基于Android的智能教室系统研究.doc

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1、基于Android的智能教室系统研究于卫红大连海事大学交通运输管理学院，辽宁，大连，116026摘要：物联网时代，对教室在教学互动、教学管理、教学资源利用等方面提出了智能化、泛在连接等要求。智能教室系统的实现，需要在提高硬件设备的同时开发智能化、集成化的软件应用。本文分析了智能教室系统的功能，提出了基于Android的智能教室系统体系框架，阐述了各功能的实现原理。并通过基于Android 加速度传感器与无线传输技术的自动签到功能的开发实例说明了Android技术在智能教室系统中的应用方法和优越性。研究表明，将Android技术应用到智能教室系统中，将大大改善课堂环境、提高教学环节的互动性、增强

2、学习的趣味性、全面提高教学效率。关键字：Android；智能教室系统；物联网；传感器Research on the Smart Classroom System Based on AndroidYu WeihongTransportation Management College of Dalian Maritime University, Liao Ning, Dalian, 116026Abstract: In the era of the Internet of Things, some new requests such as intelligence, ubiquitous conn

3、ection are put forward to the classroom in teaching interaction, teaching management and the use of teaching resources. For the implementation of smart classroom system, not only the hardware equipments need to be improved but also some intelligent integrated software applications need to be develop

4、ed. In this article, the functions of the smart classroom system are analyzed, the framework of smart classroom system based on Android is put forth and the realization principle of each function is elaborated. The development of the automated taking attendance function is taken as an example to sho

5、w how to apply the Android technology into the smart classroom system and the advantages of such application. The research shows that the application of Android technology into the smart classroom system will greatly improve the classroom environment, enhance the teaching interactions, make the teac

6、hing and learning more interesting and thus improve the teaching efficiency.Key words: Android; Smart Classroom System; the Internet of Things; Sensor一、概述伴随信息技术的发展，教室经历了传统教室、电子教室、多媒体教室等阶段。物联网时代，对教室在教学互动、教学管理、教学资源利用等方面提出了智能化、泛在连接等要求， “智能教室”应运而生。但是，目前，“智能教室”仍没有一个标准的定义，公认的观点是：智能教室是一种新型的教育形式和现代化教学手段，基于物

7、联网技术集智能教学、人员考勤、教学资源管理、环境智能调节、视频监控及远程控制于一体的新型现代化教室系统1-3。根据多年的教学经验以及对大量参考文献的总结和提炼，我们把智能教室系统的功能定义成一个五元组：Iclassroom=（S，M，A，R，T）。其中，Iclassroom 表示智能教室。S代表Show功能，指的是授课环节教学信息的演示。包括多媒体课件的清晰展示、通过环境传感器、无线网络、无线可调设备等的协作自动调节屏幕亮度使其处于最适合的状态等2。M代表Manage功能，指的是对多媒体设备、软件系统、数据资源、网络、教学互动等的管理和控制。 A代表Access功能，指的是教师和学生在特定的权

8、限范围内可通过手机、平板电脑、计算机等方便地获取课件、教案、习题等教学资源。R代表Real-time Interaction功能，指的是利用各种传感器设备、网络基础设施及先进方法提升教学活动中的互动环节，包括师生互动、生生互动、人机互动等。T代表Test功能，指的是在智能教室中课堂小测验应该改变传统的纸笔测试的落后局面，做到有效测试、智能点评、快速反馈。从物联网的角度看，智能教室系统应分为三个层次：感知层、网络层、应用层4。目前，网络层是研究得最成熟的一层，感知层和应用层的研究刚刚起步，且多集中在对感知层的研究，学者们提出了基于RFID、无线传感器网络等技术的智能教室系统物理架构5-8。但是，

9、对于一个完整的信息系统来说，硬件是物质基础，软件则提供了发挥硬件功能的方法和手段，是整个系统的灵魂。软件系统研究的相对滞后将导致“智能教室”只能以概念的形式存在。因此，要加大“智能教室”应用的深度和广度，必须在提高硬件设备的同时开发相应的软件系统，特别是智能化、集成化的课堂教学互动式软件系统。本研究提出并实现了一系列基于Android、无线通信、BDI Agent等技术的智能教室应用功能，丰富了智能教室系统应用层的研究。二、基于Android的智能教室系统体系框架基于Android的智能教室系统的基本结构如图1所示。Android设备摇一摇自动签到功能智能教室系统授课环节Android设备控制

10、课件播放智能互动基于Android与Agent 的课堂互动 课堂测验基于Android的课堂小测验环境调节基于Android传感器的环境监控与调节资源管理课件、教案、习题等资源的共享和管理校园云平台数据库、课件、教案、习题、案例库、视频、音频、图像等图1 基于Android的智能教室系统其中，1智能签到功能 传统的课堂点名费时费力，而且代签到现象时有发生。如何实时、快速、准确地在几百人的大课堂点名，成为高校教师面临的棘手问题。目前，多数学生使用Android手机，每台手机都有一个全球唯一的 IMEI码（International Mobile Equipment Identity，国际移动设备

11、身份码），在学生数据库中可将IMEI码与学生信息绑定。上课前教师机处于接受状态，学生手机中的Android程序的Activity中获取加速度传感器服务并注册传感器监听。学生摇晃自己的手机将触发OnSensorChanged()方法，在该方法中获取手机的IMEI码，通过无线Socket通信将IMEI码发送给教师机的签到程序，教师机的签到程序接收到IMEI码后修改学生数据库，将学生的签到信息写入数据库中。2 Android轻松控制课件播放 PPT演示是不可缺少的授课环节，但是老是跑去电脑前点击鼠标或操作键盘翻页，不仅麻烦还会造成讲解的中断。 基于Android的控制课件播放功能采用C/S结构。为教

12、师机开发一个服务器程序用于接收手机端发出的信号。Android手机作为客户端变身为电脑控制器，通过WIFI与教师机连接，实现远程操作PPT、远程关机、重启电脑等功能。3 基于Android的课堂测验 课堂小测验在测评学生的课堂学习效果、教师的授课效果中扮演着极为重要的角色。传统的课堂测验通常采取纸笔测试的方式，这种方式最明显的缺陷就是反馈慢。教师通常在课后批阅小测验试卷，学生则要在下次课或以后才能了解自己对以往课堂知识的掌握程度。而且，如果学生数太多的话，将会加大教师的批阅工作量。 为了克服传统的课堂测验的弊端，我们开发了课堂小测验的Android手机应用程序并安装到学生的手机中。各章节的题库

13、存储在校园云平台上，在测验环节，学生们打开自己手机中的小测验应用，该应用从云端获取试题，学生们在自己的手机上回答测试题，测试完毕，系统会马上判断对错，并通过无线网络将每个学生的测试结果（分数、错题）发送给教师机的接收程序。发送完毕，学生还可通过自己的手机查阅习题答案及错题讲解。4基于Android传感器的教室环境监控与调节 大部分Android设备都内置多种传感器，可随时监测环境信息，如温度、压力、湿度和光线等9。为了使教室环境更加舒适、节能，我们可利用Android光传感器、温度传感器、湿度传感器及教室内的无线可调设备（窗帘、灯等）开发教室环境监控与调节功能，如，根据Android光传感器感

14、知到的环境光强自动调节窗帘的升降、灯光的亮度等，使授课环境绿色健康。5资源管理将课件、题库、教案、习题等进行有效整合，统一部署到校园云平台上。开发Android客户端应用，通过该应用，教师和学生可在指定的权限内获取教学资源、共享、管理相应的资源。6基于Android与 BDI Agent的课堂互动使用该功能，学生可在听课过程中随时用手机记下疑问并通过无线网络发送到教师机上。教师机接收到问题后，在不打断教师讲课的前提下，可先由教师Agent从问题库中搜索答案反馈给提问学生。教师Agent是使用Jadex开发的BDI Agent程序，起到了教师助手的作用。教师 Agent无法解答或解答结果学生不满

15、意的问题将由教师在Q/A环节中进行解答，并更新到问题库中。三、应用实例-基于Android传感器和WIFI的自动签到功能3.1原理与算法课堂点名能够在一定程度上敦促学生更积极的参与课堂学习，但是课堂点名也很浪费时间，特别是一些公共课，100多个学生点完名字可能半节课的时间就被浪费了。为了节省课堂点名时间，我们开发了基于 Android加速度传感器和无线通信的自动签到功能。 该功能采用C/S结构，教师机为服务器端，学生的手机为客户端。客户端利用Android的加速度传感器检测手机X、Y、Z三个轴的加速度，在无摇晃的情况下，任意一轴的加速度值通常不会超过10（重力加速度为9.8，手机的传感器会有一

16、定的误差）。晃动的时候任何一轴的瞬间加速度会突然变大。因此，我们可以设定一个阈值a（如a=14）,当任意一轴的加速度大于等于a的时候表示手机被晃动了，这时读取手机的设备码，手机设备码IMEI全球唯一，与每台手机一一对应。在学生数据库中将IMEI码与学生信息一一绑定。摇晃手机后将IMEI码通过WIFI socket发送给教师机的服务器程序，该程序接收到IMIE码后从学生数据库中查找相应的学生信息并修改该生的签到状态（0为未签到，1为已签到）。手机客户端程序的算法如图2所示任意轴的加速度绝对值=aY获得传感器管理器实例通过传感器管理器获得加速度传感器注册加速度传感器监听器设定阈值a获取X轴、Y轴、

17、Z轴的加速度获取Android手机的设备码IMEI建立与教师机服务器程序的Socket连接向教师机发送IMEI码取消对加速度传感器的监听N结束图2 手机客户端“摇一摇”自动签到算法流程图教师机服务器程序是一个实现Runnable接口的多线程类，完成的功能包括：监听客户端的连接请求、对请求做出应答、接收来自客户端的数据、根据所接收的数据查询并修改学生签到状态等。其算法的主要伪代码如图3所示。serverSocket = new ServerSocket(SERVERPORT); /创建服务器套接字while (true) Socket client = serverSocket.accept()

18、; /接收来自客户端的请求BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(client.getInputStream(); /接收来自客户端的数据Connection cn= DriverManager.getConnection(dbURL, dbUser, dbPassword); /连接数据库Statement stmt = cn.createStatement(); /创建statement对象执行SQL语句ResultSet rs = stmt.executeQuery(querysql); /查询学生的签到状

19、态if (rs.next() /若存在该生但未签到 stmt.executeUpdate(updatesql1); /在数据库中将其签到状态修改为1 图3 教师机服务器程序伪代码3.2运行结果分析运行时先启动教师机上的服务器程序，让其处于监听状态，学生走进教室后摇一摇自己的手机即可签到。运行结果如图4所示。图4 运行结果系统首先记录下学生摇晃手机的时间T1，完成经由无线网络的信息发送、接收以及数据库查询、更新等功能后，记录下签到成功的时间T2。T2与T1的时间差即为签到过程的总耗时。从图4我们可以看出，每位学生的签到耗时不同。影响耗时的因素包括：手机与教师机的距离、手机加速度传感器的性能、手机

20、CPU、内存等。我们让50名学生分别位于教室（宽约8米，长约15米）的不同位置进行多次程序测试（同时摇晃手机或不同时摇晃手机），测得系统无并发故障，签到成功率为100%，人均耗时500毫秒左右。通常，学生在走进教室的瞬间摇摇手机即可完成签到，既方便又准确。利用该系统可大大节省课堂点名时间。四、结论 物联网技术走进校园、走进教室是科技发展的必然趋势。物联网简单说是四个字：感、传、智、控。如果要用户时刻了解周围环境，与特定的物体相连并完成控制，那么离不开移动终端：手机。随着Android设备的广泛应用，Android已逐渐成为标准的“物联网”操作系统。本文提出了物联网时代基于Android的智能教

21、室系统体系框架，通过基于Android 加速度传感器与无线传输技术的自动签到系统的开发实例说明了Android设备在智能教室系统中的应用方法和优越性。研究中还开发了基于 Android的环境监控与调节、基于 Android的课堂小测验、基于Android与BDI Agent的智能答疑等系列应用，将在以后的论文中加以阐述。 凭借开源和免费的特点，Android已成为物联网发展的重要推动力。将Android应用到智能教室系统中，将使教室更加“smart”，改善课堂环境、提高教学环节的互动性、增强学习的趣味性、全面提高教学效率。参考文献1 胡卫星, 田建林. 智能教室系统的构建与应用模式研究J. 中

22、国电化教育, 2011, 9: 026.2聂风华, 钟晓流, 宋述强. 智慧教室: 概念特征, 系统模型与建设案例J. 现代教育技术, 2013, 23(7): 5-8.3 陈卫东, 叶新东, 许亚锋. 未来课堂: 智慧学习环境J. 远程教育杂志, 2012, 5: 007.4 黄涛. 物联网技术与应用发展的探讨J. 信息通信技术, 2010, 4(2): 9-13.5 敖弟维, 王亚伟, 杨艳芳, 等. 基于红外传感器的智能教室照明控制J. 装备制造技术, 2012, 5: 026.6 陈海松. 基于 Zigbee 技术的智能教室设备控制系统设计J. 电子技术, 2013 (8).7 吕元海

23、, 朱妮, 郭新明. 教室无线传感器网络节能路由研究J. 咸阳师范学院学报, 2011, 26(4): 67-69.8 董世青, 张露, 高峰. 基于射频技术的智能教室人员统计系统的设计与实现J. 数字化用户, 2013 (21).9 Milette G, Stroud A. Professional Android sensor programmingM. Wiley. com, 2012. 10Calvert K L, Donahoo M J. TCP/IP sockets in Java: practical guide for programmersM. Morgan Kaufmann, 2011.作者简介：于卫红（1972-），女，博士、副教授、硕士生导师、美国阿拉巴马大学访问学者。主要研究方向：电子商务、多Agent系统、智能家居系统。E-mail：yuwhlx