高校智慧教室環(huán)境設(shè)施自動運行管理策略的設(shè)計與實現(xiàn)

李遠(yuǎn)亮， 戈達(dá)開， 王宜之

（上海交通大學(xué)教育技術(shù)中心，上海 200240）

0 引 言

教室是課堂教學(xué)的載體和場所，教育信息化2.0的推進(jìn)，各種教育新技術(shù)的引入，教室的功能不斷進(jìn)行拓展，從“粉筆＋黑板”到多媒體教室，逐步演化為現(xiàn)在的集多媒體、教學(xué)平臺、監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)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(shè)已初具規(guī)模，由于其具有功能多樣的教學(xué)設(shè)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(shù)量的不斷增加，如何對這些設(shè)施設(shè)備進(jìn)行有效運行、維護(hù)和管理，在保障日常教學(xué)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(yīng)用智慧教室中的物聯(lián)網(wǎng)、AI等信息技術(shù)，設(shè)計一套適合智慧教室環(huán)境設(shè)施自動運行管理策略，以達(dá)到改善教學(xué)環(huán)境的同時，節(jié)約能源，節(jié)省人力，實現(xiàn)提高教學(xué)管理服務(wù)效能與質(zhì)量的目標(biāo)。并結(jié)合我校東中院智慧教室系統(tǒng)，給出實現(xiàn)對教室環(huán)境設(shè)施（燈光、空調(diào)、新風(fēng)等）自動化運行管理的案例。

1 實現(xiàn)智慧教室環(huán)境設(shè)施自動運行和管理的硬件和技術(shù)基礎(chǔ)

（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(wǎng)絡(luò)集控管理平臺，可遠(yuǎn)程控制教室中各種教學(xué)設(shè)施設(shè)備［4］。而且還能對接教務(wù)系統(tǒng)，獲取課表信息，根據(jù)課表安排自動開關(guān)教室設(shè)備。系統(tǒng)構(gòu)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(zhì)量參數(shù)，包括二氧化碳濃度、甲醛等。這些參數(shù)可通過網(wǎng)絡(luò)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(shù)，視訊系統(tǒng)可以根據(jù)人體輪廓判斷座位是否有人，從而實時的統(tǒng)計出教室內(nèi)的人數(shù)。通過API對接，集控管理平臺可以獲取對應(yīng)教室的人數(shù)［9］。

2 教室環(huán)境設(shè)施自動運行策略的設(shè)計

教室環(huán)境設(shè)施，如燈光、空調(diào)、新風(fēng)的開啟，不僅和教室使用安排相關(guān)，還與教室的環(huán)境參數(shù)有密切聯(lián)系。如從節(jié)約能耗的角度，教室內(nèi)亮度足夠，或者教室里沒人的情況則不應(yīng)該開燈；溫度不過高或過低的情況不應(yīng)開啟；二氧化濃度過高時新風(fēng)設(shè)備應(yīng)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(shù)，如溫度、光照度、二氧化碳濃度等［10-11］。而教室里的環(huán)境設(shè)施的開啟和關(guān)閉可以根據(jù)這些參數(shù)來決定。顯然，溫度與空調(diào)相關(guān)，天氣很熱或很冷時應(yīng)當(dāng)開啟空調(diào)；光照度與燈光相關(guān)，照度很低時則應(yīng)開燈，照度很高則應(yīng)關(guān)燈；二氧化碳濃度與新風(fēng)機相關(guān)，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(yīng)及時開啟新風(fēng)，濃度低空氣清新，呼吸順暢，則可關(guān)閉新風(fēng)。

教室環(huán)境設(shè)施自動運行，除了滿足客觀的參數(shù)條件外，還需根據(jù)教室使用情況來決定，當(dāng)教室空閑無人使用時，各種設(shè)備應(yīng)及時關(guān)閉［14］；自修教室則應(yīng)根據(jù)自修的人數(shù)來決定設(shè)備的開關(guān)。當(dāng)各教室內(nèi)自習(xí)人數(shù)普遍過少時可關(guān)閉部分教室的空調(diào)進(jìn)行導(dǎo)流，當(dāng)教室內(nèi)自習(xí)人數(shù)開始增多為避免擁擠可陸續(xù)增開部分教室空調(diào)進(jìn)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(jìn)行選擇，其他不使用的則定義為空閑教室。根據(jù)表1來判斷。

表1 教室環(huán)境信息

根據(jù)不同的的教室情況，設(shè)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(xiàn)

現(xiàn)結(jié)合學(xué)校東中院智慧教室為例，闡述自動控制策略的實現(xiàn)過程。學(xué)校目前已建有了一個多媒體教學(xué)運維系統(tǒng)平臺（基于J2EE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)），可對學(xué)校所有公共教室的設(shè)備實現(xiàn)運程集控，本文是在此平臺的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，程序代碼是用JAVA語言編寫。

3.1 自動運行參數(shù)的設(shè)定

（1）新風(fēng)的設(shè)定。根據(jù)《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB／T 18883－2002》，二氧化碳濃度0.10%，即1 000×10－6。因此把新風(fēng)設(shè)備的臨界閾值設(shè)定為1 000，當(dāng)CO2濃度高于1 000時，新風(fēng)啟動，直到CO2濃度袋子低于800時新風(fēng)關(guān)閉（見圖3）。

圖3 新風(fēng)控制設(shè)置

（2）燈光的設(shè)定。根據(jù)《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（B 50034—2004），教室內(nèi)日光燈的平均照度從要達(dá)到300 lx，同時黑板的照度要達(dá)到500 lx，因此把燈光的臨界閾值設(shè)定為300 lx。當(dāng)照度《300 lx，燈光開啟；當(dāng)照度》500 lx，燈光關(guān)閉（見圖4）。

圖4 燈光控制設(shè)置

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

夏季高溫月份（可設(shè)定6～8月），室內(nèi)溫度高于30℃自動啟動，空調(diào)制冷溫度設(shè)置為26℃；

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

圖5 空調(diào)控制設(shè)置

（4）人數(shù)的設(shè)定。這個主要針對自修教室的管理，如果教室內(nèi)學(xué)生人數(shù)過少，也應(yīng)關(guān)閉教室設(shè)備，促使學(xué)生自然流動到其他自修教室里，從而到達(dá)提高自修教室使用率的目的。因此我們可以根據(jù)教室的座位數(shù)，設(shè)定當(dāng)教室內(nèi)的人數(shù)小于座位數(shù)的10%時，關(guān)閉教室設(shè)備（見圖6）。

圖6 人數(shù)設(shè)定

3.2 自動運行程序代碼

以下附實現(xiàn)自動運行策略的主要程序代碼（空調(diào)

部分）：

public void queryAirCtrollerAutoRoom（）｛

……略

／／傳感器當(dāng)前溫度

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

if（null＝＝sensor）｛continue；｝

／／根據(jù)設(shè)定的條件運行空調(diào)

Double currentH＝Double.parseDouble（sensor.getTempture

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

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

｛continue；

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

｛continue；｝

……略

／／獲取自習(xí)教室人數(shù)，小于設(shè)置百分比關(guān)閉空調(diào)

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！＝controllAutoVO）｛

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(shù)，監(jiān)控人數(shù)

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(shù)

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

／／教室座位數(shù)

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

／／空調(diào)開啟比例

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

／／教室實際人數(shù)除以座位數(shù)乘以100獲取當(dāng)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(jié) 語

根據(jù)原有智慧教室所具有的硬件和技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計并開發(fā)了一個智慧教室環(huán)境設(shè)施自動運行管理策略，目前已在學(xué)校的公共教學(xué)樓（東中院）中運用。初步解決的教室空調(diào)、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(yīng)用過程中，也遇到一些問題，如環(huán)境參數(shù)不準(zhǔn)確造成設(shè)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(xué)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(xué)生滿意度之間取得平衡。