基于物聯(lián)網(wǎng)與智慧教室的案例設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

林大華 吳信波 李化

【摘 要】本文通過“教室采光照明衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)了嗎”這一物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集分析案例，讓學(xué)生進(jìn)一步加深理解物聯(lián)網(wǎng)的“感知—采集—傳輸—反饋—控制”功能認(rèn)知，培養(yǎng)其信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)；近視防控；光照檢測

【中圖分類號】G434 ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2023）07-078-02

國家衛(wèi)健委數(shù)據(jù)顯示，近幾年近視的兒童青少年人數(shù)超過了半數(shù)，且低齡化趨勢越來越明顯，青少年近視防控的形勢非常嚴(yán)峻?！毒C合防控兒童青少年近視實(shí)施方案》指出，學(xué)校要做出的行動就有“改善視覺環(huán)境”，要求落實(shí)教室、宿舍、圖書館（閱覽室）等采光和照明規(guī)定，使用利于視力健康的照明設(shè)備，學(xué)校教室照明衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)達(dá)標(biāo)率100％。進(jìn)而可以考慮使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來監(jiān)測和控制教室的照明系統(tǒng)。

前導(dǎo)知識

物聯(lián)網(wǎng)的基本含義是“萬物互聯(lián)”，即在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上拓展到人與物、物與物的互聯(lián)。本案例的實(shí)施基礎(chǔ)是學(xué)生已經(jīng)掌握了物聯(lián)網(wǎng)的基本概念及特征，了解了物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，體驗(yàn)過類似“智能家居”“智能交通”等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，對物聯(lián)網(wǎng)的“感知—采集—傳輸—反饋—控制”功能有初步認(rèn)知。

問題的提出

針對居高不下的“近視率”，教室的照明衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)務(wù)必達(dá)標(biāo)，現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)為《中小學(xué)校普通教室照明設(shè)計(jì)安裝衛(wèi)生要求（標(biāo)準(zhǔn)號：GB/T 36876-2018）》，對“教室桌面、黑板面照度衛(wèi)生”提出了如下要求：教室桌面維持平均照度不低于300 lx，照度均勻度不低于0.7；黑板面維持平均照度不低于500 lx，照度均勻度不低于0.8；教室照明測量方法按《照明測量方法（GB/T 5700）》執(zhí)行。

“我們的教室照度達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)了嗎？”相信會有不少學(xué)生有這個疑問。樂動掌控這一國產(chǎn)開源硬件主控就集成了光線傳感器，可以對光照度進(jìn)行測量。

技術(shù)方案

光照不足會增加學(xué)生的用眼負(fù)擔(dān)，眼睛的調(diào)節(jié)肌肉長期處于緊張狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致近視率升高。具體而言，國產(chǎn)自主可控開源硬件樂動掌控搭配光線傳感器可實(shí)時感知室內(nèi)光照強(qiáng)度變化，并將光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)平臺，進(jìn)行分析、判斷后通過聯(lián)動智能調(diào)光電源控制LED燈光；通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)光照聯(lián)動和情景模式，如上課模式、下課模式、恒照度模式等。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以在教室照明采光方面發(fā)揮積極作用，從而有利于近視防控。

樂動掌控有6個擴(kuò)展I/O：P0/P1/P13/P14/P15/P16，在mPython編程環(huán)境下外接的光線傳感器屬于模擬傳感器，僅有P0/P1擴(kuò)展I/O可用。

按照國標(biāo)《照明測量方法（GB/T 5700）》要求，教室課桌面照度按中心布點(diǎn)法，布置測量點(diǎn)，應(yīng)滿足下列要求：教室課桌面照度的測量區(qū)域以距離黑板向后2.20m、距離后墻向前1.10m以及左右墻面組成的矩形區(qū)域?yàn)闇y量區(qū)域；以距離黑板向后2.20m為基準(zhǔn)橫線向后每間距2m劃一條直線，直到不足2m為止；豎線以左墻面為基準(zhǔn)豎線向右每間隔2m畫一條線，直到不足2m為止。劃出的2m×2m的正方形網(wǎng)格以及不足2m×2m的矩形區(qū)域?yàn)闇y量網(wǎng)格，網(wǎng)格中心位置為測量點(diǎn)。例如，以一間普通教室為例，教室長9m，寬6m，黑板寬4m，高1m，應(yīng)取地面0.75m高的水平面為測量工作面，也可根據(jù)實(shí)際情況選定其他工作面[1]。要實(shí)現(xiàn)9個點(diǎn)位的光照測量就要使用3套設(shè)備，需要搭建一個基于MQTT的物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行光照數(shù)據(jù)的收集；而1956開發(fā)板正好適合作為一個MQTT物聯(lián)協(xié)議的IOT平臺；再將一個樂動掌控用作控制端，接入人體感應(yīng)PIR、繼電器、智能調(diào)光電源等，用于燈光控制。

項(xiàng)目的開展

進(jìn)行該項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)，可以由學(xué)生進(jìn)行分組討論并確定項(xiàng)目目標(biāo)和要求。

（1）查閱資料文檔，了解項(xiàng)目需求。師生通過搜索、收集《綜合防控兒童青少年近視實(shí)施方案》《中小學(xué)校普通教室照明設(shè)計(jì)安裝衛(wèi)生要求（標(biāo)準(zhǔn)號：GB/T 36876-2018）》《照明測量方法（GB/T 5700）》，并研判分析項(xiàng)目需求和基本的技術(shù)方案。

（2）根據(jù)《綜合防控兒童青少年近視實(shí)施方案》可知，學(xué)校要做出的行動為“改善視覺環(huán)境”，再根據(jù)兩個國標(biāo)進(jìn)行9個點(diǎn)位的布置，進(jìn)行光照強(qiáng)度測定并上傳至MQTT中介服務(wù)器1956開發(fā)板。

（3）控制組的樂動掌控根據(jù)1956開發(fā)板數(shù)據(jù)進(jìn)行平均照度及照度均勻度計(jì)算，板載RGB燈顯示當(dāng)前照度狀態(tài)。

（4）確定項(xiàng)目目標(biāo)?？刂平M的樂動掌控根據(jù)當(dāng)前室內(nèi)照度狀態(tài)，聯(lián)動燈光控制組件控制LED燈光開啟或調(diào)節(jié)照度。燈具的啟閉可以直接使用繼電器控制，要實(shí)現(xiàn)燈光調(diào)節(jié)可考慮通過控制燈具組的啟閉實(shí)現(xiàn)；可以通過時間表設(shè)定上課、課間、課后（接入人體感應(yīng)PIR作為判斷）等預(yù)設(shè)燈光場景；能夠通過手機(jī)或其他設(shè)備遠(yuǎn)程控制教室燈光，主要是控制燈具的關(guān)閉。

（5）設(shè)計(jì)電路及程序。學(xué)生需要通過設(shè)計(jì)電路和編寫程序來實(shí)現(xiàn)控制教室燈光的功能。教師為學(xué)生提供相關(guān)的理論知識和技術(shù)指導(dǎo)，如電路圖的繪制、嵌入式編程、通信協(xié)議的選用等。

（6）測試和評估。在測試階段，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)測試，記錄每個測試結(jié)果。在評估階段，教師根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)和要求評估學(xué)生的項(xiàng)目成果，并給出改進(jìn)意見。

（7）最后，師生一起總結(jié)實(shí)驗(yàn)過程中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，反思實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題和解決方法，為后續(xù)的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)提供參考。

總結(jié)與反思

本案例主要采用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對教室光照度進(jìn)行測定，通過分析課桌面平均照度及照度均勻度是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行一定控制。但由于調(diào)光電路復(fù)雜的局限性，無法做到功能強(qiáng)大且完善的調(diào)光控制，只能通過分布燈具組以及燈具組啟閉的多少做一定的調(diào)節(jié)。為更貼合實(shí)際應(yīng)用場景，本文主要通過時間表設(shè)定上課和課間時間，通過接入人體感應(yīng)PIR作為課后判斷，通過手機(jī)或其他終端遠(yuǎn)程關(guān)閉教室燈光等。一間教室的照明設(shè)計(jì)、安裝、衛(wèi)生要求除了本案例的平均照度、照度均勻度外，還要涉及統(tǒng)一炫光值（UGR）、光源色溫、照明功率密度等指標(biāo)，常用傳感器無法滿足該數(shù)據(jù)采集。

本教學(xué)案例更多傾向于使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對教室課桌面、黑板面照度衛(wèi)生進(jìn)行測定，平均照度、照度均勻度的測定，是按照中心布點(diǎn)法布置測量點(diǎn)，可以說是使用物聯(lián)網(wǎng)配合傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的典型案例，同時也是在信息科技學(xué)科中開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的典型案例。

在案例實(shí)踐過程中，只列舉了課桌面的案例，對于黑板面照度的衛(wèi)生測定，教師可引導(dǎo)學(xué)生去自主設(shè)計(jì)、自主探索、自主分析，從而培養(yǎng)學(xué)生自主探究的意識。面對研究中出現(xiàn)的問題，教師需引領(lǐng)學(xué)生通過小組分工、團(tuán)結(jié)協(xié)作等形式，加強(qiáng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識。在解決問題過程中，教師需引導(dǎo)學(xué)生加深對問題的理解，選擇合適的信息技術(shù)工具，運(yùn)用信息化思維優(yōu)化作品，通過學(xué)校智能化、便捷化的教學(xué)體驗(yàn)帶來更多思考，從而不斷提升學(xué)生的數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力，同時也體現(xiàn)了以教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體的教學(xué)理念，貼合新課程標(biāo)準(zhǔn)要求。

龐競彬，陳雨露，劉玉裕，吳穎琳，陳錦怡，劉小兵. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物理開放實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及教學(xué)實(shí)踐初探[J]. 廣西物理，2019，40（1）： 28-36.