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多媒体智慧教室管理系统基于物联网技术的研究

2023-08-21 181 上传者：管理员

摘要：为规范智慧教室管理工作，引进物联网技术，开发一种针对多媒体智慧教室的管理系统。根据设计需求，开发管理系统架构，并选择PPC-104XD型号RFID读卡器、HJ-A2010E型号通信设备作为该系统的主要硬件。在硬件设备的支撑下，采用建立数据库的方式，管理多媒体智慧教室教学设备；将教室中的多种电子设备接入物联网，利用物联网通信协议与传输逻辑，设置针对不同教学设备的多种管理指令；通过对智慧教师的监控与告警管理，完成系统的开发。对比实验结果证明：该系统在管理智慧教室过程中，可以充分调用集成在系统中的硬件设备与软件程序，使运行效能达到最优。

关键词：
RFID读卡器
告警监控
多媒体
智慧教室
物联网技术
管理系统
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大部分高校在教学中都会使用板书式教学模式，但随着学校、班级规模的不断增大，班级的管理工作也日趋繁杂，早期的教务人员管理方式已经不能满足高校课堂管理需要。在国家大力发展教育事业的同时，越来越多的人们开始倡导在智能环境中引导学生成长和学习。为规范智慧教室的管理，有关单位开展了此方面的进一步研究，在研究中发现目前高校的教室管理仍存在一些问题，如教师课表排序、智慧教室中多媒体设备、电子设备的维修采购等，往往是由各部门的工作人员负责，此种现象造成教室管理工作缺乏一个统一的计划[1]。同时，由于校舍扩建，教学楼、班级数目增加，使得教室管理工作更为复杂。从而导致课堂的工作效率显著降低，严重情况下，甚至会影响到课堂教学工作的正常进行。在传统的管理方式下，教室资源的利用率较低，且现有的管理工作仅限于课程安排、教室运维等方面，很难将智慧教室的功能真正发挥出来[2]。此外，由于管理中数据较为分散，各部门信息交流不顺畅，造成教室使用者、管理者与维修者的关系不紧密度较差，从而造成了智慧教室利用率低、器材消耗较大[3]。为解决此方面问题，发挥智慧教室在教学中更高的价值与效能，本文将在此次研究中，引进物联网技术，开发一种针对多媒体智慧教室的管理系统，旨在通过此次设计，助力高校数字化教育教学工作的规范化实施。

1、管理系统架构

为满足高校数字化发展中智慧教室的规范化管理，建立如图1所示的管理系统架构[4]。

从图1中可以看出，该管理系统主要有四个方面的功能，分别为用户管理、标签管理、设备管理与教务管理。标签管理主要是针对校内不同智慧教室的编号与录入管理，管理人员在选择所需管理的教室后，需要在检索任务栏输入教室编码[5]。在通信设备的支撑下，与数据库中记录的该教室使用信息进行交互，并将管理与使用信息呈现在计算机设备的显示屏幕上，通过此种方式，即可实现对智慧教室的多项管理操作。

2、硬件设备选型

从图1所示的系统架构可以看出，该系统中涉及的主要硬件设备为RFID读卡器设备、计算机与通信装置。下面将以提出的前两种硬件设备为例，进行系统硬件设备的选型[6]。其中RFID读卡器需要贴在智慧教师中的多媒体辅助教学设备上，主要用于记录设备在教室中的使用情况与更换维修情况。为确保RFID读卡器可以在系统中发挥预期管理效果，按照表1所列的内容进行该设备技术参数的选型。

RFID电子设备反馈的信息需要由相关工作人员通过读取和写入装置将其标识码录入后台数据库中，再由相应的软件程序进行统一管理[7]。但在此过程中考虑到RFID读卡器的使用受到软件环境的影响与限制，因此，可在使用中增加读卡器与系统的通信连接链路，以实现基于硬件部分读取智慧教室在使用中产生的数据。

在上述设计内容的基础上，选择恒捷通信品牌的HJ-A2010E型号设备，作为该系统在管理过程中的数据通信设备。该设备的技术参数见表2所列。将所选的硬件设备按照规范安装在系统中，为确保硬件设备在使用中可以发挥预期的效果，需要在完成安装后，调试并试运行该设备，确保无误后，完成教室管理系统中硬件设备的选型与安装。

3、多媒体智慧教室教学设备管理

在硬件设备的支撑下，下述将对该系统的软件功能展开设计。在此过程中，应明确智慧教室管理的核心是教学设备管理，为满足数字化教学需求，该系统需要完成对教室内教学设备在使用中的分类、属性信息检索、定期维护、使用情况统计管理等。

管理过程中，系统可采用建立数据库的方式，明确各种类型设备在使用中的操作类别、使用类别与对应编码，并将其在终端进行归类[8]。设备的信息管理需要由教室管理人员辅助完成，当教室内新增多媒体教学设备后，终端人员需要根据RFID读写器扫描并识别的数据，将设备属性信息录入到数据库中[9]。由于每个教学设备都有一个RFID标记，因此，设备已经使用的标记将不会出现在选择下拉框中，并且不能重复选取，确保教学设备与标记之间具有唯一匹配关系。对所增加的设备，可以对其信息进行管理，操作管理系统界面，单击“详情”即可了解设备的详细信息。设备的定置管理是用于记录跟踪设备的位置储存资讯，例如，当设备被放入、借出、报废、淘汰等，都可将这些行为产生的数据作为定置管理数据，此环节是教室中资产管理的一个重要内容。

如智慧教室内的教学设备有必要修理，应由班级管理员在系统后台填写维护申请计划书，校务人员检查后，书写设备修理、变更状况，并写下修理记录，接受修理的设备将在“维修设备”栏目中显示接受修理的设备名称。同时，在“设备使用状况”功能界面中，将“设备”的名字键入“维修状态”，就可以查询“设备配置与维修信息”。在此基础上，采用输入“设备”所在“教室”的名字，就可以查询“教室中设备”的使用状况，以此实现多媒体智慧教室教学设备管理。

4、基于物联网技术设置智慧教室管理指令

在上述设计内容的基础上，引进物联网技术，进行智慧教室在投入使用后管理指令的设置。在此过程中，将教室中的多种电子设备接入物联网，利用物联网通信协议与传输逻辑，设定针对不同教学设备的多种管理指令，将指令表示为Z,Z的执行过程表示为F，在物联网接入下，系统的操作过程计算公式如下：式中：z表示驱动指令；i表示第i条指令；j表示第j次执行；f表示驱动执行。考虑到物联网的传输节点较多，可能存在部分逻辑指令无法完成，因此，可采用对指令进行节点拟合的方式，进行管理指令的代替。将管理指令在物联网节点的行为变量表示为x，在节点的线性变化表示为y，则节点对驱动的驱动执行过程如下：

式中：S表示物联网节点对驱动的驱动执行过程；n表示指令驱动执行过程。为避免指令中关键信息在传输与格式转换过程中出现延迟与偏差，按照式（3）设定节点逻辑转换过程。

式中：D表示节点逻辑转换过程；d表示物联网节点采样延迟。按照上述方式，在物联网节点进行管理指令的转换处理，实现在系统中对智慧教室管理指令的设置。

5、智慧教室监控与告警管理

在上述设计内容的基础上，进行智慧教室监控与告警管理设计。管理过程中，系统的数据输出端将即时显示教室的状态，并以树形图的方式展示教室中的多媒体设备、教室使用情况、教室设备等。通过此种方式，终端管理人员能够更直观地掌握教室状况。同时，辅助大数据处理技术，通过对智慧教室运行数据的采集，掌握目前教室设备的受损状况，并以此来判定智慧教室的可用状况。

管理部门可以根据这些数据，合理地配置相关的维护人员，购买相关的设备，以此实现对智慧教室的监控。在监控过程中，如果教室内某项监测指标超出阈值，系统将自动抽取教室中不同电子设备的运行数据，并将其与其他教室的突发事件进行比较，判断教室报警程度，以便于管理者对报警信息的及时处理，实现对智慧教室运行维护效率的全面提升。

6、对比实验

上文引进物联网技术，开发一种针对多媒体智慧教室的管理系统。为实现对该系统在实际应用中管理效果的分析，下述将以某地区试点高校为例，设计对比实验，以检验本次设计的系统实际应用效果。

为提供教室管理系统一个相对良好的运行环境，实验前，在校内教务管理终端，辅助计算机设备，搭建实验环境。实验环境技术参数见表3所列。

完成上述设计后，将本文开发的教室管理系统按照规范安装在测试环境中，根据实验需求，使用本文系统进行教室管理。管理过程中，将多媒体智慧教室教学设备与服务器进行对接，在服务器上运行一般配置软件，通过增加的虚拟串口，准备Mod Bus RTU驱动和对应的扩展设备，实现对系统运行过程中教室管理数据的接收。在此基础上，引进物联网技术，设置智慧教室管理指令，通过对智慧教室告警监控与教务使用管理等功能模块部署，实现对本文系统在测试环境中的集成。

在此基础上，为提高实验结果的真实性、对比结果可靠性，引进基于人工智能的教室管理系统、基于云端管理技术的教室管理系统，将其作为传统系统1与传统系统2，使用三类系统，对智慧教室的运行展开管理。

在管理系统的终端安排技术人员，由技术人员负责发出系统管理指令。在此过程中，需要先将传统系统1与2中的硬件设备与软件程序按照规范部署在测试环境中，在此环境中进行传统系统1与2的调试，确保参与测试的系统可运行10 min后，开始系统管理性能测试。测试过程中，由管理人员发出多条指令操作智慧教室中的多媒体设备与电子教辅设备，后台在此过程中将主动记录教室中不同设备的使用情况。调用后台记录数据，统计管理指令发出后在系统中占用的存储空间，存储空间越高，说明指令的执行情况越好；反之，如指令发出后占用的系统运行存储空间较低，说明系统中的大部分硬件与软件程序处于未被调用状态，表明系统对管理指令的执行情况较差。按照上述方式，统计测试结果，相关内容见表4所列。

根据上述表4所示的实验结果可以看出，使用本文系统发出管理指令，对应指令在系统运行中占用存储空间大于90%；传统系统1发出管理指令，对应指令占用存储空间在50%～70%范围内；传统系统2发出管理指令，对应指令占用存储空间在10%～40%范围内。根据上述结果可以证明，在终端发出相同的管理指令时，本文系统对指令的执行情况较好。因此，在完成上述实验后，得到如下所示的结论：相比传统系统，本文开发的基于物联网技术的管理系统实际应用效果良好，且在管理智慧教室过程中，能充分调用集成在系统中的硬件设备与软件程序，使系统运行效能达到最优。

7、结语

随着数字化、多媒体等现代化技术的应用，高校教学管理逐步走向信息化、智能化，多媒体智慧教室应运而生。为了应对日益增多的教室管理数据，学校必须加强对物联网、大数据应用，充分利用教室信息，提高教室管理效率。但在此过程中，如未能及时采取有效的措施进行智慧教室管理，不仅会对教师、学生的学习带来极大的不便，还会造成教育资源的浪费。为解决此方面问题，发挥智慧教室在教学中更高的效能，本文引进物联网技术，通过多媒体智慧教室教学设备管理、智慧教室管理指令设置、智慧教室告警监控管理，开发了一种针对多媒体智慧教室的管理系统。通过对比测试后证明了，该系统可以实现对集成在系统中硬件设备与软件程序的充分使用，使运行效能达到最优，实现对管理指令的规范化执行。因此，可以在后续的工作中，根据不同高校的数字化教学管理需求，尝试将本文系统在相关领域内推广使用。

参考文献:

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文章来源:陈林.基于物联网技术的多媒体智慧教室管理系统研究[J].物联网技术,2023,13(08).