基于物联网的智慧教室设计方案评价研究

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　　摘  要： 基于物联网的智慧教室设计方案评价是智慧教室构建可行性研究的重要组成部分。基于物联网的智慧教室设计方案分别从感知层、传输层和应用层三个方向出发，根据教室面积选择不同网络拓扑结构和网关;以网络拓扑结构和网关为主要研究对象，将全寿命周期成本理论应用到基于物联网的智慧教室设计方案评价中，通过对比各方案一次性投入成本、运行成本、维护成本、故障成本和组件废弃成本确定最优设计方案。以某高校基于物联网的智慧教室实际设计工程为对象，得到所研究方法的评价结果，结果显示该方法可有效确定基于物联网的智慧教室最优设计方案，且评价效率和评价精度均优于对比方法。
　　关键词： 物联网; 智慧教室; 设计方案评价; 网络拓扑结构; 全寿命周期; 评价效率; 评价精度
　　中图分类号： TN99?34; F407.61                   文献标识码： A                     文章编号： 1004?373X（2020）19?0163?04
　　Abstract： The evaluation of smart classroom design scheme based on Internet of Things is an important part of the feasibility study of smart classroom construction. The smart classroom design scheme based on Internet of Things consists of three layers， named perception layer， transmission layer and application layer. Different network topologies and gateways are selected according to the classroom area. By taking network topology and gateway as the main research objects， the life cycle cost theory is applied to the evaluation of smart classroom design scheme based on Internet of Things， and the optimal design scheme is determined by comparing the one?time input cost， operation cost， maintenance cost， failure cost and component waste cost of each scheme. The evaluation result of the research method is obtained by taking the actual university smart classroom design project based on Internet of things as the object， which shows that this method can effectively determine the optimal smart classroom design scheme based on Internet of things， and the evaluation efficiency and evaluation accuracy are better than the contrastive method.
　　Keywords： Internet of Things; smart classroom; design scheme evaluation; network topological structure; whole life cycle; evaluation efficiency; evaluation accuracy
　　0  引  言
　　当前，网络技术与信息技术飞速发展，教育教学领域中融入物联网技术与信息技术构建智慧教室成为各大高校教学资源发展的新目标[1]。智慧教室的设计与构建将物联网技术、信息技术同传统教学模式和课程相结合，为课堂教学模式创新提供便利条件，为“教”与“学”提供智能化互动空间[2]，符合互联网时代教学发展方向。
　　基于物联网的智慧教室設计方案评价是智慧教室构建可行性研究的重要组成部分[3]。以往的设计方案评价大多关注智慧教室构建前期的投入成本，未考虑智慧教室构建过程中的运行、维护与组件废弃等[4]，导致基于物联网的智慧教室设计方案与实施构建过程、运行维护以及组件废弃等环节间关联疏松。
　　全寿命周期成本理论，即在方案设计过程内综合考虑工程寿命周期内的全部环节，优化过程内全部关联信息的设计理论[5]。将全寿命周期成本理论应用到基于物联网的智慧教室设计方案评价研究中，基于智慧教室全寿命周期内不同环节，利用集成方法紧密结合智慧教室规划设计、实际构建与运行维护等不同环节，通过等效费用描述设计方案的经济性、有效性、稳定性与安全性等评价内容，确定最优设计方案。
　　1  智慧教室设计方案评价
　　1.1  基于物联网的智慧教室设计方案
　　基于物联网的智慧教室设计从三个方向出发，分别是感知层、传输层和应用层[6]。 　　若所构建的智慧教室面积较小，其感知层可选取星型拓扑结构[7]，以网关设备（类似常见的无线路由器）为中心，其直接连接智慧教室内全部感知点。同时，管理设备与校内有线网相连接，作为数据从教室至云中心的传输通道。应用层则包含在云中心内，基于智慧教室实际应用要求，感知层采集的数据将传输至应用层内进行分析、搜索与存储等处理。智慧教室应用系统与使用者之间的交互通过客户端实现，客户端设计时需确保其同应用层功能之间可解耦。因此，需要一个中间件完成该解耦目的。基于物联网的小型智慧教室设计方案如图1所示。
　　当所构建的智慧教室面积较大时，无线路由器等网关设备无法与全部感知点直接连接，此时可选取ZigBee技术构建具有感知区域可拓展性和逻辑可控便利性的树型网络拓扑[8]，替代星型拓扑结构。基于物联网的大型智慧教室设计方案如图2所示。
　　利用ZigBee技术构建的网络拓扑结构可实现大型智慧教室内感知数据的传输、处理和使用，其与星型拓扑结构的差异主要体现在该拓扑结构感知数据的传输通过ZigBee技术实现，而非WiFi技术实现。在ZigBee网络拓扑结构内还需考虑ZigBee节点类型与设计[9]，如终端节点、网关与路由器等。
　　1） 感知层：感知点部署与组网。感知层中，感知点传感器选取需参考智慧教室实际使用功能与传输节点对接等技术。网络拓扑结构构建过程中，假设利用WiFi技术连接感知点，即可将WiFi技术与无线路由器相结合构建星型网络拓扑结构。若选取的是ZigBee技术，则以一个协调器节点为出发点进行组网，协调器节点在确定信号与网络ID后运行网络，同时协调器还具有网络配置功能。当协调器完成其功能后，可等同于ZigBee路由器，因此可将一个ZigBee路由器作为协调器。
　　2） 传输层：物联网网关。构建ZigBee网络拓扑结构，需考虑与其匹配的ZigBee网关，该网关不仅具有连通ZigBee网络与校园网或Internet网的功能，还可作为数据收集点，将收集的数据传输至应用层内实施处理。
　　3） 应用层：后台应用同第三方应用程序。在智慧教室应用设计阶段，可通过购买服务器设备构建软件平台，或购买校内云服务，通过提交相关参数获取处理平台资源的方式构建服务端处理平台。该平台中包含已开发的客户端程序以及对应的服务端应用程序，便于感知数据接收与处理[10]。同时还要包含同第三方应用程序连接的服务端应用程序，利用中间件提供的API功能，完成第三方应用程序端同服务端处理平台的解耦。
　　1.2  智慧教室设计方案评价方法
　　1.2.1  智慧教室设计方案全寿命周期成本构成
　　基于物联网的智慧教室设计方案全寿命周期成本构成即智慧教室由设计至弃用的过程中产生的费用总值[11]，其中包含一次性投入成本、运行成本、维护成本、故障成本和组件废弃成本。由于智慧教室可使用的时间通常较长，因此其运行成本、维护成本和故障成本均以年为单位计算[12]。
　　智慧教室规划设计与构建过程中产生的设计成本、本体投资成本、辅助设施构建成本以及构建施工成本等即为一次性投入成本[13]。智慧教室使用过程中的维护、整改、功能故障处理以及由功能故障导致的其他间接成本等共同组成运行成本、维护成本和故障成本。智慧教室弃用后，清理教室所需成本即为组件废弃成本，由于部分组件还未丧失功能，具有一定价值，可抵消相关费用。因此组件废弃成本通常为负值，但考虑组件残存价值较小，通常条件下组件废弃成本可忽略不计[14]。根据上述分析可得基于物联网的智慧教室全寿命周期成本模型如下：
　　式中，[LCC]表示全壽命周期成本;[BY]，[BU]，[BW]，[BG]和[BF]分别表示一次性投入成本、运行成本、维护成本、故障成本和组件废弃成本;[YVsum]和[YV]分别表示以年为单位的投资费用现值的折算系数和折现系数，且：
　　式中，[e]和[n]分别表示折现率和全寿命周期年限。
　　1.2.2  全寿命周期成本管理评价过程
　　基于物联网的智慧教室设计方案全寿命周期成本管理评价过程，是对比不同方案的一次性投入成本、运行成本、维护成本、故障成本和组件废弃成本，以全寿命周期成本最小为目标的设计方案评价过程[15]，评价流程如图3所示。
　　2  仿真测试
　　实验为验证本文研究的基于物联网的智慧教室设计方案评价方法的性能，以某高校基于物联网的智慧教室实际设计工程为对象，分别采用本文方法、基于熵值的设计方法和基于层次分析的设计方法进行测试。以物联网网络拓扑结构与网关设计方面为主，对不同设计方案的全寿命周期成本进行计算与比较。上述三种方法的设计方案分别命名为方案一、方案二、方案三，其运行成本、维护成本和故障成本对比如图4所示。
　　由图4可知，采用本文方法评价得出三个推荐设计方案中设计方案一运行成本、维护成本和故障成本最低;设计方案二前期成本较低，后期成本提升幅度较高;设计方案三成本总值最高。
　　三个设计方案的全寿命周期成本对比结果如表1～表3所示。分析表1～表3能够得到，在三个设计方案中全寿命周期成本最低的方案是设计方案一，在同样的一次性投入成本情况下，设计方案一的运行成本、维护成本和故障成本最低。由此可知，基于物联网的智慧教室设计方案最终选取方案一。
　　实验为验证本文方法的评价效率，在相同的实验环境中，对比本文方法、基于熵值法的评价方法和基于层次分析法的评价方法评价三个设计方案的平均评价速度，对比结果如图5所示。分析图5能够得到，本文方法评价不同智慧教室设计方案的平均评价时间约为217 ms，明显低于基于熵值法的评价方法和基于层次分析法的评价方法。实验结果表明本文方法评价基于物联网的智慧教室设计方案效率更高。
　　三种不同评价方法评价结果的均方误差均值与方差对比情况见表4。分析表4可知，本文方法评价精度较高，与其他几种估计方法相比，本文方法评价结果的均方误差均值和方差均较低，说明本文方法具有较高的评价精度。 　　3  结  语
　　基于物联网的智慧教室设计利用传感网络将校区内不同地理区域中多媒体教室的感知点统一，实现校区内教室的全方位感知，是当前高校多媒体教室管理的发展趋势。本文利用全寿命周期成本法有效评价基于物联网的智慧教室设计方案，能够在备选方案中确定最优设计方案，并得到影响方案选取的关键因素，对于智慧教室高质量设计研究，具有重要的应用价值。
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