劉艷 陳瀅生

摘? 要： 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室設(shè)計方案評價是智慧教室構(gòu)建可行性研究的重要組成部分。基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室設(shè)計方案分別從感知層、傳輸層和應(yīng)用層三個方向出發(fā)，根據(jù)教室面積選擇不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)關(guān);以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)關(guān)為主要研究對象，將全壽命周期成本理論應(yīng)用到基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室設(shè)計方案評價中，通過對比各方案一次性投入成本、運行成本、維護(hù)成本、故障成本和組件廢棄成本確定最優(yōu)設(shè)計方案。以某高?；谖锫?lián)網(wǎng)的智慧教室實際設(shè)計工程為對象，得到所研究方法的評價結(jié)果，結(jié)果顯示該方法可有效確定基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室最優(yōu)設(shè)計方案，且評價效率和評價精度均優(yōu)于對比方法。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng); 智慧教室; 設(shè)計方案評價; 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu); 全壽命周期; 評價效率; 評價精度

中圖分類號： TN99?34; F407.61? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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

當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與信息技術(shù)飛速發(fā)展，教育教學(xué)領(lǐng)域中融入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與信息技術(shù)構(gòu)建智慧教室成為各大高校教學(xué)資源發(fā)展的新目標(biāo)[1]。智慧教室的設(shè)計與構(gòu)建將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)同傳統(tǒng)教學(xué)模式和課程相結(jié)合，為課堂教學(xué)模式創(chuàng)新提供便利條件，為“教”與“學(xué)”提供智能化互動空間[2]，符合互聯(lián)網(wǎng)時代教學(xué)發(fā)展方向。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室設(shè)計方案評價是智慧教室構(gòu)建可行性研究的重要組成部分[3]。以往的設(shè)計方案評價大多關(guān)注智慧教室構(gòu)建前期的投入成本，未考慮智慧教室構(gòu)建過程中的運行、維護(hù)與組件廢棄等[4]，導(dǎo)致基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室設(shè)計方案與實施構(gòu)建過程、運行維護(hù)以及組件廢棄等環(huán)節(jié)間關(guān)聯(lián)疏松。

全壽命周期成本理論，即在方案設(shè)計過程內(nèi)綜合考慮工程壽命周期內(nèi)的全部環(huán)節(jié)，優(yōu)化過程內(nèi)全部關(guān)聯(lián)信息的設(shè)計理論[5]。將全壽命周期成本理論應(yīng)用到基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室設(shè)計方案評價研究中，基于智慧教室全壽命周期內(nèi)不同環(huán)節(jié)，利用集成方法緊密結(jié)合智慧教室規(guī)劃設(shè)計、實際構(gòu)建與運行維護(hù)等不同環(huán)節(jié)，通過等效費用描述設(shè)計方案的經(jīng)濟(jì)性、有效性、穩(wěn)定性與安全性等評價內(nèi)容，確定最優(yōu)設(shè)計方案。

1? 智慧教室設(shè)計方案評價

1.1? 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室設(shè)計方案

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室設(shè)計從三個方向出發(fā)，分別是感知層、傳輸層和應(yīng)用層[6]。

若所構(gòu)建的智慧教室面積較小，其感知層可選取星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[7]，以網(wǎng)關(guān)設(shè)備（類似常見的無線路由器）為中心，其直接連接智慧教室內(nèi)全部感知點。同時，管理設(shè)備與校內(nèi)有線網(wǎng)相連接，作為數(shù)據(jù)從教室至云中心的傳輸通道。應(yīng)用層則包含在云中心內(nèi)，基于智慧教室實際應(yīng)用要求，感知層采集的數(shù)據(jù)將傳輸至應(yīng)用層內(nèi)進(jìn)行分析、搜索與存儲等處理。智慧教室應(yīng)用系統(tǒng)與使用者之間的交互通過客戶端實現(xiàn)，客戶端設(shè)計時需確保其同應(yīng)用層功能之間可解耦。因此，需要一個中間件完成該解耦目的?；谖锫?lián)網(wǎng)的小型智慧教室設(shè)計方案如圖1所示。

當(dāng)所構(gòu)建的智慧教室面積較大時，無線路由器等網(wǎng)關(guān)設(shè)備無法與全部感知點直接連接，此時可選取ZigBee技術(shù)構(gòu)建具有感知區(qū)域可拓展性和邏輯可控便利性的樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋄8]，替代星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。基于物聯(lián)網(wǎng)的大型智慧教室設(shè)計方案如圖2所示。

利用ZigBee技術(shù)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可實現(xiàn)大型智慧教室內(nèi)感知數(shù)據(jù)的傳輸、處理和使用，其與星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的差異主要體現(xiàn)在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)感知數(shù)據(jù)的傳輸通過ZigBee技術(shù)實現(xiàn)，而非WiFi技術(shù)實現(xiàn)。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)內(nèi)還需考慮ZigBee節(jié)點類型與設(shè)計[9]，如終端節(jié)點、網(wǎng)關(guān)與路由器等。

1） 感知層：感知點部署與組網(wǎng)。感知層中，感知點傳感器選取需參考智慧教室實際使用功能與傳輸節(jié)點對接等技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建過程中，假設(shè)利用WiFi技術(shù)連接感知點，即可將WiFi技術(shù)與無線路由器相結(jié)合構(gòu)建星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。若選取的是ZigBee技術(shù)，則以一個協(xié)調(diào)器節(jié)點為出發(fā)點進(jìn)行組網(wǎng)，協(xié)調(diào)器節(jié)點在確定信號與網(wǎng)絡(luò)ID后運行網(wǎng)絡(luò)，同時協(xié)調(diào)器還具有網(wǎng)絡(luò)配置功能。當(dāng)協(xié)調(diào)器完成其功能后，可等同于ZigBee路由器，因此可將一個ZigBee路由器作為協(xié)調(diào)器。

2） 傳輸層：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，需考慮與其匹配的ZigBee網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)不僅具有連通ZigBee網(wǎng)絡(luò)與校園網(wǎng)或Internet網(wǎng)的功能，還可作為數(shù)據(jù)收集點，將收集的數(shù)據(jù)傳輸至應(yīng)用層內(nèi)實施處理。

3） 應(yīng)用層：后臺應(yīng)用同第三方應(yīng)用程序。在智慧教室應(yīng)用設(shè)計階段，可通過購買服務(wù)器設(shè)備構(gòu)建軟件平臺，或購買校內(nèi)云服務(wù)，通過提交相關(guān)參數(shù)獲取處理平臺資源的方式構(gòu)建服務(wù)端處理平臺。該平臺中包含已開發(fā)的客戶端程序以及對應(yīng)的服務(wù)端應(yīng)用程序，便于感知數(shù)據(jù)接收與處理[10]。同時還要包含同第三方應(yīng)用程序連接的服務(wù)端應(yīng)用程序，利用中間件提供的API功能，完成第三方應(yīng)用程序端同服務(wù)端處理平臺的解耦。

1.2? 智慧教室設(shè)計方案評價方法

1.2.1? 智慧教室設(shè)計方案全壽命周期成本構(gòu)成

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室設(shè)計方案全壽命周期成本構(gòu)成即智慧教室由設(shè)計至棄用的過程中產(chǎn)生的費用總值[11]，其中包含一次性投入成本、運行成本、維護(hù)成本、故障成本和組件廢棄成本。由于智慧教室可使用的時間通常較長，因此其運行成本、維護(hù)成本和故障成本均以年為單位計算[12]。

智慧教室規(guī)劃設(shè)計與構(gòu)建過程中產(chǎn)生的設(shè)計成本、本體投資成本、輔助設(shè)施構(gòu)建成本以及構(gòu)建施工成本等即為一次性投入成本[13]。智慧教室使用過程中的維護(hù)、整改、功能故障處理以及由功能故障導(dǎo)致的其他間接成本等共同組成運行成本、維護(hù)成本和故障成本。智慧教室棄用后，清理教室所需成本即為組件廢棄成本，由于部分組件還未喪失功能，具有一定價值，可抵消相關(guān)費用。因此組件廢棄成本通常為負(fù)值，但考慮組件殘存價值較小，通常條件下組件廢棄成本可忽略不計[14]。根據(jù)上述分析可得基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室全壽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]分別表示一次性投入成本、運行成本、維護(hù)成本、故障成本和組件廢棄成本;[YVsum]和[YV]分別表示以年為單位的投資費用現(xiàn)值的折算系數(shù)和折現(xiàn)系數(shù)，且：

式中，[e]和[n]分別表示折現(xiàn)率和全壽命周期年限。

1.2.2? 全壽命周期成本管理評價過程

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室設(shè)計方案全壽命周期成本管理評價過程，是對比不同方案的一次性投入成本、運行成本、維護(hù)成本、故障成本和組件廢棄成本，以全壽命周期成本最小為目標(biāo)的設(shè)計方案評價過程[15]，評價流程如圖3所示。

2? 仿真測試

實驗為驗證本文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室設(shè)計方案評價方法的性能，以某高校基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室實際設(shè)計工程為對象，分別采用本文方法、基于熵值的設(shè)計方法和基于層次分析的設(shè)計方法進(jìn)行測試。以物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與網(wǎng)關(guān)設(shè)計方面為主，對不同設(shè)計方案的全壽命周期成本進(jìn)行計算與比較。上述三種方法的設(shè)計方案分別命名為方案一、方案二、方案三，其運行成本、維護(hù)成本和故障成本對比如圖4所示。

由圖4可知，采用本文方法評價得出三個推薦設(shè)計方案中設(shè)計方案一運行成本、維護(hù)成本和故障成本最低;設(shè)計方案二前期成本較低，后期成本提升幅度較高;設(shè)計方案三成本總值最高。

三個設(shè)計方案的全壽命周期成本對比結(jié)果如表1～表3所示。分析表1～表3能夠得到，在三個設(shè)計方案中全壽命周期成本最低的方案是設(shè)計方案一，在同樣的一次性投入成本情況下，設(shè)計方案一的運行成本、維護(hù)成本和故障成本最低。由此可知，基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室設(shè)計方案最終選取方案一。

實驗為驗證本文方法的評價效率，在相同的實驗環(huán)境中，對比本文方法、基于熵值法的評價方法和基于層次分析法的評價方法評價三個設(shè)計方案的平均評價速度，對比結(jié)果如圖5所示。分析圖5能夠得到，本文方法評價不同智慧教室設(shè)計方案的平均評價時間約為217 ms，明顯低于基于熵值法的評價方法和基于層次分析法的評價方法。實驗結(jié)果表明本文方法評價基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室設(shè)計方案效率更高。

三種不同評價方法評價結(jié)果的均方誤差均值與方差對比情況見表4。分析表4可知，本文方法評價精度較高，與其他幾種估計方法相比，本文方法評價結(jié)果的均方誤差均值和方差均較低，說明本文方法具有較高的評價精度。

3? 結(jié)? 語

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室設(shè)計利用傳感網(wǎng)絡(luò)將校區(qū)內(nèi)不同地理區(qū)域中多媒體教室的感知點統(tǒng)一，實現(xiàn)校區(qū)內(nèi)教室的全方位感知，是當(dāng)前高校多媒體教室管理的發(fā)展趨勢。本文利用全壽命周期成本法有效評價基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室設(shè)計方案，能夠在備選方案中確定最優(yōu)設(shè)計方案，并得到影響方案選取的關(guān)鍵因素，對于智慧教室高質(zhì)量設(shè)計研究，具有重要的應(yīng)用價值。

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