基于物联网的低碳时代多媒体教学环境构建研究

【摘要】随着低碳时代的到来，多媒体教学环境被赋予了新内涵，而物联网作为新一代的智能网络，可以有效满足其新需求。在对多媒体教学环境进行现状分析的基础上，提出了在设计理念、节能减排、人员管理和资产管理等方面的新要求，接着阐述了物联网的内涵、特征及对多媒体教学环境的支持，又介绍了研究团队开发的物联网多媒体教学环境控制系统以及使用评价的状况，说明其可行性和有效性，以期推动物联网在教育中的应用，进一步加快物联网教育领域的发展。

【关键词】低碳时代；多媒体教学环境；物联网

【中图分类号】G40－057　【文献标识码】A　【论文编号】1009－8097（2012）12－0047－06

自工业革命以来，世界经济的发展态势迅猛，与此同时，环境问题也越来越严峻，尤其是全球变暖，促使“低碳”渗入到各个领域。2009年12月的哥本哈根会议之后，国际社会要求各国政府承担减排责任的呼声越来越高。“低碳”时代即将到来，是国际大背景的使然，是全球化的经济、政治、文化、能源、环境等因素交互作用的必然结果，能源危机、气候危机和金融危机的叠加效应又催化了它的到来。

在现代教育技术的今天，多媒体教学环境规模已经从传统意义上的单机型和网络型，发展到了有规律组合的计算机“群落”，从对多种媒体信息的简单呈现，发展到对环境的智能处理，从以设备使用控制为主的管理，发展为教学、管理、安防各个子系统的集控管理方式。随着低碳时代的到来，如何把教育资源和关系联结起来，建立多维的、协同的、弹而有序的学习系统，进一步有效构建多媒体教学环境，实现其智能化和节能减排，是新时代的要求，也是我们电教人应主动承担的责任。

作为新一代信息技术重要组成部分的物联网，可以通过射频识别（RFID）、红外感应器等传感设备，按照一定的协议，实现物理世界、计算机世界以及人类社会这三元世界的联通，从而实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。利用物联网技术构建多媒体教学环境，让其“开口说话”，不但可以实现资源和设备的连通，而且可以实现节能减排。

一、多媒体教学环境分析

1、多媒体教学环境现状

多媒体教学环境是院校基础建设的重要内容之一，它泛指在一定空间内利用信息技术进行教学的各种因素综合，包括设备（如设备、系统等）、资源（如图书、讲义、文件等）和活动（如教学、会议、学术交流）三个要素。它普遍存在以下几个问题：

（1）人员配备不足，运行效率差。多媒体教室管理费用中人员成本是一项很重要的开销，随着学校多媒体教室不断扩充，多媒体教学环境建设的人工成本会不断加大，另外教学楼因楼层分布广，管理人员管理难度大。

（2）智能程度不高，完备性差。多媒体教学环境通常是由上百个多媒体教室组成，中控设备与多媒体软件进行的是单向交流，而非双向的互动，设备的扩展性和维护性差，只有控制，而无智能化的管理。

（3）资源流通低，共享性差。学习者应该利用技术工具中介，更有效地与学习环境中的信息资源和学习社群进行互动，以促进学习者的学习绩效。而现代多媒体教室大多只是独立的个体，相互之间没有联系，信息不流通，资源共享性差。

（4）运行能耗高，节能意识差。平时管理人员配备不足，对设备管理不到位，导致了许多设备超长时间负荷，另外无课多媒体自习室利用率也偏低，加上人们节能意识差，造成浪费现象严重。

2、低碳时代的多媒体教学环境

低碳（low　carbon），意指较低（更低）的温室气体（二氧化碳为主）的排放。低碳包括低碳经济、低碳生活、低碳生产和低碳消费等诸多领域，其中低碳经济和低碳生活是其核心内容。发展低碳的核心是技术创新、制度创新和人类生存发展观念的根本性转变，重在科学理性、着眼长远，避免片面发展、无序发展，低水平竞争等问题。

低碳时代对多媒体教学环境提出了更高的要求，不仅要满足学校各种教学应用的需求，还要获得良好的社会效益、教学效益和环境效益，在以下几方面都有新内容。

（1）设计理念

多媒体教学环境的设计包括音频系统、视频系统、控制系统、物理环境、学习环境等。管理人员在对多媒体教学环境进行新建、改建和扩建时，立足教学需要，对“教师主导、学生主体”的双主教学活动提供有效支持的同时，兼顾系统的先进性和扩展性，以系统的可靠性为保障，实行系统的集成化和智能化，支持多系统、多用户、多分支机构的灵活介入，适应现在以及未来的应用需要。

（2）节能减排

在节能减排方面，除了需要增加多媒体教学环境管理人员和使用人员节能环保意识，和使用新技术的节能装备外，更重要的是引入先进技术，建立智能化控制系统，可以对多媒体教学环境的各个部分进行智能控制，如能感知光照强度实行灯光强度的自动控制；自动关闭人数少的自习教室的电源，合并散布人员，以充分利用教室资源：根据温度可以控制空调、电扇设施等。

（3）资源流通

在低碳时代，作为资源流通的平台是多媒体教学环境的主要作用之一，它对节约时间、人力和物力资源都具有广泛的意义，此外，对于学习者而言，这种知识的动态分布与关联使得他们通过所建立的“链接”保持自身在领域知识中的先进性。而互不相同的理念与领域之间的关联也能够使他们产生新的方法事物；对于教师而言，加强了他们之间教学资源的共享和教学经验的交流，在提升教师对知识的把握和教学技能等方面有一定的帮助。

（4）人员管理

在低碳时代，在人的方面的管理措施要求减少人员费用开销，提高设备的管理效率，这就有赖于多媒体教学系统的人性化和智能化。管理人员在任何时间和任何地点能够通过电脑、手机随时查看多媒体教学设备的使用状况，进行智能化操作；能及时、准确、有效的处理日常工作，从而提高管理人员工作效率；在扩建多媒体教学环境时无需增加人员负担，还可以避免非专业人员的非法操作，进而延长设备的使用寿命。此外，还能够及时发现隐患，以便及时处理。

（5）资产管理

多媒体教学环境中的计算机系统和投影显示系统本身属于易耗品，在学校环境下，容易忽略对它们的维护，加速设备的损坏和老化。此外。多媒体系统在升级时，扩展性较差，在维修时，可维护性较差，导致了资源的极大浪费。在低碳时代，要求系统具有良好的扩展性和可维护性。加强对资产有效的管理，做好设备、器材的保养工作，以减少设备的无形消耗。

二、物联网优势

1、物联网的内涵

物联网（The　Intemet　of　Things）是指所有物品通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。它是“物物相连的网络”，在这个网络里，物品能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。

2、物联网的特征

（1）感知性：物联网连接的数据采集端涉及范围非常广泛，集成多种类型的传感器，包含射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等各类传感设备，能够实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程。

（2）互联性：物联网是一个多种网络、接入、应用技术的集成，也是一个让人与自然界、人与物、物与物进行交流的平台，实现任意物体（anything　connection）在任意时间（anytimeconnection）、任意地点（anyplace　connection）的连通。

（3）智能性：物联网可以实现不同类型、不同格式数据的交换和通信，也可以对客观事物进行合理分析、判断及有目的地行动和有效地处理周围环境事宜的综合能力。此外，它也可以实现智能化的网络服务，实现人与物体之间的“对话”，物体与物体之间的“交流”。

3、物联网技术对多媒体教学环境的支持

物联网技术运用到多媒体教学环境中，可以使系统更容易、性能更强大、灵活性更强、浪费更少、维护成本和造价更低，从而实现管控智能化和低碳需求。

（1）设备的低能耗和低排放

运用在多媒体教学环境的物联网，可由无线传感网络来构成，它是由大量体积小，成本低，具有无限通信、传感和数据处理能力的传感器节点组成，它们传输速率低，传输数据量少，且普通电池就可支持节点运转长达6个月到2年左右。另外，可以有效采集到设备的使用状况和教室的环境信息，管理人员通过查看系统可以采取有效措施，解决浪费现象。

（2）管理的及时性和高效性

物联网可以将传感器收集的多媒体教学环境的信息，传递给桌面显示系统，或者将处理后的信息，通过Web网络传递给电脑终端和手机终端，管理人员再通过控制系统对多媒体资源实行管控一体化，从而提升工作效率。管理人员通过系统的信息，还可以全面掌握多媒体设备的运行状况，及时维护设备，既保证了教学不受影响，又保护了资产的安全。

（3）信息的高流通和高共享

从通信对象和过程来看，物联网的核心是物与物以及人与物之间的信息交互。可以有效实现多媒体教学环境资源的流通和共享。物联网通过感知分析教室的状况，驱动网络摄像头记录下教师讲课的视频，然后由教师自主选择是否将学习资源上传到公共服务器中，供学习者在的学习和教师间的交流；在进行教学过程中，也可以通过网络摄像头进行双方的互动。

（4）硬件的扩展性和维护性

一个无线传感器网络最多可容纳255个网络节点，若是有协调器的加入，最多可扩充到65535个节点，物联网中的无线传感器具有自组织性，增减传感器节点，系统的节点个数会动态的增加或减少，而不影响系统功能；此外，一些物联网系统采用中间件技术，支持不同接口的设备通信，具有良好的扩展性和维护性。

三、物联网多媒体教学环境控制系统（T－control）的设计

1、T－control简介

T－control是研究团队将物联网技术运用到多媒体教学环境控制的尝试，主要通过光敏、温度、电压、电流等无线传感器和视频摄像头等监控设备，对多媒体教学环境里的温度、湿度、光线强度、CO2浓度，多媒体设备的电压、电流信息以及视频信息进行采集，经过智能化处理后，可以在图形用户界面上，轻松掌握教室里的人数密度，光线强度，温湿度状况，以及多媒体设备的运行状况，管理人员利用控制终端，实行多媒体教学环境的智能化处理；团队也开发了系统的Web服务，管理人员可以在任何时间，任何地点通过电脑或3G手机观察到现场状况，实现实时监控；此外，系统在多媒体教室也集成了脉搏传感器，可以测量学习者的脉搏信息，从而显示学习者学习时是否认知超载，方便教师及时改变教学策略，更好地掌控课堂，教师在课程结束后，可以选择是否将摄像头记录的教学视频，和教学资源到服务器中，供他人参考。系统的具体应用如表1所示。

2、系统运行环境

（1）系统运行环境。本系统包含了GUI（图形用户界面）和Web服务功能，运行环境包括客户端环境和服务器环境。

（2）客户端环境。客户端环境为Microsoft　Windows　XP　Service　Pack　3，浏览器为IE　6.0以上版本。

（3）服务器环境。服务器环境和数据库环境加载在同一机器上，采用Tomcat　6.0以及Java　Development　Kit（JDK）1.6、中间件以及Microsoft　office　Access　2003，服务器除了提供Web服务之外，还提供了FTP及Gopher服务。

3、系统开发环境

（1）系统平台：Microsoft　Windows　XP　Service　Pack　3。

（2）开发语言：C＋＋，C，Java　Service　Page，HTML。

（3）开发工具：IAREmbedded　Workbench（EW）7.5，它的C／C＋＋交叉编译器和调试器是当今流行的嵌入式应用开发工具，主要负责优化SOC（系统级芯片）；OpenGL（开放的图形程序接口），开发系统的GUI界面；MyEclipse　7.5，开发系统的Web服务功能。

4、T－control运行原理

传感器首先进行数据采集，然后通过无线的形式将打包的数据传输到网络协调器中，接着数据通过TCP／UDP协议传输到中间件的数据库中，数据库被GUI服务和Web服务共享，并对数据进行比较分析，处理后直接通过控制电路控制调节系统，或者通过APP（第三方应用程序）将信息反馈给管理人员或教师。

5、T－control系统架构

T－control的总体架构分为传感信息采集系统、lOT中间件、GUI服务、Web服务，以及一些协调器和控制电路（如图1）。

（1）传感信息采集系统

传感信息采集系统，主要包括无线传感器、协调器和路由设备等组成，多媒体教室配备的无线传感器及作用为；温度传感器，用来测量环境的温度、以及多媒体设备的温度；湿度传感器，测量环境的湿度；噪声传感器，监测教室内外和多媒体设备噪声分贝的大小；光敏传感器，感知教室内的光线的强弱，以便对照明设备进行管理；CO2浓度传感器，来测量教室内人口密度，目的是提升无课多媒体教室的利用率；电压传感器，来测量多媒体设备在使用时，电压的稳定状况；电流传感器，来测量多媒体设备和灯光设备的开关状况。路由器负责维护信息流通的路径，一部分设备直接与协调器通信，有的设备需要中间路由节点才能将数据上传到协调器。网络中协调器负责网络的建立和维护外，还负责与上位机进行通信，包括向上位机发送数据和接收数据并无线转发给下面各个节点。

（2）IOT中间件

中间件作为一类处于操作系统和应用程序之间的独立软件或服务程序，可以用来在不同的技术之间共享资源，管理资源和网络通信。中间件在操作系统、网络和数据库之上，应用软件的下层，总的作用是为处于自己上层的应用软件提供运行与开发的环境，是连接两个独立应用程序或独立系统的软件：通过中间件，应用程序可以工作于多平台或OS环境，不同接口的系统也可以交换信息。本系统使用的IOT中间件，是一个以Windows系统服务形式存在的服务程序，用来连接所有的设备及上层应用，并进行通信，目的在于将不同的应用项目集中到统一的软件平台中，既可以搭建C／S架构的桌面应用程序，也可以搭建WebService，进一步搭建B／S架构的应用软件。物联网中间件功能如图2所示。

（3）GUI服务

GUI是指采用图形方式显示的计算机操作用户界面。本系统采用C／S框架，程序实现采用的软件为OpenGL，它是一款功能强大，调用方便的底层3D数据库，它是个与硬件无关的软件接口，可以在多种系统之间进行移植，可以适应于不同的应用。GUI服务通过数字和图表的方式，可多方位显示无线传感网的状态，及控制传感网上的设备，还配套有波形存储与分析工具，其中GUI界面如图3所示，点击每个链接都可以查看相应的具体信息。GUI服务可实现：树状显示每个节点上的资源；可以显示每个节点的参数信息；可以动态显示当前的网络拓扑；支持不同传感器的数据同时显示在同一个屏幕中；提供实现节点上传感器的采样曲线图；可以选择采集并储存网络中每个节点的传感器数据；可以将存储的传感器数据调出分析。

（4）Web服务

本系统另外一个特色就是支持Web服务，如图4所示。Web服务采用Java　Servlet开发，系统大部分是实时数据的传递，几乎不涉及数据的存储，所以采用了Access数据库。在Web服务中包含应用管理、连接管理、用户管理、设备管理、会话管理、日志管理和开发接口7个模块：在应用管理中可以查看传感器系统在多媒体教学环境中采集到的信息，掌握多媒体教学环境设备的使用状况；连接管理可以查看设备的连接模式ID、通信协议、通信角色和IP地址等信息，另外管理员可以方便的对连接进行添加或删除处理；用户管理负责对管理员的账户、密码、操作权限的管理，以及提供用户添加和删除的功能；设备管理主要负责设备的添加和删除；会话模块负责活动链接状况的查看；日志模块记录的是设备出现的故障以及维护信息；开发模块是为以后系统升级提供外在接口。

（5）T－control使用评价

T－control系统在3个多媒体教室进行了试用，之后通过对学生、教师、管理人员、工作人员等进行访谈和问卷调查，来对使用效果进行评价。在效益评价方面，团队根据物联网技术对多媒体教学环境在节能减排、人员管理、资源流通以及资产管理等方面的支持，确定了其节能效益、管理效益、共享效益和维护效益的二级指标。此外，也对系统的性能和操作两个方面也进了评价。系统性能的二级指标为：系统的安全性、稳定性、准确性、全面性；系统操作的二级指标为：操作性、识别性、美观性。团队经过对访谈和问卷题目的筛选、论证，选出了6个访谈题目和28个问卷题目，并进行结构化组织和排序，调查问卷采用打分法，范围为1～5分，分数越高说明对系统的服务越满意，评价结果如表2所示。在效益评价方面：管理人员表示使用了T－control系统的教室，管理人员能够及时有效的制止浪费现象，在节能方面明显要强于一般的多媒体教室，也使管理人员提高了工作效率。另外系统在发现不正常运转设备方面，也有不错的表现，使得管理人员能够及时的发现运行不正常的设备并积极维护，提高了工作效率，也保护了学校的资产，他们表示，如果T－control系统进一步完善，扩建之后的多媒体教室现有人员完全能够满足需求，无需增加新的工作人员。在资源共享上，他们表示网络摄像装置，不能清晰的录制教学活动，但是在其他教学资源共享上，系统能发挥较好的效果；在系统维护上，管理人员可以轻松地对硬件进行扩展，对软件进行二次开发；在系统性能方面可以看出：系统在安全性和准确性方面得分较高，而在稳定性和全面性方面需要加强，他们表示系统有时候会出现信息采集数据中断的现象，传感器类型不够丰富；在系统操作方面：得分较高，系统操作性强，符合人们的操作习惯，包含的元素易识别，界面也美观大方。

从上述研究中，我们可以看出T－control系统运用到多媒体教学环境管理中，有显著的效果，虽然在传感器种类的丰富性和无线网络的稳定性方面还存在缺陷，但是随着物联网中的射频和无线网络技术的发展，这些问题定会迎刃而解。

四、研究结论

随着低碳时代的到来，我们在考虑多媒体教学环境的教学功能之外，还要考虑其节能减排、管理效率、人员成本和资产维护等方面的因素。物联网不仅实现了“人一人”之间的交互，还实现了“人一物”及“物一物”之间的普遍联系，实现对物品的智能化管理功能，从而改进业务、提高效率、实现需求。总之，物联网技术的出现给多媒体教学环境的构建带来了无限可能。