高校智慧教室環(huán)境設施自動運行管理策略的設計與實現

李遠亮， 戈達開， 王宜之

（上海交通大學教育技術中心，上海 200240）

0 引 言

教室是課堂教學的載體和場所，教育信息化2.0的推進，各種教育新技術的引入，教室的功能不斷進行拓展，從“粉筆＋黑板”到多媒體教室，逐步演化為現在的集多媒體、教學平臺、監(jiān)控、物聯網傳感器等硬件于一體的智慧教室［1-2］。智慧教室在高校的建設已初具規(guī)模，由于其具有功能多樣的教學設備和精致的裝修環(huán)境，越來越受到師生的喜愛，使用率很高。隨著教室數量的不斷增加，如何對這些設施設備進行有效運行、維護和管理，在保障日常教學順利開展的同時，做到能耗的優(yōu)化管理，無疑是一項十分重要工作。以往以人工管理為主的傳統(tǒng)教室管理模式顯然不能滿足智慧教室管理的新需求［3］。如何應用智慧教室中的物聯網、AI等信息技術，設計一套適合智慧教室環(huán)境設施自動運行管理策略，以達到改善教學環(huán)境的同時，節(jié)約能源，節(jié)省人力，實現提高教學管理服務效能與質量的目標。并結合我校東中院智慧教室系統(tǒng)，給出實現對教室環(huán)境設施（燈光、空調、新風等）自動化運行管理的案例。

1 實現智慧教室環(huán)境設施自動運行和管理的硬件和技術基礎

（1）集控管理平臺。目前高校智慧教室系統(tǒng)一般都有一個網絡集控管理平臺，可遠程控制教室中各種教學設施設備［4］。而且還能對接教務系統(tǒng)，獲取課表信息，根據課表安排自動開關教室設備。系統(tǒng)構成如圖1所示。

圖1 智慧教室集控管理平臺系統(tǒng)圖

（2）環(huán)境傳感器。教室里一般都安裝環(huán)境傳感器，可實時采集溫度、濕度、光照度，以及空氣質量參數，包括二氧化碳濃度、甲醛等。這些參數可通過網絡實時傳輸至集控管理平臺［5-8］。

（3）視訊系統(tǒng)。教室一般都安裝有高清監(jiān)控攝像機，通過圖像分析的技術，視訊系統(tǒng)可以根據人體輪廓判斷座位是否有人，從而實時的統(tǒng)計出教室內的人數。通過API對接，集控管理平臺可以獲取對應教室的人數［9］。

2 教室環(huán)境設施自動運行策略的設計

教室環(huán)境設施，如燈光、空調、新風的開啟，不僅和教室使用安排相關，還與教室的環(huán)境參數有密切聯系。如從節(jié)約能耗的角度，教室內亮度足夠，或者教室里沒人的情況則不應該開燈；溫度不過高或過低的情況不應開啟；二氧化濃度過高時新風設備應及時打開。

通過教室里安裝的傳感器，可以實時的獲得教室的各種環(huán)境參數，如溫度、光照度、二氧化碳濃度等［10-11］。而教室里的環(huán)境設施的開啟和關閉可以根據這些參數來決定。顯然，溫度與空調相關，天氣很熱或很冷時應當開啟空調；光照度與燈光相關，照度很低時則應開燈，照度很高則應關燈；二氧化碳濃度與新風機相關，研究表明，長時間處于CO2超過1 000×10－6的環(huán)境中，人的機能將受到影響，引起不舒適感［5，12］。因此濃度高，讓人感覺空氣濁，應及時開啟新風，濃度低空氣清新，呼吸順暢，則可關閉新風。

教室環(huán)境設施自動運行，除了滿足客觀的參數條件外，還需根據教室使用情況來決定，當教室空閑無人使用時，各種設備應及時關閉［14］；自修教室則應根據自修的人數來決定設備的開關。當各教室內自習人數普遍過少時可關閉部分教室的空調進行導流，當教室內自習人數開始增多為避免擁擠可陸續(xù)增開部分教室空調進行分流［15］。上課教室可通過獲取課表信息確定，自修教室可在不上課的教室中進行選擇，其他不使用的則定義為空閑教室。根據表1來判斷。

表1 教室環(huán)境信息

根據不同的的教室情況，設計制定教室自動運行策略，流程圖如圖2所示。

圖2 自動運行管理策略流程圖

3 自動控制策略的實現

現結合學校東中院智慧教室為例，闡述自動控制策略的實現過程。學校目前已建有了一個多媒體教學運維系統(tǒng)平臺（基于J2EE技術標準），可對學校所有公共教室的設備實現運程集控，本文是在此平臺的基礎上進行開發(fā)，程序代碼是用JAVA語言編寫。

3.1 自動運行參數的設定

（1）新風的設定。根據《室內空氣質量標準GB／T 18883－2002》，二氧化碳濃度0.10%，即1 000×10－6。因此把新風設備的臨界閾值設定為1 000，當CO2濃度高于1 000時，新風啟動，直到CO2濃度袋子低于800時新風關閉（見圖3）。

圖3 新風控制設置

（2）燈光的設定。根據《建筑照明設計標準》（B 50034—2004），教室內日光燈的平均照度從要達到300 lx，同時黑板的照度要達到500 lx，因此把燈光的臨界閾值設定為300 lx。當照度《300 lx，燈光開啟；當照度》500 lx，燈光關閉（見圖4）。

圖4 燈光控制設置

（3）空調的設定。（國辦發(fā)〔2007〕42號）文件規(guī)定：所有公共建筑內的單位，夏季室內空調溫度設置不得低于26℃，冬季室內空調溫度設置不得高于20℃。因此空調的自動開啟的條件為：

夏季高溫月份（可設定6～8月），室內溫度高于30℃自動啟動，空調制冷溫度設置為26℃；

冬季低溫月份（可設定12～2月），室內溫度低于10℃自動啟動，空調制熱溫度為20℃（見圖5）。

圖5 空調控制設置

（4）人數的設定。這個主要針對自修教室的管理，如果教室內學生人數過少，也應關閉教室設備，促使學生自然流動到其他自修教室里，從而到達提高自修教室使用率的目的。因此我們可以根據教室的座位數，設定當教室內的人數小于座位數的10%時，關閉教室設備（見圖6）。

圖6 人數設定

3.2 自動運行程序代碼

以下附實現自動運行策略的主要程序代碼（空調

部分）：

public void queryAirCtrollerAutoRoom（）｛

……略

／／傳感器當前溫度

SensorVO sensor＝sensorMapper.queryCurrentSensorThBy-Class（search）；

if（null＝＝sensor）｛continue；｝

／／根據設定的條件運行空調

Double currentH＝Double.parseDouble（sensor.getTempture

（））； search.put（＂currentTempture＂，sensor.getTempture（））；

if（model.equals（Constants.AIR＿MODEL＿COLD＿CODE）＆＆currentH＜Integer.parseInt（timeParamConfig.getThresholdMin（）））

｛continue；

｝else if（model.equals（Constants.AIR＿MODEL＿HOT＿CODE）＆＆currentH＞Integer.parseInt（timeParamConfig.getThresholdMax（）））

｛continue；｝

……略

／／獲取自習教室人數，小于設置百分比關閉空調

Map＜String，Object＞attrMap＝new HashMap＜＞（）；attrMap.put（＂roomClassCount＂，＂roomClassCount＂）；

attrMap.put（＂id＂，teachBuilding.getId（））；

／／獲取配置屬性人員比例信息

RoomControllAutoVOcontrollAutoVO＝queryConfigList（attr-Map）；

if（null?。絚ontrollAutoVO）｛

Map＜String，Object＞airMap＝new HashMap＜＞（）；

／／獲取教室信息

List＜AirConditionerTimerVO＞airConditionerTimerVOList＝roomControllAutoConfigMapper.queryChildsByCode（teachBuilding.getId（））；

／／獲取教室人數，監(jiān)控人數

List＜RoomAttrValueVO＞list＝roomTypeConfigService.findRoomClassCount（）； list.stream（）.forEach（vo-＞ ｛ AirConditionerTimerVOairConditionerTimerVO＝new AirCondi-tionerTimerVO（）；

Boolean isCheck＝airConditionerTimerVOList.stream（）.anyMatch（co-＞co.getRoomId（）.equals（vo.getRoomId（）））；

if（isCheck）｛airMap.put（＂id＂，vo.getRoomId（））；

SensorVOsensorVO＝airConditionerMapper.queryCurrent-SensorAirByClass（airMap）；

／／教室實際人數

BigDecimalactualNum＝new BigDecimal（vo.getActualStu-Num（））；

／／教室座位數

BigDecimalroomNum＝new BigDecimal（vo.getRoomClass-Count（））；

／／空調開啟比例

BigDecimalautoNum＝new BigDecimal（controllAutoVO.getValue（））；

／／教室實際人數除以座位數乘以100獲取當前比例 BigDecimal num＝actualNum.divide（roomNum，2，BigDecimal.ROUND＿HALF＿UP）.multiply（new BigDecimal（100））；

if（num.compareTo（autoNum）＞0）

airConditionerTimerVO.setRoomId（vo.getRoomId（））；

airConditionerTimerList.add（airConditionerTimerVO）；｝

……略

｝

4 結 語

根據原有智慧教室所具有的硬件和技術基礎上，設計并開發(fā)了一個智慧教室環(huán)境設施自動運行管理策略，目前已在學校的公共教學樓（東中院）中運用。初步解決的教室空調、燈光空開浪費的問題，在節(jié)約能源和節(jié)省人力管理方面，起到了較好的效果。但在應用過程中，也遇到一些問題，如環(huán)境參數不準確造成設備誤運行，不能滿足某些教室有特定需求使用等情況，因此自動運行管理策略仍然在不斷優(yōu)化中，特別是針對自修教室的管理，需要考慮到學生的因素，因此在自動運行的策略下，仍需要采取一些人工管理相輔助，在節(jié)能管理和學生滿意度之間取得平衡。