智慧教室控制系統設計與研究

馬夢迪 于麗娜

摘要：隨著經濟社會和科學技術的日新月異，老師知識的傳授方式和教學觀念以及學生學習的方式都發(fā)生了巨大的變化。傳統的多媒體控制器等設備在使用和管理方面智慧化程度不高，各種弊端日益明顯，已經無法滿足教師線上線下混合式教學的需求，學生完成學習任務的需求以及現代化和智能化教育的發(fā)展。智慧教室是借助物聯網技術，無線通信技術、單片機技術等高科技技術構建起來的新型教室。本論文結合國內外智慧教室控制系統的發(fā)展與應用，采用比較分析法等方法對當下傳統教室功能單一、管理困難等弊端進行分析，利用傳感器技術、無線通信技術等技術設計出一款自動化、智能化、集中控制的智慧教室控制系統。

關鍵詞：智慧教室WiFi傳感器單片機

1???? 引言

2018年 6月，教育部部長陳寶生在《新時代全國高等學校本科教育工作會議》上的講話重點強調“以本為本”、“四個回歸”0，提出要大力推進教學改革，從固有的呆板的課堂教學向啟發(fā)性教學進行轉變，要求廣大教師樹立終身學習的觀念，提高自身素質和育人水平，開展形式多樣的教學，探究創(chuàng)新符合現代教育的新型教學模式，提高學生學習的積極性和主動性。從而讓教師寓教于樂，讓學生寓學于樂。

1.1? 國內外發(fā)展現狀研究

在當今智能化、現代化教育的時代大背景下，重新建設新的現代化教室、改善學習環(huán)境、整合教育教學資源是未來發(fā)展的潮流。

目前，智慧教室在我國仍處于初級發(fā)展的階段[2]。我國的智慧教室研究偏向于理論和學習模式的探索，擁有一定的理論基礎但是缺乏實踐的經驗。在我國，眾多專家學者由于分析問題的角度，以及個人的主觀能動性不同，導致觀點也略有差異。其共識是加大對智慧教室創(chuàng)新研究的投入，注重利用國內先進的科技成果，整合教學資源，從而創(chuàng)新出多元化的教學互動模式，不在為了學習而學習，要求求同存異，兼顧全面發(fā)展和個性化教育。由于不同國家科學技術和教育的發(fā)展存在差異，智慧教室的發(fā)展情況也不相同，總的來說，國外智慧教室的發(fā)展早于我國[3]。統計結果表明，國外有關智慧教室的期刊、論文等文獻總量遠高于我國，且每年遞增。由于部分西方發(fā)達國家科技水平高，基礎設施和各種軟硬件設備較為完善，所以已基本上完成了對智慧教室的建設，極大地促進了現代教育的發(fā)展。

2???? 智慧教室控制系統總體設計

2.1? 需求分析

智慧教室是信息化教育發(fā)展的必經之路，怎樣建設智慧教室，建設什么樣的智慧教室，是目前學校管理者應該考慮的實際問題。首先，作為教室中必不可缺少的一部分，我們從教室的門窗、空調、燈光入手，進行設計。其次，我們設計的系統采用的無線網絡通信技術，進行信息的傳輸，簡單方便，快捷高效。最后，通過比較分析法結合各種模塊的優(yōu)缺點，選擇合適的硬件模塊為智慧教室控制系統的設計奠定基礎。

2.2? 技術分析

2.2.1????? Wi-Fi無線通信技術

Wi-Fi是較為流行的一種無線通信技術，無線保真，是由IEEE組織的IEEE802.11標準制定了以太網的技術標準，性能優(yōu)越，覆蓋范圍大、數據傳輸快，工作時處于2.4GHZ頻段。

Wi-Fi的主要優(yōu)勢是在于局域網不需要使用電線，可以降低部署和擴充的成本，組網方式簡單，覆蓋范圍廣，可以不受電線的限制，所以相比較于其他幾種無線通信技術，Wi-Fi技術更適合在教室中使用，數據的傳輸速度很快，安全可靠。

2.2.2????? 傳感器技術

傳感器是一種用于檢測信息的設備，并可以將檢測到的信息，進行統一的編碼或轉變成所需形式輸出，從而對信息進行分析處理。由于傳感器應用的場所和生產的技術工藝不同，因此傳感器的性能也會有很大的差別。根據智慧教室控制系統需要實現的功能進行分析，本設計中用到二氧化碳傳感器、溫濕度傳感器以及光照傳感器。

2.3? 系統總體設計

本智慧教室控制系統使用溫濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、光照傳感器進行收集信息，通過Wi-Fi無線通信技術傳送到單片機進行處理。系統功能框架圖如圖2-1所示。

3???? 智慧教室控制系統硬件設計

3.1? 模塊介紹

本系統主要由控制模塊、執(zhí)行模塊、采集模塊、監(jiān)控錄像模塊四部分組成。由控制模塊控制各模塊之間的聯動操作，實現溫度異常時自動打開空調、二氧化碳濃度過高時自動開窗、亮度較暗時自動開燈以及課上進行視頻錄制。

3.2? 系統的搭建

為了避免接下來線路連接的錯綜復雜，以及因為線路的問題而出現的各種問題，方便理清思路，因此在本系統的硬件設計中，為最大程度減少線路的連接問題，使用Altium Designer9進行硬件電路設計。其次，將步進電機驅動和風扇分別與單片機進行連接。最后連接好電源，由此構成整個系統的執(zhí)行控制模塊。通電測試，檢查通電后，主板和各個傳感器是否連接正常，指示燈是否亮起。

4???? 智慧教室控制系統軟件設計

4.1? 光照模塊設計

當傳感器檢測到教室內的光線較暗，且燈具處于關閉狀態(tài)時，自動開燈，平衡教室內的亮度。當檢測到教室內的光線較亮，自動關燈。

4.2? 溫濕度模塊設計

當溫濕度傳感器檢測到教室內的溫度過高，且空調處于關閉狀態(tài)時，自動打開空調，維持適宜的室內溫度。

4.3? 二氧化碳模塊設計

當傳感器檢測到教室內的二氧化碳濃度過高，且窗戶處于關閉狀態(tài)時，自動打開門窗，降低教室內的二氧化碳濃度。當室內的二氧化碳濃度低于安全范圍時，自動關閉門窗。

5???? 結論

隨著現代科學技術的蓬勃發(fā)展，結合當前線下教室的實際情況，研究設計出該智慧教室控制系統，結合傳感器、單片機、物聯網實驗板、攝像頭以及其他硬件設備，并且通過模擬實驗，基本實現系統所設計的功能。

在本次試驗中由于實驗環(huán)境等外部環(huán)境以及個人知識經驗等內部因素，系統還有很多地方尚需完善。（1）連接win10系統時，該系統不是很穩(wěn)定。（2）智慧教室控制系統需要更加的智能化、更加的人性化功能，在該系統中只是實現了一部分功能，還有一些重要功能沒有實現。在后期，本人會不斷充實自我，積極學習，不斷完善智慧教室的功能。

參考文獻：

[1]?? 劉君.基于物聯網技術的高校智慧教室的設計研究[J].陜西理工大學學報（自然科學版）.2017（05）.

[2]?? 張宇燕，常志華，湯顯峰，李杭彩.智慧教室智能化控制系統設計與實現[J].物聯網技術.2016（08）.

[3]?? 習海旭，廖宏建，黃純國.智慧學習環(huán)境的架構設計與實施策略[J].電化教育研究.2017（04）.

[4]?? 陳敏敏，廉迎戰(zhàn)，黃道燚.基于WiFi物聯網的溫度監(jiān)控系統設計與實現[J].現代電子技術.2017（18）.

[5]?? 劉冠群.基于物聯網技術的智慧教室一體化現代教學模式構建[J].現代職業(yè)教育，2015（10）：15-17.

作者簡介：

馬夢迪，男??? 物聯網工程16-01，山東協和學院學生;

于麗娜，（1987-），女，碩士研究生，山東煙臺，研究方向為數據通信、物聯網應用技術