希沃技术大佬分享,物联技术赋能数字教育,竟然可以这么智能!| 万字长文

  • 日期:08-06
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近日,雷锋网开启了“教育新基建”系列公开课第三期,邀请了国内知名教育信息化应用工具提供商希沃多媒体事业部唐乐军做客线上课堂,他以《物联技术赋能数字教育》为题进行分享。

唐乐军,希沃多媒体事业部高级软件架构师

从事软件研发、架构设计工作11年,对校园运维管理有深刻的理解,参与开发校园运维系统覆盖国内60多万间教室,目前负责希沃智慧物联教室、智慧物联校园多款产品的研发设计。

此次主题分享分为五个部分:

1. 校园空间类型及信息化教室类型介绍2.校园物联化演进历程及校园IoT技术路线介绍3.物联技术优化教学环境4.物联技术赋能大型校区管理5.物联技术助力能源信息化管理

以下为唐乐军的课程分享的部分回顾,雷锋网对其做了不改变原意的编辑整理:

首先介绍一下自己,我在广州视源股份旗下的未来教育集团多媒体事业部从事物联网相关的产品研发工作。广州视睿电子科技有限公司是广州视源股份旗下的子公司,希沃是广州视睿在教育领域创造的自主品牌,总部在广州的科学城,希沃是国内交互智能平板的首创者,在2012年到2019年连续8年市场占有率领先。2019年的市场占有率是43.5%,稳居行业的榜首。

我们今天的分享会分成两个部分,第一部分介绍下校园空间,让大家了解当前物联技术和校园的一个关系,第二部分介绍一下物联技术在数字教育领域的应用情况,分享希沃在校园信息化建设过程中是如何运用物联网技术的。

校园空间的分类和校园信息化教室的类型

平时我们谈起校园空间,第一个想到的是教室,其实教育部和住建部城市普通中小学校舍建设标准的文件中,明确提出了校园空间,分为教学及教学辅助用房、办公管理用房、生活服务用房三大类。

第一大类,教学及教学辅助用房,比如说我们的教室,包括音乐教室,美术教室等;第二大类,办公管理用房和生活服务用房,是属于后勤的,比如教学楼,行政办公室、住所,还有水电房等。第一类大家可能接触的比较多,在校园信息化投入中也是非常多的,后两类的用法更相更偏向于后勤,大家平时接触比较少。

教育信息化主要是围绕着教学及教学辅助用房来开展的,目前形成了四大类普及率比较高的信息化教室。

第一类是多媒体教室,多媒体教室有一些特征,一是配备了多媒体的教学设备,并且终端是需要接入到互联网里面,然后去进行一些远程的管控。

基于多媒体教室,我们谈的比较多的是智慧教室,智慧教室是在多媒体教室的基础上衍生出来的,它有一些跟多媒体教室不一样的特征,比如说交互智能显示设备是需要在智慧教室里面的,我们的设备要能够被统一管理,需要了解学生的使用数据,用于学情数据分析。

基于智慧教室,衍生出两种不同的场景应用的教室,第一个是智慧交互教室,它的特征就是小组配备了学习端,小组同屏对比讨论等,可能会运用到AR、VR、MR技术。

另外一类是网络互动教室,它主要的特征就是支持1+N远程教学,标配一些录播设备、音视频采集设备。我们在疫情期间这类可能接触得比较多,比如说常见的AB班教学、云课堂等等都是这一类的教室。

教室的信息化建设分两个方向,智慧教室和物联智能教室。而这下面它又分为教学和环境服务,信息化教室关注的是教学,分为课前、课中、课后三个时间段,课前是前置预习,诊断评价;课中是以学定教、互动教学,课后是查缺补漏、巩固提升。课前课中课后都会用到信息化设备,比如说交互智能平板、交互智能录播等。

物联智能教室其实是更好地让这些设备能够被管控起来辅助教学,比如说照明系统、空调系统、集中管控系统等等。

希沃在这四类的信息化教室上面,通过物联技术,将信息化设备、环境设备与教学应用数据打通,形成个性化的智能环境。比如说老师来到教室之后,可能通过一些物联设备,比如说刷卡或者人脸识别等等,认证身份之后自动同步了一些个性化的数据,比如显示设备的亮度,还有环境的温度,麦克风的音量等等,通过物联技术把它自动调节到老师想要的一些个性化的环境里面。

校园信息化物联技术的演进

物联网技术在校园信息化演进过程中分几个阶段,我们把它叫做前物联阶段、过渡阶段,还有当前的校园物联阶段。

传统的教室是属于中控的时代,目前大部分教室内还是存在的,可能运用RS232、RS485等接口,还有比如红外,它存在一些比较明显的缺点,一是有线连接运维的工作量是非常大的。 二是要求设备在同一个局域网内,三是数据没有上传到云端,难以去做统计分析,四是物联是以教室为单位,脱离于教室外很难去管控。一些新的设备,慢慢地已经不支持这种接口了,所以它的拓展性会非常差,你可能拿一台新的设备来,他可能就没法被管控了。

近年来近距离的一些无线物联方案也逐渐进入人们的视野,比如蓝牙等的一些短距离的无线方案,但是它们相对之前也有一些明显的缺点,就是它比较局限,教室内也没法让数据上云去做分析。

随着5G技术的到来,慢慢形成了5G、NB-IoT、LoRa等长距离无线互联方案,它们有一些很明显的优势,一是无线通信不需要去布线或者说改造现有环境的线路布局。

二是本地控制和云端控制是相结合的。

三是物与物之间通过物联云连接,能够不再局限在教室的场景内,可以很方便地进行一些场景的联动,对现有设备的改造也是很简单,可以把教学信息化设备和传统的环境设备、应用数据无缝打通。像这种长距离的无线物联方案,它的穿透能力是非常强的。比如说一个网关,一栋楼宇可能只需要部署3-4个就已经能够很好地覆盖。5G这一块其实慢慢形成了一些产业联盟,大家都在统一通信规范,并且设备之间是能够互联互通的。

为了将来和其他厂商共同打造物联智慧教室,希沃在运用物联网技术方案时会采用不同的解决方案,比如说教室内存在一些传统的中控的方案,通过我们的智能讲台,将传统的串口、红外连接的设备连接在一起,然后智能讲台通过LoRa的技术和云端连接,实现传统和现有的新技术很好地结合在一起。

学校IoT物联建设的技术路线

希沃物联网中台包括三部分,第一个是设备,第二个是互联网中台,第三个是基于物联网中台开发的小应用、小数据。

设备顾名思义就是指物联网设备,我们把它分成两部分,第一部分是信息化设备,比如说交互智能平板、学生平板,还有环境设备,比如空调灯光、水电,还有温湿度的检测等等。

中间这部分是希沃互联网平台的核心,它主要有三块的功能,第一接入模块,设备通过接入模块接入到物联网中台之后,包括设备的控制接入,比如开关亮度;设备产生的数据,通过数据接入的方式,这些数据可能包括一些环境数据、教学数据;设备的状态,比如设备上下线离线,还有一些故障等等,都能够通过接入模块很好地进入到物联网中台里。

前面也讲到了物联网设备是多种多样的,如果只接入一种协议,是很难做到把整个物联网建设起来。所以说接入模块我们有一个协议转换,把各种复杂或者说不同的协议标准化,方便后面的一个数据能力的建模。

业务处理模块,顾名思义,就是当设备接入到物联网中台之后,需要对它进行建模,比如我这个设备是什么类型的,我的设备能力是什么样的,这样才能够让设备实现控制,还有数据实现标准化,为了方便调用和控制设备,物联网中台可能会自动生成一些开发套件,就是俗称的SDK,让设备能够快速接进来,并且让云端的一些小应用和小数据快速地去控制设备,并且分析设备的数据。

物联网中台除了要满足设备快速结构和云端应用快速处理之外,还要考虑设备的后续维护。所以说我们也做了远程的统一管控,全链路的日志,还有自动升级等等,这些模块也是非常重要。

规则引擎模块其实是将设备产生的数据,还有设备之间的联动,通过规则引擎路由到不同的应用或者处理数据处理模块,让设备能够真正实现互联互通。

希沃不仅是一个硬件厂商,同时也是教育领域内的小应用和小数据的提供商。我们的小应用,包括设备的应用系统,能源管控系统,还有互动录播系统等等,都可以通过物联网平台实现对设备的管控。当然我们也有最核心的小数据,包括设备数据,还有教学数据、教研数据等等,都可以在物联网中台的帮助下,和其他的应用无缝打通。

物联网连万物,一定要有超高的并发量,希沃物联网中台采用Actor模型和Netty框架来实现高并发。

首先简单的介绍一下Actor模型。Actor模型是一个基于消息驱动和非阻塞的高并发处理模型。为什么要有这个模型?因为在传统的并发模式中是倾向于强一致性、弱隔离性的。我们在做一些高并发设计的时候有内在的复杂性,比如说一个设备连接上来,后续的处理肯定是希望这个设备的状态是有序的,并且指令肯定是通过一个连接来下达的,所以就要求它的时序性性非常高。如果按传统的一些设计经验,我们可能把一个多线程的程序就用单线程来处理,这样会导致它的并发性能不是特别高。

Actor模型它天生是强隔离性,并且弱一致性的,所以说Actor模型在并发中有一个很良好的性能,并且也很好很好的控制和管理。

Netty框架是Java提供了一个异步的事件驱动的网络模型,因为物联网他都是要连接到云端的,所以说一个很好的网络框架是实现高并发的一个非常重要的一个点。

简单讲一下Actor模型是怎么在我们的服务中运用的,比如说我们的一个后台服务,他可能本身是一个Actor,它对应着不同的产品,这里的产品就是不同的设备类型,比如说班牌是一种类型,交互智能平板也是一种类型,产品对应着不同的设备,每个设备都有一个独立的Actor,这样可以保证所有的设备是不干扰的。假设有一个设备在后台出现故障,它是不会影响其他设备的。

中间这一部分是用了一个session manage actor来管理一个连接,你要控制设备和云端的一个通信,它就一定会有一个连接,但是如果是一个高并发的程序,服务是有很多节点的,处理这个连接是要在指定的节点上来做。所以说通过Actor和设备的一个session的管理,保证设备的连接和后续的处理过程是有序可达的。

右侧是一个接入层的高并发实现,通过ZK实现一个节点服务的发现和注册,然后将请求分配到不同的处理业务中,这样可以很方便的进行一个动态的扩充和缩减服务器的资源,让设备能够平均分配到所有的处理节点上。

我简单介绍一下我们的设备是怎么接入到希沃物联网中台里面来的。首先在左下角我们的设备它可能通过一个注册的方式获取它的一个设备的三元组信息,包括设备的ID、密钥、产品信息。注册的方式一般有两种,第一种是我在设备在出厂的时候,就把这些信息烧录,启动的时候直接把这信息携带上就好了。第二种就是将设备自己的唯一标识上传到服务器,然后通过服务器告诉它的三元信息。

第二个步骤就是我获取到设备的三元信息之后,它会接入到物联网中台,后续我们的应用 APP,通过一些设备的ID或者说扫描设备的二维码,与设备关联起来,后续用户就可以通过APP去管理设备,进行上下行的一个指令的下发、数据的上报。

前面我给大家科普了一下校园空间的分类,还有物联网技术的演进过程,还有希沃在物联网是怎么去做一些技术的设计的。

物联技术如何赋能数字教育,以希沃为例

第二部分我会简单介绍一下物联网技术在赋能数字教育这一块,希沃到底做了些什么,具体是怎么做的?这一块会分三个部分,第一个就是物联网技术是如何优化教学环境;第二个就是物联网技术是如何赋能大型校区的管理;第三个就是物联网技术在能源信息化这一块是如何去做的?

物联网一般分5层,感知层、系统层、应用层、数据层,最上面是综合平台。

感知层就是对通过一些感知的元器件,让设备能够和云端连接起来,比如教学设备、学生设备、广播设备、环境设备等。

系统层就是基础的服务,比如混合云架构、设备运维管理系统、数据仓库、统一认证系统、备份系统。

应用层就是针对不同的环境做的平台和服务,比如校园智慧管理、校园智能服务、校园环境管理、校园数据分析。

数据层其实就刚才讲到的教学数据和物联数据、环境数据,它是相辅相成的,就是说你在后台肯定要有一个地方,还将这些数据能够融会贯通。

对外我们是一个综合平台,比如说校园AIoT管理平台、多媒体装备管理平台、校园物联数据平台、校园综合管理平台。

物联技术优化教室环境这一块主要分两部分,第一是物联服务教学,第二是物联改善环境。

物联服务教学主要有几个应用的场景,比如走班考勤,在新高考的政策中,通过一些班牌的人脸识别,或者说NFC近距离刷卡认证他的身份,第二个场景是身份识别,第三个场景是设备安全。

教室的设备都是一个公共的设备,如何保证这些设备能够正常运行,并且是可靠稳定地一直长时间运行,我们推出了一些类似希沃冰点的东西,让保护设备的一个安全物联网改善环境这一块,比如说室温调控,通过物联网的一个温度检测,可以知道教室内当前的温湿度怎么样,通过物控物这种方式,感觉到温度的变化之后,我们可以自动调节,比如说空调的一个开关。

还有光线调控,现在越来越多的教室对照明是有非常高的要求的,但是如何自动去调节光照?其实我们可以根据现在反映光照的数据,然后和我们的灯控系统联合起来,这样能够自动地调节光线。

空气也是类似的,教室内有很多二氧化碳或者说pm2.5、pm10的一些检测,和我们的新风系统进行无缝的打通之后,也能够自动地进行一些智能的管控。

最后一个就是智能感应,教室是一个公共的空间,设备的开关其实更多是靠人为去参与。结合物联网技术,我们可以做到,比如说在晚上的时候,检测到教室内没有人,我们可以自动把灯光熄灭,做到人走灯灭等场景。

物联技术在优化数字教学管理这一块,主要有两个方向,第一个教育信息化设备的管理,还有环境设备的管理。

教育信息化设备管理是什么?学校的设备越来越多,管理员他如何去统一管控它,比如设备的远程控制、重启开关机等等,设备的一些运行状态,你需要去有个地方实现统一的监管。比如我可以远程地查看设备的桌面截图,还有当前设备的状态,异常的报警等等。

设备的使用情况是什么样子?其实作为一个管理者,他应该要知道,比如说开关机的时间段是什么样,它的一个活跃的趋势,还有当前一些软件的使用,设备当前的健康度是什么样子?

环境设备的管理,就是针对教室内环境的监测和管理,比如环境指数、温度湿度、还有二氧化碳的浓度等等。

空调的监测,比如空调的指定快速开关、空调的限温等等。

电源开关的管理,比如说我可以监测整个教室或者整个校园区域的用电状态,能够进行远程的一键处理。

水电的监测,包括整个校园的水电的使用情况等等。

在大型校区通过边缘计算的技术,希沃物联在边云协同管理备份,还有数据的本地容灾备份来帮助多校区的设备的管控。边云协同管理备份主要是因为大型校区场地繁多,管理复杂,特别是在高职教的院校,不可避免地会遇到一些局域网的故障问题,通过边云协同的方式,能够协调多个校区多个设备的协调管理,结合我们的边缘计算技术,这个就非常重要了。

大型校区有很多的数据存储,比如音视频的数据、大文件数据,如果你全部存储在云端,其实是存在一些安全隐患,并且访问速度会受到外网流量的限制,通过边缘计算技术,我们将这些数据存储在本地的边缘计算设备上面,实现本地数据本地的一个缓存和备份。

物联技术第三部分就是能源信息化管理这一块,能源管理是校园后勤保障的核心,以物联网技术为基础的信息化管理手段可以有效地为校园后勤管理进行信息化转型。校园的教室、办公场所,都需要知道我们对灯光空调、环境的数据,还有整个区域用电情况的了解;图书馆、宿舍需要知道水电消耗情况是什么样子;其他的区域,体育馆、餐厅等,也需要去做能源的精细化管理。

我们为什么要做校园能源的信息化管理?

第一个是要提升后勤的管理效率,比如说运用一些大数据技术、物联网技术让楼宇实现数字化的转型,比如说我可以知道整栋楼宇它的设备运行情况是什么样子,结合一些3D可视化工具可以清晰地知道每个空间,每台设备当前的运行情况。

第二个是延长设备的生命周期,其实校园内的设备都是一个公共设备,它如何能够良好地运作,需要一个全面的监管,通过一些监管的方式推动楼宇的智能化,管理和节能的双向发展。

第三个就是降低能源损耗,通过智能的感应,刚才前面也说到了,我知道设备的运行状态,比如说我可能在一个办公室,在和晚上的时间段里面,里面灯已经灭了,但是空调还开着,在正常情况下这种是不合理的,如果通过智能化设备,灯光空调会自动关掉之后,能够降低能耗的消耗。

能源信息化这一块,我们做了一套标准的解决方案,我们把1个教室分成4个点,测量整个教室的用电情况、空调管理、环境的数据采集和水电的管理,将一套标准化的教室接入完成一个物联网改造之后,通过无线网关连接到云端,然后通过PC或者小程序来进行一个数据的呈现。

这里是我们的一个能源可信息化的示意图,左边可以看到,其实我们可以知道整个区域或者说整个楼宇的水电的使用情况,并且我们也知道当前设备的运行状况是什么样。比如说现在的一些温度环境,还有其他的一些数据,还有我们的一些异常告警信息,它会提前通知你,当前的设备运行状态是不是正常的,然后还有一些节能提醒,某个区域在某个时间段它的设备使用是不正常的,他会提前告诉你,并且会给你一些能耗降低能耗的建议。

它主要有以下几个优势。

第一,能源的统计由静态转为动态。在传统的能源统计过程中,一般是每个月可能抄一次水表,可能知道水表这个月异常了,但是这个异常是事后的,我们是没法处理的,只能说后面会避免。经过信息化的管理之后,水电的消耗是实时监测实时处理的。