物联网的环境教育系统设计刍议

来源：中文期刊网位置：自然科学时间：13-05-28 09:01

基于物联网的系统

采集设备可以实时或定时采集小区域范围内的环境要素并发送到监控主机中，该子系统中的传感器主要包括温度、湿度、风速、风向、雨量、气压等各类要素传感器，以及噪声、二氧化碳、二氧化硫等环境要素传感器．监控主机获取数据后再通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上传到网络服务器．这样的众多小型站点联接在一起，便可构成一个更大区域的环境观测体系．实时数据采集子系统的基本结构系统采用嵌入式操作系统ｕＣ／ＯＳ（微Ｃ操作系统），其绝大部分源码采用ＡＮＳＩ－Ｃ编写，代码可读性好，可移植性强，并且具有良好的可裁剪性．主处理器采用ＡＲＭ７（ａｄｖａｎｃｅｄＲＩＳＣｍａ－ｃｈｉｎｅｓ）内核芯片、ＡＲＭｖ４Ｔ（Ｎｅｗｍａｎ）结构、三级流水线处理，具有空间统一的指令与数据Ｃａｃｈｅ，平均功耗０．６ｍＷ／ＭＨｚ，时钟速度６６ＭＨｚ，每条指令平均执行时间１．９个时钟周期，利用嵌入式ＣＩＥ调试技术简化了系统设计．传感器节点采用模块化设计，每个采集节点配有ＺｉｇＢｅｅ模块．ＺｉｇＢｅｅ使用全球免费频率２．４ＧＨｚ，具有网络功耗低、可靠性高、成本低、容量大、安全性好等特点．系统采用太阳能电池供电，节能环保．最大功率３０Ｗ，输出电压１２Ｖ，额定电流２Ａ．系统采用模块化设计，可根据用户需要灵活增减相应的传感器模块，例如颗粒物（ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅｍａｔｔｅｒ，ＰＭ）传感器，组合起来方便、快捷，可以满足各类用户的不同需求．采集到的数据传递到观测点监控主机后，能够定时通过因特网传输到网络环境数据库，且传输过程中出现故障能够及时恢复，容错性好．系统具有技术先进，测量精度高，数据容量大，遥测距离远，人机界面友好，可靠性高的优点，可广泛用于学校和社区小区域范围环境服务，也适合于气象、海洋、环境、机场、港口、工及等领域使用．实时数据采集与上传该模块主要功能是通过无线方式获取环境观测站采集的实时数据并显示．数据采集的基本算法如下：首先判断是否到发送数据时间，若到了执行数据发送命令，则向监控主机发送实时数据，否则等待发送时间窗口；在发送数据过程中须判断发送是否超时，若超时，则终止本次数据发送，转到等待发送状态，若没有超时，则接着判断数据接收是否成功，若数据接收失败，则转到等待发送状态，准备下次发送，若已经收到数据，则对收到的数据进行ＣＲＣ校验（ｃｙｃｌｉｃｒｅｄｕｎｄａｎｃｙｃｈｅｃｋ，即循环冗余校验），校验通过后存入数据库并以各种表格的形式展现数据．

面向环境教育的研究性学习平台

由于数据采集站点设置在社区和校园中，因此可以获取实时、小尺度的环境与气象数据，这些数据将更加贴近人们的实际感受，感知身边的环境情况变化，合理安排出行，学生可以利用这些数据进行研究性学习．将若干个采集点的数据上传至环境数据库中，可以进行数据挖掘等获取隐含在数字背后的规律，从而构建更高层次的应用．研究表明探究环境普遍具有如下特征［１１］：ａ．提供科学数据获取的工具；ｂ．预置科学探究主题；ｃ．通过网络支持科学探究活动各个环节的开展和；ｄ．整合多种学习工具．利用技术构建的环境采集系统作为科学数据获取工具，可以预设面向环境教育的科学探究主题，通过真实环境与网络虚拟环境的有机结合，构建一个虚实融合的面向环境教育的研究性学习平台．研究性学习平台的设计该研究性学习平台以“感知校园、探究科学、保护环境”为主题，设置实时环境数据、综合环境数据、数据分析、环境信息查询、环境科普和３Ｄ环境信息展厅、资料下载和研究性学习等栏目．实时环境数据模块主要展现各采集点的实时环境要素数据，界面提供了选择菜单，可以选择不同的采集点和不同的环境要素进行查询，同时提供了数据下载功能，在研究性学习阶段，学生可以在教师的指导下把所需的数据下载到本地进行进一步的数据处理和挖掘，从而获得数据背后隐含的规律．综合环境模块可以按照区域来展示采集点的各种环境要素数据，对不同区域的信息进行比较，获取空间位置之间的环境信息．数据分析模块提供了环境数据的图形化展示，包括曲线图、柱状图、风玫瑰图等直观形象的图型，这种方式可以更加直观地展现环境信息变化的情况．环境信息查询模块提供了对社区居民和学生的区域性环境信息服务功能，可以通过手机获取本区域的环境信息，如穿衣指数、紫外线指数的具体信息，更好地指导市民的出行．环境科普模块是一个资源发布平台，主要提供环境保护方面的科普知识，宣传环保意义，传递环境方面的政策、措施等方面的知识，为社区居民和中小学生提供一个了解环境、保护环境的窗口．３Ｄ环境保护展厅模块采用Ｗｅｂ－３Ｄ技术设计了一个在线的虚拟展厅，立体展现环保知识，学生可以采用替身的方式进入到虚拟情境中，例如进入的循环与利用展厅，可以看到一幅幅由图片、文字组成的长廊，电视里在播放水循环利用环保主题的视频等，通过虚拟方式的模拟一些在现实生活中难以实现的情境，使学生对环境问题会有更加深入的理解。资料下载模块免费提供各类环境数据的下载和查询，同时对用户提供环保主题信息的资源的上传、下载功能．研究性学习模块通过集成开源课程管理系统Ｓａｋａｉ实现．主要利用其中的论坛、ｂｌｏｇ和ｗｉｋｉ等协作学习工具，针对虚实融合的研究性学习的需要而设计了“以问题解决为中心”，遵循“情境创设、设计活动、协作探究、反思提高”过程的研究性学习模式作为教师指导学生开展研究性学习、学生进行研究性学习的支架．同时为防止学生在探究过程中出现信息迷航，针对平台内部资源设计了个性化资源推送策略，帮助学生快速获取自己需要的资源．个性化资源推送策略设计学习资源是研究性学习的重要组成部分，是研究性学习得以开展的基础和保障．为了更好地开展研究性学习，不仅须实时的环境数据资源，还需要相关的其他网络资源，而在现有的研究性学习平台中多以学科或者主题分类的方式组织学习资源．在信息爆炸时代，面对海量的信息资源，学生容易感到无所适从，造成学生的认知负担超载，甚至出现信息迷航．因此根据学习者个性特征推送相关资源可以节省学习者查找、筛选资源时间，提高研究性学习的效率．通常意义上的学习资源是指那些可以提供给学习者使用、能帮助和促进他们进行学习的信息、人员、教材、设施、技术和环境［１２］．本研究中学习资源是指平台内所存储的数字化资源，如用户、用户群体、论坛帖子、ｂｌｏｇ、研究成果、主题、通知、日历、课程安排等．这些资源根据来源一般分生成性资源和非生成性资源两大类．生成性资源主要是用户在利用平台学习过程中动态生成的一些资源，如论坛帖子、ｂｌｏｇ等，非生成性资源主要指用户上传的已有资源，如教学大纲、参考文献等．学习者与资源是多对多关系，一个学习者可以拥有多个资源，一个资源也可以属于多个学习者．学习者与资源之间的主要动作关系是上传、下载和推送［１３］．学习者除了上传、下载资源之外，还可以对资源进行浏览、加精、评分等操作．根据学习者对资源的操作可以形成用户的操作属性（对哪些资源感兴趣），根据学习者的学习进度可以形成学习者的学习状态属性．为了方便学习者查找资源以及系统推送资源，须对学习者和资源的属性进行标记，即创建属性元数据．本研究采用标签技术分别建立学习者和资源的属性元数据．学习者的属性标签主要来自于用户注册时的信息（用户属性）、学习者的学习状态属性以及学习者系统操作行为统计属性（对上传、下载、浏览、评论等操作的统计）；资源的属性标签主要来自于资源提供者根据学科和关键字分类的标签以及资源使用者对资源的评价、标记等．根据研究性学习的主题、用户学习进度，系统可以将用户可能感兴趣，其他用户感兴趣或评分高、浏览次数多，相同领域的最优资源或相似领域的最佳资源推送给用户，从而可以快速实现资源的共建和共享，体现“利用用户交互数据可以创造巨大价值”［１４］的其中，推送规则运算采用标签匹配算法实现，通过将用户属性、用户学习状态属性、用户操作行为统计属性与资源属性进行匹配，系统根据学习者的学习主题，将平台中评价最高的相关资源、教师指定的资源和拓展的相关资源进行匹配，根据匹配结果推送给学习者，从而提高学习资源的利用效率，减少信息迷航，实现个性习．

作者：杨进中 张剑平 李杭彩 李红美 许玮 单位：浙江大学教育技术研究所