接入的终端种类较多，后续还会接入更多种类的物联网终端，且OneNET支持FOTA功能，且对市面主流模组都移植了SDK，开发较为简便，所以此处选择采用中国移动OneNET物联网平台作为次课题的物联网PaaS平台。中国移动OneNET平台是基于物联网技术和产业特点打造的开放平台和生态环境，通过适配各种网络环境和协议类型，支持各类传感器和智能硬件的快速接入，并通过提供丰富的API和应用模板以支持各类行业应用和智能硬件的开发，满足物联网领域设备连接、协议适配、数据存储、数据安全、大数据分析等平台级服务需求。OneNET利用微服务架构使平台充分利用云计算的优势，支持亿级设备接入、百万级并发、服务支持横向扩容、高容错保证高可用、服务灵活可插拔、支持多级部署架构、端到端安全防护；OneNET平台拥有数据资源管理、设备管理、连接管理、运维管理等能力；在设备接入协议方面，OneNET平台支持LwM2M协议、MQTT协议、TCP透传等及Modbus、JT/T808、EDP等专用协议；OneNET提供丰富的API接口和应用模板，以支持各类应用；OneNET平台在应用侧提供AI能力（包括人脸检测、人脸对比、人脸搜索、图像增强、图像去雾、图像抄表、车牌识别、运动检测等）、视频能力、数字孪生能力、边缘计算能力、预测性维护能力、大数据平台能力等，为行业客户提供了全方位支持。截止目前，平台连接数达到1.65亿，开发者数量超14万，企业用户超万家，平台承载应用数7.6万个。此外，本课题中使用的NB-IoT网络，OneNET具备NB-IoT物联网套件作为平台接入能力的基础服务，NB-IOT终端和NB-IoTDTU通过预集成NB-SDK可快速接入OneNET平台，OneNET平台支持对设备进行资源订阅、存储、转发和命令下发，且支持对交互数据的HTTPS、DTLS加密，平台向上提供丰富API接口，可以应用到典型的智能抄表、物流追踪、智能穿戴、远程监控、智慧楼宇等场景中。下面以教室用到的一个NB-IoT终端（比如温湿度传感器）连接到OneNET平台为例，阐述如何将一个物联网终端采集的数据通过物联网中台上传的智慧教室应用中。创建产品添加设备（可通过AT指令，查询终端的IMEI和IMSI）终端连接OneNET平台因为NB-IOT终端使用的模组已经内嵌了OneNETSDK，所以可以直接显示和OneNET平台的交互，完成同bootstrap服务器建立UDP连接。按如REF_Ref71744182\h图4-5所示建立终端与OneNET的连接。图4-SEQ图4-\*ARABIC5终端建立与OneNET的连接流程①创建通信套件实例AT+MIPLCREATE返回0，创建成功②添加对象AT+MIPLADDOBJ=0,3322,2,"11",2,1返回OK，添加成功。③发起登陆请求AT+MIPLOPEN=0,9600,60④注册资源AT+MIPLDISCOVERRSP=0,21443,1,4,"5821"返回OK代表成功⑤上传数据使用AT+MIPLNOTIFY指令将资源添加到对象下面，其使用格式为：AT+MIPLNOTIFY=<ref>,<objectid>,<instanceid>,<resourceid>,<valuetype>,<value>,<flag>,[<ackid>]；其中：<ref>：OneNET通信实例的引用ID；<objectid>：具体Object的ID；<instanceid>：实例的序号，从0开始编号；<resourceid>：资源ID；<valuetype>：OneNET支持的数据类型包括，string，opaque，integer，float，bool和hex_str；<value>：具体数值，其大小不超过1024Bytes；<flag>：‘1’表示所有已订阅的对象实例资源已添加完成，模组将会更新到服务器；‘0’表示还有对象实例资源没添加；<ackid>：选填，如果设置大于0，则OneNET会返回ACK数据流推送随后使用OneNET平台的数据推送功能，将设备上传到OneNET的数据以HTTP推动的方式（输入URL和token），发送给应用服务器，如REF_Ref71744167\h图4-6所示，推送的数据以JSON串的形式置于HTTP请求中的body部分，并将平台接受到数据的返回值设置为HTTP200。图4-SEQ图4-\*ARABIC6数据流推动应用平台提供首页概览、能耗控制、环境监测、远程控制、资产管理、数据统计等功能，并具备一般平台平台都会具备的账户管理、权限管理等功能，如REF_Ref71744101\h图4-7、REF_Ref71744128\h图4-8、REF_Ref71744136\h图4-9、REF_Ref71744138\h图4-10所示，平台采用当