第 1 章 绪论
1.1 研究背景及其意义
物联网（ Internet of things，IOT）是基于互联网、传统电信网络等信息载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络[1]。从网络的角度来看它具有以下特点：联网终端规模化、感知识别普适化、异构设备互联化、管理处理智能化以及应用服务链条化。在物联网搭建的过程中，各种信息传感设备是实现物物互联不可或缺的重要组成部分之一，而传感器设备的性能优劣将直接影响整个物联网的工作效率。同时，随着物联网技术的发展以及“智慧地球”概念的提出，物联网技术在社会生活中的各个领域得到了广泛的应用，例如智能交通、智能家居以及智能电网等[2]。此外，随着“互联网+”概念的提出，也加快了物联网技术在其它领域的应用，其中也包括推进“互联网+教育”的发展，即构建智慧教育的体系结构。然而，构建智慧教育的基础是智慧校园的建设，与此同时，智慧教室作为智慧校园的重要组成部分之一，物联网技术在智慧教室的建设中也发挥着不可替代的作用。智慧教室是数字教室与未来教室的一种新型教育形式，该种教育形式是将现代科学技术融入到教学过程中，让教学任务变得更简单、智能、高效，并有助于提高学生自主思考与学习能力[3]。然而，在智慧教室的实际建设过程中发现传感器设备所采集到的信息都需要传回数据控制中心进行分析与处理，缺少了自主分析数据与智能处理的能力，当数据量较大时，如果出现网络拥塞的情况将直接影响整个系统的工作效率。那么，这就要求传感器节点需要具备一定的数据处理能力，因为不可能将所有采集到数据都传回数据中心进行分析处理。因此，传感器节点与微处理器结合将成为今后传感器节点的发展方向。
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目前物联网比较公认的是三层架构模式，分别为应用层、网络层和感知层。而未来物联网的研究方向应该是一个有云+端（海计算）组成的庞大网络[4]。其中云计算是通过使计算分布在大量的分布式计算机上进行运算，是一种基于互联网的信息化服务模式。云计算可以为用户提供包括大规模计算、数据存储与管理等服务，同时用户可以通过互联网接入云平台，通过发送简单的命令就可以从云端到大量的共享网络资源。相较于云计算注重后台的管理，海计算则更加注重物联网中前端的运用。根据物联网本身具有异构性、混杂性、以及超大规模性的特点[6]，物联网的前端就需要具有保存和处理感知数据的能力，因此海计算应运而生。
3.1 智慧教室中智能节点的功能与需求分析 ............................... 13
1.2 国内外研究现状
物联网被认为是继计算机、互联网之后全球信息化产业的第三次发展浪潮。物联网是通过利用传感网技术、感知技术、计算机技术实现物体与现实世界相连的网络。国内外学者在较早就开始了对物联网的研究。如美国加州大学洛杉矶分校的 CENS 实验室、WINS 实验室等对物联网中的无线传感网络方面开展了大量的研究工作。麻省理工大学与 DARPA 合作开展了低功耗的无线传感器网络研究，同样奥本大学与 DARAP 合作从事自组传感器网络方面的研究。除了高校和研究所以外，还有许多知名网络公司也对物联网展开了相应的研究，其中以克尔斯博公司为代表，作为无线传感网络研究的先驱者之一，旗下有多款无线传感网络硬件设备。国内对于物联网的出现也展开了多方面的研究。其中，中国邮电大学的无线传感网络系列节点 UbiCell，集信息采集，信号处理、数据传输等功能于一体，可以实现物联网传感器的多种功能。再如中国科学院计算机研究所的 GAINS系列节点是基于 ZigBee 无线通信协议栈可以实现多种网络拓扑，用户可以通过API 设计自己的应用网络。国内研究学者除了硬件开发方面的研究外在理论研究方面也有相应的研究，其中，哈尔滨工业大学、清华大学、上海交通大学等高校研究所在无线传感网络协议、算法、体系结构等方面有许多创新性的研究成果。随着国内外学者对物联网技术的研究不断深入，物联网被应用于社会生活中更多的领域，其中基于物联网的智慧校园的研究也成为了国内外学者研究的热点。
物联网被认为是继计算机、互联网之后全球信息化产业的第三次发展浪潮。物联网是通过利用传感网技术、感知技术、计算机技术实现物体与现实世界相连的网络。国内外学者在较早就开始了对物联网的研究。如美国加州大学洛杉矶分校的 CENS 实验室、WINS 实验室等对物联网中的无线传感网络方面开展了大量的研究工作。麻省理工大学与 DARPA 合作开展了低功耗的无线传感器网络研究，同样奥本大学与 DARAP 合作从事自组传感器网络方面的研究。除了高校和研究所以外，还有许多知名网络公司也对物联网展开了相应的研究，其中以克尔斯博公司为代表，作为无线传感网络研究的先驱者之一，旗下有多款无线传感网络硬件设备。国内对于物联网的出现也展开了多方面的研究。其中，中国邮电大学的无线传感网络系列节点 UbiCell，集信息采集，信号处理、数据传输等功能于一体，可以实现物联网传感器的多种功能。再如中国科学院计算机研究所的 GAINS系列节点是基于 ZigBee 无线通信协议栈可以实现多种网络拓扑，用户可以通过API 设计自己的应用网络。国内研究学者除了硬件开发方面的研究外在理论研究方面也有相应的研究，其中，哈尔滨工业大学、清华大学、上海交通大学等高校研究所在无线传感网络协议、算法、体系结构等方面有许多创新性的研究成果。随着国内外学者对物联网技术的研究不断深入，物联网被应用于社会生活中更多的领域，其中基于物联网的智慧校园的研究也成为了国内外学者研究的热点。
1.2.1 智慧教室研究现状
继 2008 年以后随着“智慧地球”概念的提出，人工智能技术、传感技术、网络技术等与物联网相关领域得到了飞跃式的发展。随着物联网技术与社会生活更加紧密的联系，如何运用物联网技术来改善教学环境与提高学习效率成为了国内外的研究热点。
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第 2 章 基于海计算的智慧教室体系结构设计
2.1 海计算架构特点继 2008 年以后随着“智慧地球”概念的提出，人工智能技术、传感技术、网络技术等与物联网相关领域得到了飞跃式的发展。随着物联网技术与社会生活更加紧密的联系，如何运用物联网技术来改善教学环境与提高学习效率成为了国内外的研究热点。
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第 2 章 基于海计算的智慧教室体系结构设计
目前物联网比较公认的是三层架构模式，分别为应用层、网络层和感知层。而未来物联网的研究方向应该是一个有云+端（海计算）组成的庞大网络[4]。其中云计算是通过使计算分布在大量的分布式计算机上进行运算，是一种基于互联网的信息化服务模式。云计算可以为用户提供包括大规模计算、数据存储与管理等服务，同时用户可以通过互联网接入云平台，通过发送简单的命令就可以从云端到大量的共享网络资源。相较于云计算注重后台的管理，海计算则更加注重物联网中前端的运用。根据物联网本身具有异构性、混杂性、以及超大规模性的特点[6]，物联网的前端就需要具有保存和处理感知数据的能力，因此海计算应运而生。
海计算（Sea Computing）是 2009 年 8 月 18 日，通用汽车金融服务公司董事长兼首席执行官 Molina，在 2009 技术创新大会上所提出的全新技术概念。海计算为用户提供基于互联网的一站式服务，是一种最简单可依赖的互联网需求交互模式，其实质就是通过将计算器、通信设备和智能算法融入到现实世界的物体中，让现实世界中各种互不依赖的物体能够相互连接，在事先不可预判的环境下进行判断，实现物与物之间的交互作用。
海计算的计算方式近似于分布式并行运算，通过对分布式并行运算的研究可以得出海计算模式下的计算架构。与分布式并行运算相比，该模式的特点是舍弃了中控节点，同时加入了协助节点。权力主要下放至各个分散的智能节点。协助节点用来协助整个系统的正常运行。每个智能节点将同时担任数据存储、数据处理和环境感知三种角色。这样设计的目的主要是在不同的需求环境下尽可能的实现本地化运算，以提高系统的处理能力。海计算计算架构如图 2.1 所示。
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2.2 当前智慧教室体系结构分析
从 IBM 在 2008 年提出“智慧地球”的概念后，国内紧跟世界科技发展趋势提出了“感知中国”的概念。这之后与物联网相关的项目迅速被列为国家科技强国战略的重点领域。正是在这样的大背景下智慧中国、智慧城市、智慧社区、智慧校园、智慧交通、智能家居等物联网领域的新概念不断的涌现而出，而智慧教室作为智慧校园的一部分也被列为了重点研究方向。
智慧教室顾名思义就是将传统的教室智能化，有学者认为智慧教室的智慧性表现在内容呈现（Showing）、环境管理（Manageable）、资源获取（Accessible）、及时互动（Real-time Interactive）、情景感知（Testing）五个维度，并根据这五个维度的内容提出了“SMART 模型”。还有学者从智慧教室构建原则与功能方面考虑，提出了基于物联网的三层结构的智慧教室构架。根据研究人员对智慧教室的研究与理解，无论是五维模型还是基于物联网的三层模型架构，都是根据物联网从下到上依次为物理层、网络层、应用层三层模型的典型模型架构总结而出的。因此本文认为通用的智慧教室总体结构图可以总结为如图 2.2 所示。
从 IBM 在 2008 年提出“智慧地球”的概念后，国内紧跟世界科技发展趋势提出了“感知中国”的概念。这之后与物联网相关的项目迅速被列为国家科技强国战略的重点领域。正是在这样的大背景下智慧中国、智慧城市、智慧社区、智慧校园、智慧交通、智能家居等物联网领域的新概念不断的涌现而出，而智慧教室作为智慧校园的一部分也被列为了重点研究方向。
智慧教室顾名思义就是将传统的教室智能化，有学者认为智慧教室的智慧性表现在内容呈现（Showing）、环境管理（Manageable）、资源获取（Accessible）、及时互动（Real-time Interactive）、情景感知（Testing）五个维度，并根据这五个维度的内容提出了“SMART 模型”。还有学者从智慧教室构建原则与功能方面考虑，提出了基于物联网的三层结构的智慧教室构架。根据研究人员对智慧教室的研究与理解，无论是五维模型还是基于物联网的三层模型架构，都是根据物联网从下到上依次为物理层、网络层、应用层三层模型的典型模型架构总结而出的。因此本文认为通用的智慧教室总体结构图可以总结为如图 2.2 所示。
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第 3 章基于海计算的智慧教室智能节点设计 .................................. 13
3.1.1 智慧教室场景分析 .................................. 13
3.1.2 智能节点需求分析 .............................. 13
第 4 章模糊控制算法的设计与实现 ................................ 29
4.1 模糊控制算法描述 .............................................. 29
4.1.1 模糊控制算法原理 ................................... 29
4.1.2 模糊控制系统简介 .................................... 30
第 5 章基于海计算的智慧教室系统的实现 ............................. 42
5.1 云海结合的智慧教室系统构建 .................................... 42
5.1.1 基于云平台的数据管理与控制结构设计 ............................... 43
第 5 章基于海计算的智慧教室系统的实现
5.1 云海结合的智慧教室系统构建
5.1.1 典型智慧教室系统描述
典型的智慧教室系统主要是利用传感器、RFID 以及视频监控技术来完成教室数据的采集，实现教学设备与互联网连接并进行数据信息的交换。此外，管理人员可以通过系统后台对教学设备进行智能化识别、管理以及跟踪等，同时可以为老师与学生提供更好的教学环境以及教育平台。在智慧教室系统中主要包括以下几个子系统：
（1）学生考勤系统
学生考勤系统主要是利用 RFID 射频技术、视频监控技术以及指纹/面部识别技术对学生进行考勤统计，并将考勤数据传送至后台数据库进行存储。
（2）教学设备管理系统
教学设备管理系统主要是利用 RFID 射频技术搭建而成，可以对教学设备进行跟踪监控管理，方便管理人员对教学设备的去向进行管理。
（3）灯光控制系统
灯光控制系统主要是利用传感器设备对教室内光照强度进行数据采集，并通过人体检测传感设备判断教室内人员的稀疏程度，从而对教室内灯光强度采取智能控制。
（4）温、湿度控制系统
温、湿度控制系统主要是利用温、湿度传感器设备对教室的温湿度数据进行采集，并与后台设定的阈值进行对比，实现教室环境始终保持在一个相对稳定的状态。
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第 6 章 总结与展望
6.1 工作总结
随着智慧教育的普及，智慧教室的建设逐渐被广泛的关注。本文首先根据当前智慧教室以及物联网中的海计算模式特点，提出了一种基于海计算模式下智慧教室的两层体系结构及智能节点设计方案。然后通过对控制算法的研究，分析提出了一种基于模糊控制算法的智慧教室智能控制方案，并以校园内典型的小班教学教室实验场景，构建了一个典型的智慧教室系统，对所设计的智能节点以及控制算法进行了实验分析。本文的主要研究工作及成果如下：
（1）针对当前智慧教室以及物联网中海计算模式特点，提出了一种简化后的基于海计算模式的两层智慧教室体系结构，该架构使智慧教室的建设更加简洁方便。文中重点描述了该两层智慧教室的总体架构以及网关节点和辅助节点的功能设计。
（2）通过对现有的传感器节点进行研究分析，提出了一种基于海计算模式智慧教室的智能节点设计方案，使节点拥有自组织、自计算、自反馈的海计算功能。通过实验测试验证了该节点在稳定性与性能方面，与当前现有节点对比有一定的提升。
（3）针对高校教室物理环境所具有不确定性、难以建立模型等特点，提出了一种适用于海计算模式下智慧教室的模糊控制算法。针对智慧教室特征设计了模糊控制规则，同时建立了模糊控制表，并通过 MATLAB 和 Simulik 仿真实验验证了该算法的正确性和可行性。最后，利用创建的模糊控制规则以及模糊控制原理，设计了适用于智慧教室的温度模糊控制算法。
（4）基于上述对智慧教室体系结构、智能节点以及模糊控制算法的研究与分析，同时根据本文所要完成的实验目标，构建了一个典型的智慧教室系统，规划部署了智慧教室系统及其测试环境，并通过实验测试验证了基于海计算的智慧教室及其智能节点的可行性和适用性。
参考文献（略）