智慧教室中智慧物聯(lián)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u1176智慧教室中智慧物聯(lián)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)案例分析 1326591.1建設(shè)意義 111781.2方案概述 1195371.2.1設(shè)計(jì)原則 117191.2.2方案架構(gòu) 284701.3設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 4建設(shè)意義教室是學(xué)校進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)的主要場(chǎng)所?！爸腔畚锫?lián)教室”主要利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)包括多媒體系統(tǒng)、照明燈具、空調(diào)、風(fēng)扇、新風(fēng)系統(tǒng)等設(shè)備進(jìn)行智能化改造，簡(jiǎn)化設(shè)備協(xié)調(diào)管理的難度，提高設(shè)備管理效率，提高設(shè)備效能，節(jié)省人員管理成本，加固用電安全，為學(xué)生打造可體驗(yàn)感知的未來(lái)教室。建設(shè)具備全教室設(shè)備互聯(lián)的智慧教室，具備如下意義：智能物聯(lián)：實(shí)現(xiàn)多媒體設(shè)備、燈光、窗簾、空調(diào)、新風(fēng)、風(fēng)扇等設(shè)備的互聯(lián)，結(jié)合數(shù)據(jù)采集和后臺(tái)大數(shù)據(jù)分析實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境并改善優(yōu)化，并可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)階段就可以親身感受物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；高效管理：方便統(tǒng)一管理教學(xué)設(shè)備、一鍵優(yōu)化環(huán)境質(zhì)量，自由調(diào)節(jié)教學(xué)場(chǎng)景、支持燈具壽命預(yù)測(cè)、狀態(tài)及故障統(tǒng)計(jì)；節(jié)能環(huán)保：減少當(dāng)前學(xué)校存在的多設(shè)備維護(hù)費(fèi)用及人力，所有照明設(shè)備均為L(zhǎng)ED光源，智能調(diào)節(jié)、整體設(shè)備綜合節(jié)能50%以上。方案概述設(shè)計(jì)原則根據(jù)國(guó)家發(fā)布的校園建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，智慧物聯(lián)校園建設(shè)將是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，而智慧教室則是與學(xué)生教學(xué)最為密切的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。根據(jù)現(xiàn)階段學(xué)校發(fā)展情況及當(dāng)前功能的要求，考慮未來(lái)應(yīng)用擴(kuò)展的需要，現(xiàn)階段智慧物聯(lián)教室的建設(shè)，需滿足下列原則：實(shí)用性實(shí)用性是應(yīng)遵循的第一原則。智慧物聯(lián)教室的建設(shè)內(nèi)容應(yīng)符合實(shí)際需要，不片面追求系統(tǒng)與功能的超前性，在合適的技術(shù)范圍和投資范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)當(dāng)前所需要的功能。系統(tǒng)的前端產(chǎn)品和系統(tǒng)軟件均有良好的操作性，使具備電腦初級(jí)操作水平人員，通過(guò)簡(jiǎn)單的培訓(xùn)即可掌握操作要領(lǐng)。穩(wěn)定性智慧物聯(lián)教室系統(tǒng)需長(zhǎng)期工作，且教室眾多設(shè)備眾多，日常因教學(xué)活動(dòng)不便隨時(shí)維護(hù)等特性，使系統(tǒng)及設(shè)備的穩(wěn)定性顯得尤為重要。整個(gè)方案中的產(chǎn)品需選擇有多年市場(chǎng)成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)、有完整客戶群和客戶服務(wù)體系公司的產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)接改進(jìn)，確保系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性及使用壽命。安全性校園項(xiàng)目需充分考慮對(duì)學(xué)生安全可能造成的影響。項(xiàng)目建設(shè)中所選用的設(shè)備及配件，在性能安全可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，還需充分考慮學(xué)生因好奇操作、沖撞、誤操作、強(qiáng)行拆卸等情況下，部分結(jié)構(gòu)或零部件邊緣對(duì)其身體可能造成的傷害?？蓴U(kuò)展性隨著智慧物聯(lián)教室建設(shè)的深入，學(xué)校需求的不斷變化，物聯(lián)教室的設(shè)計(jì)與實(shí)施應(yīng)考慮到將來(lái)可擴(kuò)展的實(shí)際需要，可靈活增減或更新各個(gè)子系統(tǒng)，以滿足不同時(shí)期的需要，同時(shí)保持領(lǐng)先地位，作為校園智能設(shè)施使用及建設(shè)的典范。易維護(hù)性系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的維護(hù)應(yīng)簡(jiǎn)單易行。系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)做到開(kāi)電即可工作運(yùn)行的程度，在日常維護(hù)過(guò)程中無(wú)需使用過(guò)多專用的維護(hù)工具。方案架構(gòu)參照《智慧校園總體框架》中的總體架構(gòu)圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，如REF_Ref71306207\h圖4-1所示。圖4-SEQ圖4-\*ARABIC1《智慧校園總體框架》總體框架圖以本課題使用的某高校教室闡述，教室為實(shí)踐型小班教室，教室中已經(jīng)具備多媒體設(shè)備等基本的教學(xué)的設(shè)施，如REF_Ref71744272\h圖4-2所示。結(jié)合教室的實(shí)際情況，按上述的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，并最大化的遵循利舊原則，歸納出本智慧教室基本由端、管、云三層架構(gòu)構(gòu)成。圖4-SEQ圖4-\*ARABIC2本課題使用的教室首先闡述“端”側(cè)的方案，根據(jù)最大化利舊原則，采用盡量保持原教室已有基礎(chǔ)設(shè)施，通過(guò)增加通信模塊、網(wǎng)關(guān)等方式進(jìn)行智能化改造，如教室中的多媒體設(shè)備。無(wú)法通過(guò)增加通信模塊進(jìn)行改造的，則對(duì)一些控制開(kāi)關(guān)進(jìn)行更換，更換為具備聯(lián)網(wǎng)能力的控制開(kāi)關(guān)，如智能開(kāi)關(guān)、智能插座。其次闡述“管”側(cè)的方案，可以選擇運(yùn)營(yíng)商的蜂窩網(wǎng)或者LoRa、ZigBee這樣的自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，這里考慮到自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)都基本需要在每個(gè)教師中放置一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，會(huì)產(chǎn)生一些網(wǎng)關(guān)成本和建設(shè)維護(hù)成本，且前述的5GXR功能主要基于5G網(wǎng)絡(luò)，所以這里考慮優(yōu)先選用運(yùn)營(yíng)商的蜂窩網(wǎng)，另外，在2020年7月，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）召開(kāi)的ITU-RWP5D會(huì)議對(duì)國(guó)際移動(dòng)通信系統(tǒng)（IMT）做出重大決議：NB-IoT正式納入5G標(biāo)準(zhǔn)，成為mMTC場(chǎng)景核心技術(shù)，雖然需要向運(yùn)營(yíng)商少量資費(fèi)，但無(wú)需布置網(wǎng)關(guān)，所以結(jié)合技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和成本等的考量，這里選用中國(guó)移動(dòng)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)作為“管”側(cè)方案。最后是“云”端方案，以接入物聯(lián)網(wǎng)終端的能力和后期易拓展兩方面考慮，由物聯(lián)網(wǎng)PaaS平臺(tái)+智慧教室應(yīng)用構(gòu)成，物聯(lián)網(wǎng)PaaS平臺(tái)可以選擇使用中國(guó)移動(dòng)OneNET平臺(tái)、涂鴉平臺(tái)、阿里IOT平臺(tái)等，智慧教室應(yīng)用含能耗管理、遠(yuǎn)程控制、環(huán)境監(jiān)控等模塊，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)、實(shí)時(shí)工作狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)量統(tǒng)計(jì)、電量監(jiān)控的效果。整體架構(gòu)及拓?fù)淙鏡EF_Ref71744260\h圖4-3所示。圖4-SEQ圖4-\*ARABIC3系統(tǒng)架構(gòu)、拓?fù)鋱D設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)目前高校的教室基本都配備了多媒體系統(tǒng)，多媒體系統(tǒng)是現(xiàn)代教室的重要功能性系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代教學(xué)工作。現(xiàn)代校園教學(xué)設(shè)施先進(jìn)，經(jīng)調(diào)研，大多數(shù)多媒體教室和互動(dòng)研討室內(nèi)都配置了包括錄播、電子白板投影、電視等多媒體設(shè)備輔助日常教學(xué)，由于多媒體設(shè)備布置分散，種類多樣，協(xié)調(diào)操作上全部集中在教師中控臺(tái)來(lái)完成，但是教室內(nèi)大量配置的多媒體設(shè)備的使用狀態(tài)情況以及管理維護(hù)工作量較大，還需要配置有專人對(duì)其進(jìn)行維護(hù)管理。針對(duì)此類設(shè)備，在時(shí)序電源控制器處增加一個(gè)可以通過(guò)NB網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行回傳的DTU。教室等燈光通過(guò)更換智能空氣開(kāi)關(guān)、墻壁的智能墻壁開(kāi)關(guān)更換為具備連接NB網(wǎng)絡(luò)功能的智能插座，窗簾通過(guò)在原有窗簾滑軌處增加智能窗簾電機(jī)等對(duì)教室中的供電設(shè)備、窗簾等進(jìn)行遠(yuǎn)程或聯(lián)動(dòng)控制。在教室中安裝溫濕度傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、人體檢測(cè)傳感器，以實(shí)現(xiàn)教室中環(huán)境及是否長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人等的監(jiān)測(cè)。另外，教室中的傳統(tǒng)煙感可更換為NB煙感，教室的傳統(tǒng)門(mén)鎖可以更換為NB智能門(mén)鎖，更加便于校方對(duì)教室的管理。這些物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備經(jīng)過(guò)了前幾年的大規(guī)模發(fā)展，均已經(jīng)是成熟產(chǎn)品，這里選擇市面上出貨量較大的品牌商或者方案商的設(shè)備，保證符合本方案的設(shè)計(jì)原則。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)方面，業(yè)內(nèi)基本由如REF_Ref71744240\h圖4-4所示的幾類平臺(tái)廠商，目前來(lái)看，并有一家可以做到一家獨(dú)大，每個(gè)平臺(tái)廠商都有自己的業(yè)務(wù)優(yōu)勢(shì)，所以還需要根據(jù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，選擇合適的自身項(xiàng)目的平臺(tái)。圖4-SEQ圖4-\*ARABIC4業(yè)內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)PaaS平臺(tái)商根據(jù)本課題的智慧物聯(lián)教室場(chǎng)景，對(duì)中國(guó)移動(dòng)OneNET、阿里物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、華為物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、涂鴉智能這四個(gè)市場(chǎng)占有率較大的平臺(tái)進(jìn)行比較，從通用平臺(tái)能力、設(shè)備接入能力、行業(yè)應(yīng)用開(kāi)發(fā)、生態(tài)能力等方面看，OneNET平臺(tái)在通用平臺(tái)能力、設(shè)備接入能力等方面占據(jù)一定優(yōu)勢(shì)，因智慧物聯(lián)教室目前接入的終端種類較多，后續(xù)還會(huì)接入更多種類的物聯(lián)網(wǎng)終端，且OneNET支持FOTA功能，且對(duì)市面主流模組都移植了SDK，開(kāi)發(fā)較為簡(jiǎn)便，所以此處選擇采用中國(guó)移動(dòng)OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為次課題的物聯(lián)網(wǎng)PaaS平臺(tái)。中國(guó)移動(dòng)OneNET平臺(tái)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)打造的開(kāi)放平臺(tái)和生態(tài)環(huán)境，通過(guò)適配各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和協(xié)議類型，支持各類傳感器和智能硬件的快速接入，并通過(guò)提供豐富的API和應(yīng)用模板以支持各類行業(yè)應(yīng)用和智能硬件的開(kāi)發(fā)，滿足物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域設(shè)備連接、協(xié)議適配、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)安全、大數(shù)據(jù)分析等平臺(tái)級(jí)服務(wù)需求。OneNET利用微服務(wù)架構(gòu)使平臺(tái)充分利用云計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，支持億級(jí)設(shè)備接入、百萬(wàn)級(jí)并發(fā)、服務(wù)支持橫向擴(kuò)容、高容錯(cuò)保證高可用、服務(wù)靈活可插拔、支持多級(jí)部署架構(gòu)、端到端安全防護(hù)；OneNET平臺(tái)擁有數(shù)據(jù)資源管理、設(shè)備管理、連接管理、運(yùn)維管理等能力；在設(shè)備接入?yún)f(xié)議方面，OneNET平臺(tái)支持LwM2M協(xié)議、MQTT協(xié)議、TCP透?jìng)鞯燃癕odbus、JT/T808、EDP等專用協(xié)議；OneNET提供豐富的API接口和應(yīng)用模板，以支持各類應(yīng)用；OneNET平臺(tái)在應(yīng)用側(cè)提供AI能力（包括人臉檢測(cè)、人臉對(duì)比、人臉?biāo)阉鳌D像增強(qiáng)、圖像去霧、圖像抄表、車(chē)牌識(shí)別、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等）、視頻能力、數(shù)字孿生能力、邊緣計(jì)算能力、預(yù)測(cè)性維護(hù)能力、大數(shù)據(jù)平臺(tái)能力等，為行業(yè)客戶提供了全方位支持。截止目前，平臺(tái)連接數(shù)達(dá)到1.65億，開(kāi)發(fā)者數(shù)量超14萬(wàn)，企業(yè)用戶超萬(wàn)家，平臺(tái)承載應(yīng)用數(shù)7.6萬(wàn)個(gè)。此外，本課題中使用的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，OneNET具備N(xiāo)B-IoT物聯(lián)網(wǎng)套件作為平臺(tái)接入能力的基礎(chǔ)服務(wù)，NB-IOT終端和NB-IoTDTU通過(guò)預(yù)集成NB-SDK可快速接入OneNET平臺(tái)，OneNET平臺(tái)支持對(duì)設(shè)備進(jìn)行資源訂閱、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)和命令下發(fā)，且支持對(duì)交互數(shù)據(jù)的HTTPS、DTLS加密，平臺(tái)向上提供豐富API接口，可以應(yīng)用到典型的智能抄表、物流追蹤、智能穿戴、遠(yuǎn)程監(jiān)控、智慧樓宇等場(chǎng)景中。下面以教室用到的一個(gè)NB-IoT終端（比如溫濕度傳感器）連接到OneNET平臺(tái)為例，闡述如何將一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)終端采集的數(shù)據(jù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)中臺(tái)上傳的智慧教室應(yīng)用中。創(chuàng)建產(chǎn)品添加設(shè)備（可通過(guò)AT指令，查詢終端的IMEI和IMSI）終端連接OneNET平臺(tái)因?yàn)镹B-IOT終端使用的模組已經(jīng)內(nèi)嵌了OneNETSDK，所以可以直接顯示和OneNET平臺(tái)的交互，完成同bootstrap服務(wù)器建立UDP連接。按如REF_Ref71744182\h圖4-5所示建立終端與OneNET的連接。圖4-SEQ圖4-\*ARABIC5終端建立與OneNET的連接流程①創(chuàng)建通信套件實(shí)例AT+MIPLCREATE返回0，創(chuàng)建成功②添加對(duì)象AT+MIPLADDOBJ=0,3322,2,"11",2,1返回OK，添加成功。③發(fā)起登陸請(qǐng)求AT+MIPLOPEN=0,9600,60④注冊(cè)資源AT+MIPLDISCOVERRSP=0,21443,1,4,"5821"返回OK代表成功⑤上傳數(shù)據(jù)使用AT+MIPLNOTIFY指令將資源添加到對(duì)象下面，其使用格式為：AT+MIPLNOTIFY=<ref>,<objectid>,<instanceid>,<resourceid>,<valuetype>,<value>,<flag>,[<ackid>]；其中：<ref>：OneNET通信實(shí)例的引用ID；<objectid>：具體Object的ID；<instanceid>：實(shí)例的序號(hào)，從0開(kāi)始編號(hào)；<resourceid>：資源ID；<valuetype>：OneNET支持的數(shù)據(jù)類型包括，string，opaque，integer，float，bool和hex_str；<value>：具體數(shù)值，其大小不超過(guò)1024Bytes；<flag>：‘1’表示所有已訂閱的對(duì)象實(shí)例資源已添加完成，模組將會(huì)更新到服務(wù)器；‘0’表示還有對(duì)象實(shí)例資源沒(méi)添加；<ackid>：選填，如果設(shè)置大于0，則OneNET會(huì)返回ACK數(shù)據(jù)流推送隨后使用OneNET平臺(tái)的數(shù)據(jù)推送功能，將設(shè)備上傳到OneNET的數(shù)據(jù)以HTTP推動(dòng)的方式（輸入U(xiǎn)RL和token），發(fā)送給應(yīng)用服務(wù)器，如REF_Ref71744167\h圖4-6所示，推送的數(shù)據(jù)以JSON串的形式置于HTTP請(qǐng)求中的body部分，并將平臺(tái)接受到數(shù)據(jù)的返回值設(shè)置為HTTP200。圖4-SEQ圖4-\*ARABIC6數(shù)據(jù)流推動(dòng)應(yīng)用平臺(tái)提供首頁(yè)概覽、能耗控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制、資產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能，并具備一般平臺(tái)平臺(tái)都會(huì)具備的賬戶管理、權(quán)限管理等功能，如REF_Ref71744101\h圖4-7、REF_Ref71744128\h圖4-8、REF_Ref71744136\h圖4-9、REF_Ref71744138\h圖4-10所示，平臺(tái)采用當(dāng)