基于物聯網與智慧教室的案例設計與實現

林大華 吳信波 李化

【摘 要】本文通過“教室采光照明衛生標準達標了嗎”這一物聯網數據采集分析案例，讓學生進一步加深理解物聯網的“感知—采集—傳輸—反饋—控制”功能認知，培養其信息科技學科核心素養。

【關鍵詞】物聯網；近視防控；光照檢測

【中圖分類號】G434 ? 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2023）07-078-02

國家衛健委數據顯示，近幾年近視的兒童青少年人數超過了半數，且低齡化趨勢越來越明顯，青少年近視防控的形勢非常嚴峻。《綜合防控兒童青少年近視實施方案》指出，學校要做出的行動就有“改善視覺環境”，要求落實教室、宿舍、圖書館（閱覽室）等采光和照明規定，使用利于視力健康的照明設備，學校教室照明衛生標準達標率100％。進而可以考慮使用物聯網技術來監測和控制教室的照明系統。

前導知識

物聯網的基本含義是“萬物互聯”，即在互聯網的基礎上拓展到人與物、物與物的互聯。本案例的實施基礎是學生已經掌握了物聯網的基本概念及特征，了解了物聯網的體系結構，體驗過類似“智能家居”“智能交通”等物聯網應用，對物聯網的“感知—采集—傳輸—反饋—控制”功能有初步認知。

問題的提出

針對居高不下的“近視率”，教室的照明衛生標準務必達標，現行的國家標準為《中小學校普通教室照明設計安裝衛生要求（標準號：GB/T 36876-2018）》，對“教室桌面、黑板面照度衛生”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）》執行。

“我們的教室照度達到國家標準了嗎？”相信會有不少學生有這個疑問。樂動掌控這一國產開源硬件主控就集成了光線傳感器，可以對光照度進行測量。

技術方案

光照不足會增加學生的用眼負擔，眼睛的調節肌肉長期處于緊張狀態，進而導致近視率升高。具體而言，國產自主可控開源硬件樂動掌控搭配光線傳感器可實時感知室內光照強度變化，并將光照強度數據上傳至物聯網平臺，進行分析、判斷后通過聯動智能調光電源控制LED燈光；通過編寫程序實現光照聯動和情景模式，如上課模式、下課模式、恒照度模式等。因此，物聯網技術可以在教室照明采光方面發揮積極作用，從而有利于近視防控。

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

按照國標《照明測量方法（GB/T 5700）》要求，教室課桌面照度按中心布點法，布置測量點，應滿足下列要求：教室課桌面照度的測量區域以距離黑板向后2.20m、距離后墻向前1.10m以及左右墻面組成的矩形區域為測量區域；以距離黑板向后2.20m為基準橫線向后每間距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的正方形網格以及不足2m×2m的矩形區域為測量網格，網格中心位置為測量點。例如，以一間普通教室為例，教室長9m，寬6m，黑板寬4m，高1m，應取地面0.75m高的水平面為測量工作面，也可根據實際情況選定其他工作面[1]。要實現9個點位的光照測量就要使用3套設備，需要搭建一個基于MQTT的物聯網平臺進行光照數據的收集；而1956開發板正好適合作為一個MQTT物聯協議的IOT平臺；再將一個樂動掌控用作控制端，接入人體感應PIR、繼電器、智能調光電源等，用于燈光控制。

項目的開展

進行該項目實驗，可以由學生進行分組討論并確定項目目標和要求。

（1）查閱資料文檔，了解項目需求。師生通過搜索、收集《綜合防控兒童青少年近視實施方案》《中小學校普通教室照明設計安裝衛生要求（標準號：GB/T 36876-2018）》《照明測量方法（GB/T 5700）》，并研判分析項目需求和基本的技術方案。

（2）根據《綜合防控兒童青少年近視實施方案》可知，學校要做出的行動為“改善視覺環境”，再根據兩個國標進行9個點位的布置，進行光照強度測定并上傳至MQTT中介服務器1956開發板。

（3）控制組的樂動掌控根據1956開發板數據進行平均照度及照度均勻度計算，板載RGB燈顯示當前照度狀態。

（4）確定項目目標。控制組的樂動掌控根據當前室內照度狀態，聯動燈光控制組件控制LED燈光開啟或調節照度。燈具的啟閉可以直接使用繼電器控制，要實現燈光調節可考慮通過控制燈具組的啟閉實現；可以通過時間表設定上課、課間、課后（接入人體感應PIR作為判斷）等預設燈光場景；能夠通過手機或其他設備遠程控制教室燈光，主要是控制燈具的關閉。

（5）設計電路及程序。學生需要通過設計電路和編寫程序來實現控制教室燈光的功能。教師為學生提供相關的理論知識和技術指導，如電路圖的繪制、嵌入式編程、通信協議的選用等。

（6）測試和評估。在測試階段，教師引導學生進行系統測試，記錄每個測試結果。在評估階段，教師根據設定的目標和要求評估學生的項目成果，并給出改進意見。

（7）最后，師生一起總結實驗過程中的經驗和教訓，反思實驗過程中出現的問題和解決方法，為后續的物聯網項目實驗提供參考。

總結與反思

本案例主要采用了物聯網技術對教室光照度進行測定，通過分析課桌面平均照度及照度均勻度是否符合國家標準來進行一定控制。但由于調光電路復雜的局限性，無法做到功能強大且完善的調光控制，只能通過分布燈具組以及燈具組啟閉的多少做一定的調節。為更貼合實際應用場景，本文主要通過時間表設定上課和課間時間，通過接入人體感應PIR作為課后判斷，通過手機或其他終端遠程關閉教室燈光等。一間教室的照明設計、安裝、衛生要求除了本案例的平均照度、照度均勻度外，還要涉及統一炫光值（UGR）、光源色溫、照明功率密度等指標，常用傳感器無法滿足該數據采集。

本教學案例更多傾向于使用物聯網技術對教室課桌面、黑板面照度衛生進行測定，平均照度、照度均勻度的測定，是按照中心布點法布置測量點，可以說是使用物聯網配合傳感器進行數據采集的典型案例，同時也是在信息科技學科中開展項目式學習的典型案例。

在案例實踐過程中，只列舉了課桌面的案例，對于黑板面照度的衛生測定，教師可引導學生去自主設計、自主探索、自主分析，從而培養學生自主探究的意識。面對研究中出現的問題，教師需引領學生通過小組分工、團結協作等形式，加強學生團隊協作意識。在解決問題過程中，教師需引導學生加深對問題的理解，選擇合適的信息技術工具，運用信息化思維優化作品，通過學校智能化、便捷化的教學體驗帶來更多思考，從而不斷提升學生的數字化學習與創新能力，同時也體現了以教師為主導、學生為主體的教學理念，貼合新課程標準要求。

龐競彬，陳雨露，劉玉裕，吳穎琳，陳錦怡，劉小兵. 基于物聯網技術的物理開放實驗設計及教學實踐初探[J]. 廣西物理，2019，40（1）： 28-36.