高職院校智慧教室的建設(shè)及實(shí)踐探索

高春雪　孫保海

關(guān)鍵詞：智慧教室；嵌入式；物聯(lián)網(wǎng)；實(shí)踐探索

中圖分類號(hào)：TP271；G647 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)于教育的要求越來越高，同時(shí)對(duì)教學(xué)場(chǎng)所的環(huán)境要求也越來越高。傳統(tǒng)的教學(xué)場(chǎng)所已經(jīng)無法滿足師生的需求，因此，智慧教室應(yīng)運(yùn)而生。智慧教室是一種新型的教育模式，通過將現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)相結(jié)合，通過智能化的設(shè)備和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)教育資源的共享，為學(xué)生提供更加便捷、高效、安全的學(xué)習(xí)環(huán)境。本文以運(yùn)城職業(yè)技術(shù)大學(xué)為剖析對(duì)象，從硬件部分著手，重點(diǎn)分析智慧教室的安全及信息傳輸環(huán)節(jié)，希望給相關(guān)院校智慧教室的建設(shè)帶來參考和幫助。

1總體設(shè)計(jì)思路

智慧教室的控制系統(tǒng)以STC89C52RC單片機(jī)為控制核心，采用全教室分布式的傳感器布置模式，精確檢測(cè)教室的粉塵、溫濕度、煙霧及光照等與教室安全及舒適性密切相關(guān)的主要參數(shù)，力爭構(gòu)建符合工業(yè)級(jí)別的具有高性能、高可靠性和高集成性的物聯(lián)網(wǎng)式智慧教室，為廣大師生提供一個(gè)安全、舒適的學(xué)習(xí)與工作環(huán)境。

除控制核心外，系統(tǒng)總體可分為信號(hào)采集模塊、控制設(shè)備模塊、無線傳輸模塊、顯示／控制模塊等4個(gè)部分（圖1）。通過計(jì)算將智慧教室的傳感器分布于教室四周，傳感器以有線傳遞信號(hào)為主，通過線路連接A/D（模擬數(shù)字）轉(zhuǎn)換器，再連接到主控單元。主控單元正常工作時(shí)采集各傳感器的信號(hào)，并將采集到的信號(hào)顯示在顯示／控制模塊，當(dāng)檢測(cè)到異常信號(hào)或控制信號(hào)時(shí)，將控制相關(guān)設(shè)備（日光燈、空調(diào)、窗簾、門、報(bào)警器、換氣扇）執(zhí)行動(dòng)作，確保教室環(huán)境的安全和舒適。無線傳輸模塊包含遠(yuǎn)程接收及控制端（包括手機(jī)端APP及計(jì)算機(jī)端），用來接收當(dāng)前各傳感器發(fā)送的信號(hào)并直接控制各控制設(shè)備執(zhí)行相關(guān)操作。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1信號(hào)采集模塊

2.1.1粉塵（PM2.5）檢測(cè)

教室是一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境，其粉塵的主要來源為粉筆灰。用黑板擦擦拭黑板時(shí)，大顆粒的粉筆灰塵都會(huì)掉落到黑板槽內(nèi)收集起來，一部分小顆粒的粉筆灰塵會(huì)飄散到空中，影響空氣質(zhì)量，并且對(duì)講臺(tái)上的人員及前兩排人員的影響尤為明顯。因此安裝粉塵（PM2.5）檢測(cè)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)以上區(qū)域的粉塵量，配合安裝換氣扇，對(duì)教師及學(xué)生的身體健康有重要作用。粉塵檢測(cè)傳感器選用GP2Y1014AU，可測(cè)量0.8μm以上的微小粒子。該傳感器具有極低的電流消耗（正常工作時(shí)的電流為20 mA），輸出的是一個(gè)模擬電壓，與所測(cè)得的粉塵濃度成正比，敏感性為0.5 V/（0.1 mg·m^-3）。該傳感器有6個(gè)引腳（圖2），其中5號(hào)引腳為AOUT，根據(jù)空氣中灰塵顆粒的濃度產(chǎn)生模擬電壓脈沖，將其連接到A/D轉(zhuǎn)換模塊中，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，將信號(hào)傳輸至控制核心STC89C52RC，可讀取當(dāng)前環(huán)境下的粉塵含量（以PM2.5計(jì)），與所設(shè)定值進(jìn)行比較，從而控制換氣扇的打開與關(guān)閉。

2.1.2溫濕度檢測(cè)

教室合理的溫濕度環(huán)境是師生正常學(xué)習(xí)工作的基本。單片機(jī)根據(jù)溫濕度參數(shù)可以控制窗戶或空調(diào)的打開／關(guān)閉，使教室內(nèi)保持人體適宜的溫濕度。教室雖然相對(duì)封閉，但教室環(huán)境會(huì)因受到人數(shù)、外界溫度等多方面因素的影響而發(fā)生變化。因此，應(yīng)在教室的不同方位安裝溫濕度傳感器，用以保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。以80 m²的教室為例，可在距離地面1.5 m處安裝3個(gè)溫濕度傳感器。本設(shè)計(jì)所選用的DHT11（數(shù)字溫濕度傳感器）是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器（圖3），其濕度精度為±5% RH，溫度精度為±2℃，量程濕度為5%～95% RH，量程溫度為-20～60℃。該傳感器共有4個(gè)引腳（3號(hào)引腳為空引腳），2號(hào)引腳為傳感器的單線制串行接口，可直接連接于控制核心的輸入／輸出（I/O）接口。

2.1.3煙霧檢測(cè)

火災(zāi)是校園安全中的重要問題之一，智慧教室可以通過安裝煙霧傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)教室內(nèi)的煙霧狀況，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)出警報(bào)，提醒師生注意安全。本設(shè)計(jì)采用MQ-2煙霧傳感器，該傳感器有4個(gè)引腳，其中3號(hào)引腳為輸出引腳，輸出0～5V的測(cè)量信號(hào)電壓，煙霧濃度越高，則電壓越高（圖4）。在教室的前、中、后3個(gè)位置分別布置3個(gè)煙霧檢測(cè)傳感器，如果有火災(zāi)發(fā)生，可在第一時(shí)間發(fā)出報(bào)警，并通過手機(jī)遠(yuǎn)程通知教室管理員，從而及時(shí)采取相關(guān)措施。

2.1.4光照度檢測(cè)

光照度對(duì)于學(xué)生的學(xué)習(xí)有重要的影響。為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，教室的照明應(yīng)該采用適宜的光照度，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。智慧教室可以通過安裝光敏電阻傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)教室內(nèi)的自然光線強(qiáng)度。在教室前面光線強(qiáng)度較大時(shí)，由于光的反射，大部分學(xué)生會(huì)看不清黑板的內(nèi)容，因此可在教室前面布置兩個(gè)光敏電阻傳感器，當(dāng)光線較強(qiáng)時(shí)可控制窗簾自動(dòng)閉合；在教室的中后位置安裝兩個(gè)光敏電阻傳感器，在光線較暗時(shí)，控制室內(nèi)的日光燈打開。光敏電阻傳感器結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可通過A/D轉(zhuǎn)換模塊直接與控制核心連接（圖5）。

2.2顯示／控制模塊及控制設(shè)備模塊

顯示模塊主要用來顯示當(dāng)前教室各傳感器參數(shù)信息及操作菜單。正常狀態(tài)下顯示教室當(dāng)前的溫度及濕度信息，按下控制鍵后，顯示當(dāng)前的設(shè)置界面，包括PM2.5、溫濕度、煙霧及光照等的臨界值。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到信號(hào)采集模塊的相關(guān)信號(hào)超過臨界值時(shí)會(huì)觸發(fā)相關(guān)控制設(shè)備的動(dòng)作，如打開換氣扇、空調(diào)、燈光等相關(guān)設(shè)備，保證教室內(nèi)的空氣質(zhì)量及光照等達(dá)到人體最舒適的狀態(tài)。

2.3無線傳輸模塊

控制單元的串口連接ESP8266（Wi-Fi串口模塊）與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)智慧教室信息的遠(yuǎn)程發(fā)送及接收。所有信息連接到云端，利用手機(jī)APP或計(jì)算機(jī)端可遠(yuǎn)程接收當(dāng)前教室的狀態(tài)，如溫濕度信息、開門狀態(tài)、教師上課信息及相關(guān)報(bào)警信息等，也可遠(yuǎn)程控制教室的門、窗簾、空調(diào)等控制設(shè)備的打開或關(guān)閉。

3結(jié)語

高職院校智慧教室的建設(shè)是一個(gè)系統(tǒng)工程，除了包含智能控制硬件及軟件部分外，智慧教室的基礎(chǔ)設(shè)施改造、整體網(wǎng)絡(luò)布設(shè)、配套軟件安裝、教學(xué)內(nèi)容豐富等均需要學(xué)校、教師、學(xué)生共同努力。只有不斷完善基礎(chǔ)設(shè)施、豐富課程內(nèi)容、優(yōu)化管理模式，才能真正實(shí)現(xiàn)智慧教室的價(jià)值，為高職院校的教育改革和發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。