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1、面向智能终端的校园教育互联系统的研究与实现 贾宁 大连东软信息学院 摘 要： 校园教育互联系统, 是一个基于物联网和移动互联网应用, 运用射频识别技术、无线通讯技术、网络通讯技术、云存储技术开发的, 学生、家庭、学校、教师之间无缝联接沟通的全新运营模式的校园教育管理沟通系统平台, 实现了真正意义上的校园信息智能化、家校沟通便捷化。该系统充分利用手机短信、定位、摄像头服务、RFID 识别等功能, 获取学生在校相关信息, 并将其存储至云平台中, 家长也可以登录终端应用系统, 随时随地操纵相关硬件设备查询学生的在校信息, 从而达到增强学校和家长之间联系, 实现学校和家长更好沟通的目的。关键词： 软件
2、即服务; RFID; Android; iOS; 校园教育互联; 作者简介：贾宁 (1985-) , 讲师, 主要研究方向为嵌入式软、硬件开发, E-mail:。基金：国家级大学生创新创业训练项目 (201513631035) 资助Research and Implementation of Campus Education Interconnection System for Intelligent TerminalJIA Ning Dalian Neusoft University of Information; Abstract： Based on the Internet of thi
3、ngs and mobile internet applications, campus education interconnection system is a new mode of communication platform, which uses radio frequency identification technology, wireless communication technology, network communication technology, cloud storage technology development, and communicates stu
4、dents, families, schools and teachers.It realizes the real meaning of campus information intelligence, home school communication.The system that makes full use of mobile phone text messages, positioning, camera services, RFID recognition and other functions, gets student information in school and st
5、ores this information in the cloud platform.By manipulating the relevant hardware devices, parents can log on the terminal application system, and check with the student information in school at any time, so as to achieve the purpose of improving the connection and better communication between the s
6、chool and the parents.Keyword： SaaS; RFID; Android; iOS; Campus education interconnection; 1 引言在当下的家庭结构中, 孩子是非常重要的成员之一, 家中父母和长辈时刻关注孩子的健康和教育等问题1。孩子是否准时上学、课堂表现如何、学习成绩如何、放学后的内容安排等事项一直是家人关心的重点问题2, 传统的模式是依靠电话、微信等形式实现家长与教师之间的沟通3, 采用这种即时通信的方式, 若一方不在线, 则无法获取联系, 同时, 由于师生比重较大4, 教师无法实时地、一对一地与家长进行详细信息描述。此外, 教师也
7、无法掌握学生放学之后的动态5。基于此, 学生、老师和家长之间还缺少一个便利、实用的信息沟通方式6, 能够让家长对孩子能做到全面掌控、及时跟踪指导。基于此, 创建一个通用的平台实现家庭-学校信息互通, 及时沟通, 考勤监督, 对提升在校期间的安全系数是非常有意义的。近年来, 随着信息技术的不断发展, 教育行业也将因为移动互联网和智能手机的普及而发生颠覆性的改变, 相关的校园教育互联软件层出不穷, 美国教育类通讯软件 Remind 成功地吸引了大量的老师和学生用户7, Remind 目前有约150 万的老师和 2350 万学生用户及家长用户, 迅速窜红成为当前美国 K12 的典范8, 由 Remi
8、nd 的发展历程来看, 家校互动在中学及以下教育中所起的作用最为明显9。反观中国的家校互动产品, 基于幼儿园应用的家园互动平台却发展得更具特色10, 而针对小学教育、初中教育, 更多时候教师倾于与家长寻求沟通解决问题, 这就导致了中国的校园教育互联系统由“家庭与学校”变成了“家长与教师”的互动系统11, 这件事制约了 APP 的发展。“加快教育信息化建设”在2010 年中长期发展才首次明确提出, 2015 年政府工作报告中提到“互联网+”战略的重要思想, 可以看出当前政府对教育信息化推进的高度重视12, 这也是近两年校园-家庭互动类产品受市场关注的重要原因。目前, 家庭与学校之间的沟通存在一定
9、的障碍, 家长不能对孩子教育进行及时的了解, 难以做到时刻关注, 导致了教师和家长的共同教育协作几乎没有13, 这种需求决定了中国的校园教育互联类产品从根本上要解决的问题是搭建“心灵陪伴”的桥梁, 即在中国, 此类产品的核心在于解决沟通问题, 而并非依靠技术本身14。在中国, 不计其数勤奋又严苛的父母在某种程度上决定了中国的校园教育互联类产品在形态和内容上不得不考虑将家长作为“教育相关者”的首要角色, 因此家长端用户的需求自始至终都是产品形态上不容忽视的一部分。目前, 整个校园教育互联领域的市场占比刚刚临近 5%, 产品用户的占比非常低, 产品竞争空间和用户的开发潜力巨大, 发展也理当更受期待
10、。本文介绍的校园教育互联系统将新兴的有源 RFID 无线识别技术、移动通信技术、物联网、移动互联网、互联网技术引入校园, 在家庭和学校间架起了一座空中桥梁, 为家长提供方便、快捷地了解子女状况的信息平台, 使学校教育和家庭教育紧密连接在一起, 为学校提供了与家长沟通的有效平台。2 智慧教育互联系统框架的设计作为现代化的信息管理与交互平台, 智慧教育互联系统将学生、教师、家长有效地联系在一起, 各类用户的消息可通过终端设备上传至云平台, 硬件设备采集的数据可通过无线网络提交到云平台, 由云平台进行二次转发, 系统框架如图 1 所示。图 1 智慧教育互联系统框架 下载原图智慧教育互联系统集云服务、
11、物联网通讯技术、移动应用开发技术、射频识别技术于一体, 具有运维效率高、师生沟通迅速、数据共享便捷、功能齐全等优势。此系统主要由以下几部分构成, 系统分层结构图如图 2 所示。图 2 智慧教育互联系统分层结构图 下载原图(1) 网络层网络层主要由云平台和移动通信系统构成。其中, 云平台采用 SaaS 模式, 提供统一的信息推送服务, 与上层应用程序的类型和在线与否无关, 均可获取最快线路的消息推送。此外, 网络层还提供信息沟通与存储服务。任何新消息、新邮件、新配置均将使用 PUSH 机制推送至上层应用程序。移动通信系统则是云平台与控制层的衔接者, 它通过网络获取控制层的消息, 采集硬件设备的相
12、关指令, 完成信息的分析与存储, 在达到警戒边缘时, 及时推送警戒消息给指定用户。(2) 控制层控制层由相关传感器、RFID 阅读器和主控制器构成, 主要进行信息采集工作。(3) 终端应用系统此系统主要包含移动应用程序 (Android, iOS APP) 和 PC 端程序, 它是网络层与用户之间的接口, 通过与网络层之间的数据传输, 以 Web, APP 等形式将信息内容呈现给终端用户。3 智慧教育互联系统网络层的设计作为此系统上下层之间的接口, 网络层中使用云平台替代传统的 PC 机服务器端。此时可将云平台看作是上位机, 用于完成与设备之间的数据传输, 与终端应用系统之间的消息推送。3.1
13、 云平台设计方案由于目前对于云平台的应用还处于初级阶段, 云存储的形式并不复杂, 因此系统采用公共云进行网络层的设计, 保证功能的齐全和使用过程的灵活性。根据云计算过程中面向对象的需求不同, 云计算服务可分为 3 层:IaaS (Infrastructure as a Service, 基础设施即服务) , PaaS (Platform as a Service, 平台即服务) , SaaS (Software as a Service, 软件即服务) 。智慧教育互联系统的主要服务对象是教师、家长、学生, 通过对象的移动终端获取服务, 因此, 基于云平台的网络层主要采用面向移动应用的 SaaS
14、 模式, 为终端系统的开发提供后台的云服务。SaaS 包括提供存储、托管环境等功能, 也包括提供推送等通行后端技术能力, 是软件开发向云端迁移和常用资源向独立 API 过渡的自然产物。它将所需的资源汇集、分类, 使开发者能够更加高效地进行开发, 无需单独从网络上收集。其结构设计如图 3 所示。图 3 基于云平台的网络层结构 下载原图3.2 移动通信设计方案目前, 云平台与移动终端的通信方式主要有两种形式:Socket 通信和 API 接口通信。由于使用 API 接口通信流程清晰, 各种封装后的流行框架可极大地简化通信的流程, 基于此, 本系统采用的是 API 接口通信的方式。此时, 云平台作为
15、服务器端, 为每一个移动终端发布一个使用 JavaScript 编写的基于服务的 REST API, API 包含数据读取方法和发送方法, 通过统一的模型, 复用 API 中的方法, 简化了与终端设备通信的编程流程。其他终端 (例如 PC、手机、平板等设备) 可以通过发布的 API 实现对传感器等硬件设备的操作和监测, 而且本地的设备无论是否在线都可以在云平台的服务器上实现信息交互。4 智慧教育互联系统控制层的设计智慧教育互联系统的控制层具备一个特点, 即快速有效地获取学习情况、周边环境等相关信息, 并将这些数据反馈给网络层。作为一种实时、高效的解决方案, 控制层采用的是模块化的设计思想, 其
16、硬件结构如图 4 所示, 主要分为 3 个部分:主控制器、采集模块和 RFID 阅读器。图 4 控制层硬件结构图 下载原图(1) 主控制器主控制器选用可跨平台的 AVR 单片机 Arduino UNO 开发板。它采用 Atmega328作为处理器, 是一款灵活、方便上手的开源电子原型, 连接资源较丰富, 各类资源均可以与 Arduino 完成输入输出操作或连接控制, 除此之外, 还可以实现多人交互。在控制层中利用 Arduino 开发板完成传感器数据的采集与指令的分发、RFID 系统数据的后期处理操作, 并为上位机提供显示的数据。(2) 采集模块采集模块主要涵盖相关传感器、继电器、摄像头、GPS 模块等硬件设备, 主要用于完成环境数据的采集与控制、环境报警、远程调取摄像头内容、地理位置定位等功能。(3) RFID 阅读器在校园内部设置特定通道, 通道内安装封装好的 RFID 阅读器, 每位学生随身携带一张 R
