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高等院校设备信息系统设计论文 篇1：
基于JAVA Web的实验室管理系统的设计与实现
摘 要：针对传统实验管理的慢速度、低效率和过多冗余数据的问题，提出了基于JAVA Web的C/S结构的实验室设备管理系统设计方案。在设计过程中，采用JSP技术、数据库技术、网络架构等多领域知识，实现了实验室管理的信息化建设。
关键词：JAVA Web；C/S结构；数据库技术
1引入
在高等院校中，随着社会和科技的快速发展，学生人数的增加，办学规模的增大，实验室管理工作就越来越冗杂，传统的手工管理模式越来越不能满足当前实验室管理工作的需求。如何利用高端信息技术和现有实验设备条件使实验室管理工作变得合理化现代科学化，提高实验室的管理水平和实验设备资源的利用率，减轻实验室管理员的工作量，是实验室管理工作中一个大问题，也是衡量高校实验室信息化建设水平的一个重要标志。而科技水平的发展和网络的广泛使用也给实验室管理工作带来了质的飞跃。我们依据校园网络开发出一套适合管理人员、任课教师和学生公用的实验室管理系统，让实验室管理工作更方便快捷，也适应于教学工作和管理工作的现代化需求。
2系统功能分析
2.1系统设计架构
实验设备管理系统的设计遵循于实用性、灵活性、可扩展性、安全性和可维护性等特点，可以通过对实验设备的科技化管理，建立完整、先进的管理思想和体系。本系统基于管理人员、教师和学生三大主体人员的使用，三者对系统的操作权限是不一样的，例如管理人员可以添加设备但教师不能，教师可以使用设备但不能报废设备而管理人员可以等，学生可以查看成绩但不能修改成绩等。系统基于C/S结构，采用html页面设计和JAVA Web两种技术结合的方式实现，利用html标记语言布局结构和美化页面，利用JAVA Web技术实现人机交互。
2.2功能需求分析
系统功能分析是设计的基础和灵魂，做好这一点，对于整个系统就相当于完成了一半功能。在实验设备管理系统中，针对实验室日常管理工作的需要，分别设计三个角色：实验室管理员、教师和学生，对于每个角色，系统分别设计了不同的权限功能。实验室管理员可以对系统进行安全管理、信息管理、实验安排、实验设备管理和维护等工作；教师可以拥有个人用户管理、实验课程管理、实验过程管理等工作；学生可以进行个人信息管理、实验课记录管理、查看成绩等功能操作。
2.3 系统模块设计
依据系统功能需求分析，实验室管理系统可以根据功能划分成不同的功能模块，分别有：信息管理模块，个人管理模块，实验管理模块，设备管理模块，实验维护模块等，每个模块又划分成各个子模块实现具体的功能。系统模块功能划分如图1所示。
图1 实验室管理系统功能模块图
3后台数据库设计
在系统实际设计中，我们用实体---关系图（E-R 图）来描述实验设备管理系统各个功能之间的关系，实体---关系图主要有3个基本元素：实体、属性、关系，实体之间的关系常见的有：1：1，1：n，m：n三种，本系统功能中描述的相关实体有：系统用户实体、信息实体、实验实体、实验室实体、成绩实体、设备实体等，这些实体构成了数据库设计的基础。
根据实验设备管理系统设计的总体要求及系统整体E-R图的描述，设计了用户基本信息表、系统发布信息表，实验信息表，设备信息表，学生成绩信息表，实验室基本信息表，课程基本信息表等数据库表，并建立彼此之间的映射关系。
本系统依照具体的程序实现流程进行详细的程序设计，主要采用JAVA语言和JSP技术对页面进行设计，利用MySQL对后台数据库进行维护和管理。
（1）实验管理员实体
实验管理员实体描述的是系统用户的基本信息，包括用户标识、用户姓名、登录名、密码、身份、用户组角色、添加日期等，其中用户组角色是用于区分系统用户是管理员、教师还是学生。
（2）站内信息实体
站内信息实体描述的是站内信息的基本资料，包括信息标识、信息标题、发布人、信息内容和发布时间。
（3）实验实体
实验实体描述的是实验的基本信息，包括实验标识、课程名称、实验名称、课时。
（4）实验室实体
实验室实体描述的是实验室的基本信息，包括实验室标识、实验室名称、实验室管理员、实验室位置。
（5）学生成绩实体
学生成绩实体描述的是学生成绩的基本信息，包括成绩标识、学生标识、学生姓名、实验名称、教师名称和分数。
（6）设备实体
设备实体描述的是设备的基本信息，包括设备标识、设备名称、设备类型、设备价格、设备编号和购买时间。
通过上述实体以及系统整体 E-R 图，进行数据表物理模型设计。下面结合系统需求和应用程序开发的实际情况，设计主要数据表如下：
（1）用户信息表
表名：user_t，用户信息表用于存储系统用户的基本信息，包括用户标识、用户姓名、登录名、密码、身份、用户组角色、添加日期等信息。
（2）站内信息表
表名：news_t，站内信息表包括字段为信息标识、信息标题、发布人用户名、信息内容和发布时间。
（3）实验管理表
表名：experiment_t，实验管理表包括字段为实验标识、课程名称、实验名称、课时。
（4）实验室信息表
表名：label_t，实验室信息表包括字段为实验室标识、实验室名称、实验室管理员、实验室位置。
（5）学生成绩表
表名：score_t，学生成绩表包括字段为成绩标识、学生标识、学生姓名、年级、实验名称、教师名称和分数。
（6）设备信息表
表名：equipment_t，设备信息表包括字段为设备标识、设备名称、设备类型、设备价格、设备编号和购买时间。
（7）权限角色信息表
表名：usergroup_t，站内信息表包括字段为角色标识、角色名称和角色描述。
4实验设备管理系统具体实现
实验室管理系统的设计与实现，主要为了满足高校实验室信息化管理的需求，为高校实验室管理工作提供一个统一的信息管理平台。根据实验室日常管理的需求，从系统的功能模块上分解实现，首先利用要实现登录功能，客户端登录界面采用JAVA Web技术实现，后台连接到数据库进行判定是否登录成功。
一旦登录成功，主界面会根据用户的角色权限显示出不同的功能。首先是用户管理模块实现，在这一模块中，各类用户可以对自己的资料进行编辑并保存。然后是实验管理模块实现，在这一模块中学生可以对实验资料进行下载、上传和在线查看以及查看成绩等功能；教师可以对实验资料进行上传、下载、查看实验室课表、预约实验室、登录学生实验成绩等功能。在实验安排模块中，系统管理员根据实验室当前的使用情况以及设备的运行情况，可以对实验室有计划的编排。在设备管理模块实现中，可以对已有设备进行编辑、查询、修改状态等操作；也可以添加新设备或报废不能使用的老旧设备。最后是系统管理功能模块实现，系统管理员根据教师和学生的状态修改，可以对系统使用用户进行添加和删除，并对现有用户进行管理等工作。
进入主界面之后，主界面主要用于根据用户的权限展示不同的功能，这些功能的访问最重要的关键问题是对数据库的访问和结果的显示。而数据库的访问过程中，数据库的连接及数据库信息的查询会耗费大量的资源，因此在设计的时候，要考虑能否把数据库的连接都存储在一个连接池当中，需要时直接在连接池获取连接，由连接池来控制连接数据库的数量和效率，以达到最大化利用资源的目的。
5结束语
在本系统设计过程中，按照学校自身管理特点把不同角色的功能职责划分清楚，可以做到管理人员责权分明，系统信息安全管理，操作容易等。对加强高校的信息化建设和无纸化办公、提高实验室和实验设备利用率具有一定的促进作用。
参考文献
[1]王连春.实验室设备管理系统设计[J].重庆科技学院学报（自然科学版）2008，4（2）
[2]张军.高校设备管理系统的研究与设计[D].吉林大学2012，6
[3]顾小丰.高校实验室设备管理系统的设计与实现[D].电子科技大学2012，5
[4]姜雷.基于JAVA技术的实验室管理系统的设计与实现[D]. 电子科技大学2012，11
作者简介：
赵小丽（1981.1-），女，汉族，河南南阳人，讲师，硕士，主要从事计算机专业课程和通信系统方面课程的讲授。
作者：赵小丽 李俊霞
高等院校设备信息系统设计论文 篇2：
高校教学设备信息化系统关键点需求分析
摘要：目前信息化教学设备鱼龙混杂，相对来说没有统一的标准，设备正常运行的保障成为难点，对设备管理进行信息化建设成为眼下当务之急。设备信息化建设中，应对系统的关键点进行详细分析，建立统一的标准，为大规模的推广应用打好基础。
关键词：教学信息化；教学设备信息；多媒体设备保障
近年来，各高等院校用于多媒体教室建设的投资不断增多，多媒体教室数量成倍增加，为教师课堂教学提供一个良好的教学平台，从而提高了教学质量。与传统的教学模式相比，多媒体教学具有得天独厚的优势，颠覆了人们获取信息的传统方式，实现了信息呈现的多样化、综合化和集成化，适应了信息时代人们对信息获取方式的要求。教学过程中多媒体的表现形式和跨越时空的非凡表现力，大大增强了人们对抽象事物和过程的理解与感受，将课堂教学引入全新的境界，把学生带进了一个声、像、图、文并茂的新天地。随着高校多媒体教室数量逐渐增多，近几年增幅较大，如何保障多媒体教室设备正常使用，故障及时得到维护，从而更好的服务于教学，提高工作流程和效率成为当务之急。
一、关键点设计
（一）界面设计
系统设计上强调信息的方便传递和浏览，因而在实现功能最大化的同时，要求实现用户的视觉统一和操作便捷的最大化。
1.系统界面设计需要突出校园特色。
2.文字、图形色彩统一，搭配合理，界面清楚整洁，层次结构清楚。
3.统一各级页面的排版风格。
4.页面富有时代气息和美感，色彩搭配稳重、合理、大气。
5.多媒体、flash动画页面丰富而生动。
系统界面设计采用具有我校校园特征的图文版形式，以白色為主题色彩，整体设计上，强调人性化和参与意识，尤其为不同计算机操作技能的使用者提供尽可能易于操作的功能渠道，充分利用互联网的交互功能，呈现整体友好的界面结构。
（二）查询设计
紧扣“提高效率、优质服务、为全校广大师生服务”的目标，重点设计系统的查询设计应用：
1.查询设计是多媒体教室设备系统管理最重要的应用功能，结合浏览者在页面风格、使用习惯等方面的需求，分别设计推出简易查询和高级查询应用功能，方便和满足不同情况下，各类查询需求，最大限度体现网络服务的人性化。
2.用JSP控件实现查询结果的视觉直观性；用户权限设置方便领导查阅；强大的报表生成功能实现各种条件查询结果的上报，打印，提交功能。
（三）统计信息图形化设计
直观地显示多媒体教室设备的使用记录，维护记录的折线图、矩形图、直方图和扇形图。软件是面向用户的，统计数据图形化的程序实现为用户提供最方便的浏览方式。即使用户对计算机不很了解，也能方便地使用该软件。
（四）常用维护快捷查看
根据多媒体技术工作人员日常维护工作频繁的相关工作内容，如：过滤网除尘、话筒检修，计算机还原等工作，系统提供功能完善的快捷维护信息查看功能，提高系统的易操作性，从而提高工作效率，避免重复性劳动。系统对检索条件进行提前预设，根据用户的访问权限提供固定快捷的检索结果。
（五）易操作性设计
所有流程的设置通过图形化的界面实现。在系统提供的操作界面上，经信息处理工作流后的信息将自动在网上发布。可以利用系统提供的借口随时扩充新的应用。
信息维护和页面样式设计相分离，系统提供浏览器方式的信息维护工具，适用于非计算机专业人员进行维护工作，方便信息维护人员方便、快捷地录入新信息和修改/删除已有信息。
系统提供浏览器方式地信息维护工具，进行一般性信息维护时，只需录入文字信息，不对页面进行格式化或排版处理。
同时，信息维护工具也提供多种录入方式，除文本录入方式外，还提供所见即所得的多媒体文档输入、上传其他格式的文档（如：Word、Excel等）、链接到一个网站或一个网页、关系型数据库的数据。
（六）生成报表
系统在建设过程中实现大量工作报表的生成，如：周报，月报，年报，学期汇总，检修记录，更换记录，故障统计，设备类型统计报表等。
（七）信息复用性设计
针对系统实际应用维护过程中信息量巨大，信息数据录入繁琐，系统必须提供足够方便的信息复用性设计，以满足系统的易于维护，减少维护工作人员的重复性劳动。
实际操作过程中，将类似的设备分门别类，维护工作人员采用系统的信息复用性功能，可以方便快速的录入海量信息，提高工作效率。
（八）系统易管理性设计
系统必须能够提供足够的系统支撑能力以满足大用户量的并发访问。同时作为一个体系庞大的系统必须拥有精良的系统管理工具，以保证系统的易管理性。
系统实际建设中，需要不断频繁的更新和添加系统内容，最大的体现它们的作用和价值，而这些频繁而大量的建造和维护工作的操作者更多的是非计算机技术人员（即普通工作人员和学生助理），他们关心的是工作界面是否友好、直观，操作是否简便。
我们针对以上实际需要，提供多种自定制工具，屏蔽了技术的复杂和晦涩，采用业务人员非常熟悉又经常使用的工具（如Windows资源管理器、Excel等）的操作风格，业务人员稍加培训或不需培训即可使用这些工具建造和维护系统。自定制工具如：模板管理工具、信息管理工具、权限与角色管理工具等。
（九）应用可扩展设计
在整个建设过程中，根据计算机技术的更新和学校制度创新适时扩充新功能，整个系统应具有良好的界面，良好的对外系统接口和统一的数据标准以及技术框架，具有良好的应用可扩展性。减少各种特别培训。
（十）安全性设计
在设计本系统时充分考虑到信息资源库内的信息，它们的安全性必须得到保证。如下的各种信息按权限分级共享将充分保证系统的安全。
大众信息类：可以让任何人从网上查询。
加密信息类：只有拥有该应用合法用户名及口令的用户才能访问。权限的控制可根据需要控制到该应用或每条信息。
流程类：必须拥有合法的ID及口令才能访问。
系统提供用户权限和信息权限两种管理机制，保证系统和数据的安全。
用户权限用于控制用户身份，分为：系统管理员、信息维护员和浏览用户。系统管理员的权限包括系统维护、所有信息和内容的维护。系统管理员可以为各个教室设备设置信息维护员，各个教室设备的信息维护员只能维护本教室设备的信息内容。浏览用户只能查询和浏览系统的信息内容，还可使用网站提供的交互工具（如：咨询留言、在线投诉等）发送信息。
（十一）系统用户管理
各个子系统以LDAP作为用户管理的统一支撑。LDAP中存储用户的基本信息以及用户针对各主要应用子系统或服务的选项配置表（如：姓名、密码、组信息、邮件地址、可使用的应用子系统）；在各应用模块中存储用户针对应用的详细信息及权限控制列表（如：信息发布的具体权限、增值服务的开通服务设置等等）。
（十二）用户权限设置
用户分为普通用户和管理用户。
1.普通用户。维护对应教室设备信息，检索信息，维护记录，故障记录。
2.管理用户。维护教室设备信息，查询信息，报表生成打印，统计分析。
（十三）数据库备份
建立分步式的安全可靠的数据库体系；具有高效的信息采集、分析、整理、数据备份和恢复功能；逐步建立适应信息共享标准的各类数据库实体。
（十四）系统使用记录
对登录系统的用户（普通用户和管理用户）的使用痕迹进行记录，包括信息添加记录，修改记录，删除记录，报表打印等。
二、系统模式
（一） B/S结构
B/S（Browser/Server，浏览器/服务器）模式又称B/S结构。它是随着Internet技术的兴起，对C/S模式应用的扩展。在这种结构下，用户工作界面是通过IE浏览器来实现的。B/S模式最大的好处是运行维护比较简便，能实现不同的人员，从不同的地点，以不同的接入方式（比如LAN， WAN， Internet/Intranet等）访问和操作共同的数据
目前，软件系统的改进和升级越来越频繁，C/S系统的各部分模块中有一部分改变，就要关联到其它模块的变动，使系统升级成本比较大。B/S与C/S处理模式相比，则大大简化了客户端，只要客户端机器能上网就可以。對于B/S而言，开发、维护等几乎所有工作也都集中在服务器端，当企业对网络应用进行升级时，只需更新服务器端的软件就可以，这减轻了异地用户系统维护与升级的成本。
在系统的性能方面，B/S占有优势的是其异地浏览和信息采集的灵活性。任何时间、任何地点、任何系统，只要可以使用浏览器上网，就可以使用B/S系统的终端。
（二）基于校园网服务器
为实现信息资源的共享，同时基于大学校园网的优良基础设施，系统以校园网服务器为依托，具体的浏览使用采用网页模式，进入打开系统用二级域名或IP+端口的模式实现。系统的程序运行位于校园网的服务器，方便集中控制，程序维护，数据备份。
（三）对外信息显示
校园网用户可以方便的登录对外网站系统查看相关设备的运行情况。包括设备是否正常，是否允许U盘，是否支持DVD光盘以及是否有对应的课程软件安装。
同时提供设备使用视频教学，提高教师使用设备的熟练程度。
可有效的避免教师上课过程中准备的教学材料与设备冲突的现象。
（四）系统管理
提供文件目录、数据字典、数据库、权限管理。
1.文件目录：提供设置网站内容路径的功能。
2.数据字典：提供统一的数据字典维护程序。
3.数据库：根据数据库提供的类，监控数据库的Session等常用的性能指标。
4.权限管理：具体可划分为权限定义管理、角色定义管理、用户管理、登录校验等模块。
由于多媒体教室设备管理系统是为全校师生教学活动服务的，关系到能否为教学提供高质量、高可靠性的服务的重要保证。项目完成后，多媒体维护部通过集中的网络管理系统，可以统一管理高校范围内的所有的多媒体教室资源信息和性能信息，可以实现对多媒体设备的集中维护、管理，从而提高维护效率和维护水平，更好的为广大师生提供优质服务，可以间接地提升高校的教学质量，对全校教学整体效果的提高将起着非常积极的作用。
根据国内外经验表明，电子通信满足了本行业的需要就会大大的促进该行业的发展，反之则会延缓该行业的快速发展，因此，作为基础设施之一，项目的建设将有力的促进高校教学水平的迅速发展，具有良好的教学效益。
参考文献
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[2]韩强.基于电信级以太网应用及其关键技术分析[J].远程教育杂志， 2010，（3）.
[3]张夏菁.网络化室外型计算机联锁系统探讨[J].科学之友（下半月）， 2010，（8）.
[4]任天帅.互联网互通原理分析及常见问题解决方案[J].现代教育技术， 2011，（9）.
[5]林瑛.网络环境下的高中作文教学模式初探[J].中小学电教， 2007，（Z1）.
[责任编辑：李 佳]
作者：徐江涛
高等院校设备信息系统设计论文 篇3：
基于移动物联网的智慧教室设计与实现
摘 要：随着信息技术的发展，多媒体教室已经逐渐取代了“黑板+粉笔”的传统教室。然而，目前大多数多媒体教室局限性日趋明显，表现为：多媒体教室里设备种类繁多，碎片化严重，只能手动单一控制;多媒体教室分布范围广，后期管理维护难度大;多媒体教室建设仍停留在只重视硬件设备投入阶段，软件应用交互平台部署设计几乎为零;信息化应用水平低，技术可拓展性和伸缩性弱。针对上述问题，本文提出了基于移动物联网的智慧教室实现方案，提高教室资源设备的利用率，实现教育教学管理的自动化与智能化。
关键词：移动物联网;智慧教室;无线传感网;ZigBee;WiFi
一、引言
近年来，随着物联网、大数据、云计算等下一代信息技术的日趋成熟，信息化教学纳入我国新时代教育教学改革的重要发展战略，其中《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》也明确提出加快教育信息化进程的要求，具体包括：①加快教育信息化基础设施建设;②加强优质教育资源开发与应用;③构建国家教育管理信息系统。
因此，“互联网+教育”成为教育领域建设与改革的新趋势，如智慧教育、智慧校园、智慧课堂等建设，已成为当下教育部门关注、研究及探讨的新热点。信息技术与学校教育教学业务的融合，将物联网、云计算、大数据等技术引入校园教育领域，有效加快了信息技术促进新时代教育改革的进程。智慧教室环境的搭建，为适应新时代信息技术与课程教学有机整合，提高校园信息化教学水平，实现自动化、智能化校园管理提供了技术支持和保障。
二、总体架构设计
1.智慧教室的概念
智慧教室（Smart Classroom），在传统多媒体教室的基础上，运用物联网、云计算、大数据、移动通信等下一代信息技术，构建集人员门禁考勤、设备智能联动、环境优化调节、移动交互教学等应用于一体的现代化智能教学环境。
2.基于物联网的智慧教室建设架构
物联网（Internet of Things，IoT）实质上是利用互联网实现“万物互联”，即“人-人”、“人-物”、“物-物”进行信息交互的信息物力系统（Cyber-Physics System，CPS）。基于物联网结构，智能教室架构分别为：感知层、网络层、应用层，另外为兼容各类终端设备接入，在物联网三层架构上添加终端接入层，各层的部署具体如下：
（1）感知层
感知层主要负责感知教室环境设备的数据信息，基于本文设计，感知层相关技术部署于每间智能教室内，包括各种无线传感网络感知节点、网络摄像头感知节点、硬件设备感知节点、射频识别感知节点、智能设备电子标签感知节点，实时采集教室生态环境、多媒体设备状态等数据信息，与网络层、应用层动态交互。
（2）网络层
网络层是物联网的大脑及神经中枢，主要负责智慧教室数据信息的传递和处理，网络层基于校园网设施，在每个智慧教室部署智能网关，利用通信组网技术包括有线技术（如CAN现场总线、以太网、RS-485总线等）和无线技术（如ZigBee、WiFi、Thread、4G、LiFi等），把教室各种硬件设施设备通过组网技术连接，形成一个联通的网络系统，基于智能网关或无线路由器把感知层采集的数据传输处理，实现智能教室信息互联互通、设备联动控制等。
（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。
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模块部分使用有源標签，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，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時，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。
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。
（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。
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。
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。
各联动外设内置的ZigBee終端设备节点采用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。
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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（编辑：王晓明）
作者：何文乐 李杰玉