基于边云协同的智能吸尘式黑板擦设计分析与应用探讨

方世纪

（上海师范大学，上海 200000）

1 基于边云协同的智能吸尘式黑板擦设计分析

1.1 设计原理

1.1.1 边云协同

边云协同指的是实现边缘计算[1]和云计算[2]的协同联动，共同释放数据价值。目前，边云协同的发展仍处于初期阶段，其发展方向主要有于九大应用场景。但是，该技术并没有应用于教学设备领域，通过边缘计算在云端提供更接近数据源的计算来减少处理中的延迟，并与云端计算相结合实现边云协同，从而创造出安全，便捷，高效的智能吸尘式黑板擦。通过边缘计算在云端提供更接近数据源的计算来减少处理中的延迟，并与云端计算相结合实现边云协同，这是本文研究的一个出发点。

1.1.2 推荐系统

推荐系统是一种改善缺失值的处理方法。作为智能吸尘式黑板擦的重要组成部分，推荐系统在其中发挥着重要的作用。设计与开发用于接收用户反馈的APP，利用推荐系统技术弥补未参加评价用户的数据缺失，再根据反馈信息进行后续对黑板擦映射关系的修正，使智能黑板擦性能的优化升级更加合理化。

1.2 设计方案

调查发现，尽管近十年来在新型黑板擦的设计和优化方面有了一定进步，但仍存在两个重要方面有待改善。一是改动工程较大。例如全自动黑板擦[3]需给黑板边缘装上滑轮和电机，成本较高且不易普及。二是耗电过多。单纯的吸尘器式黑板擦[4]耗电快，且运行不稳定，吸尘收效甚微。

对此，本文提出了以下设计方案：一方面，为智能吸尘式黑板擦安装速度传感器，利用边缘计算得出在智能黑板擦启动后的某一时间段内用户的相对速度，并以此为基准判断用户实时相对速度的快慢。利用无线模块将传感器接收的数据传送至云端，通过云平台处理数据，在擦拭速度—吸尘速度映射关系建立成功的基础上，建立合适的数学模型，精确得出与擦拭速度匹配的吸尘速率，使单片机输出不同占空比的PWM波，改变平均电压以控制电机转速，达到擦拭速度和节能省电的最优平衡，实现智能节电的效果。

另一方面，在已有的吸尘式黑板擦结构基础上，选择合适的机械结构和吸尘装置，保证吸尘式黑板擦运行时的稳定。同时设计与开发用于接收用户反馈的APP，利用推荐系统技术弥补未参加评价用户的数据缺失，再根据反馈信息进行后续对黑板擦映射关系的修正。

1.2.1 总体结构设计

总体结构设计如图1、图2所示：1-擦体，2-吸尘口，3-集灰罩，4-速度传感器，5-开关，6-电源，7-单片机，8-无线模块，9-气流管，10-隔板，11-排气孔，12-排气口，13-过滤板，14-吸尘孔，15-泡沫材料，16-集尘箱，17-集尘杯，18-微型吸尘器，19-吸气孔，20-磁铁条。

基于边云协同的智能吸尘式黑板擦主要由黑板擦，边云协同装置，集尘箱三大构件组成。

1.2.2 黑板擦设计

黑板擦由开关（5），电源（6），擦体（1），吸尘口（2），气流管（9），排气口（12），磁铁条（20）组成。

智能黑板擦不工作时，可通过顶部贴有的磁铁条20吸附于黑板。

智能黑板擦工作时，打开开关（5），通过擦体（1）擦下粉尘，粉尘通过与擦体（1）交替相邻的吸尘口（2）进入集灰罩（3），扩大吸尘面积。

1.2.3 集尘箱设计

集尘箱（16）由微型吸尘器（18），集灰罩（3），集尘杯（17），排气孔（11），过滤板（13）组成

在擦体（1）擦下粉尘的同时，微型吸尘器（18）会启动带走粉尘，粉尘依次通过集灰罩（3）、气流管（9）、吸气孔（19），而后沉降到集尘杯（17）。集尘箱底部的排气孔（11）与黑板擦外部排气口（12）相连，便于排气。为了保证分离粉尘，集尘箱下部安装有过滤板（13），气体由排气孔（11）排出，经过过滤板（13）过滤粉尘，最后从排气口（12）排出。吸尘完成后，可通过打开吸尘孔（14）倒出粉尘，方便环保。

图1 总体结构设计

图2 总体结构设计

1.2.4 边云协同装置设计

边云协同装置由速度传感器（4），单片机（7），无线模块（8），云平台组成。

边云协同装置工作如图3所示。速度传感器（4）可以采集到用户的擦拭速度并输出模拟电压信号。通过仪表放大器与相关硬件电路将传感器信号放大与调理，以适合A/D转换器的输入范围，能够把模拟量转化为数字量。在边缘节点上进一步计算出相对速度，并利用无线模块将数据传送至云平台。凭借云平台上的数据处理，在擦拭速度—吸尘速度映射表关系的基础上，精确计算出与擦拭速度相匹配的吸尘速度，并下传边缘节点处。经过计算与设置，使节点输出不同占空比的PWM波，以此控制微型吸尘机（18）的转速，以达到节能省电的效果。

1.2.5 细节设计

电源（6）为可充电式电源；擦体（1）与吸尘口（2）交替相邻排列，擦拭效率高；吸尘口（2）分为两个部分，擦体（1）处吸尘口（2）用于吸附黑板上灰尘，边侧处吸尘口（2）用于吸附空气中浮灰；集灰罩（3）附着于吸尘口（2）上方，便于粉尘的初步收集；擦体（1）为可压缩的海绵体，擦拭效率高；擦体（1）和吸尘体的连接方式为套接式，可之间将擦体（1）套入到吸尘体上，便于清洁、更换；过滤板（13）为桶式自旋转滤网过滤器，电源（6）接通后可自动旋转并储存尘埃于集尘箱（16）内，过滤彻底；吸尘孔（14）和集尘箱（16）可拆卸；智能吸尘式黑板擦内部填充有泡沫材料，降低黑板擦运行过程中的震动程度；智能吸尘式黑板擦外侧部贴有磁铁条（20），便于悬挂，外壁用隔音材料制成，降低黑板擦运行过程中的噪音程度。

图3 边云协同装置

2 基于边云协同的智能吸尘式黑板擦应用探讨

在应用过程中，基于边云协同的智能吸尘式黑板擦既解决了板书时粉笔扬尘的问题，又在对黑板擦改动程度较小的情况下达到了擦拭速度与智能节电的最优平衡；配套APP及时接收用户反馈，再利用推荐系统技术弥补未参加评价用户数据的缺失，使智能黑板擦性能的优化升级更加合理化，极大地提高了智能黑板擦擦拭效率，对实际教学过程具有深远意义。

据统计，中国教师大约有1 539万人。我国教师每年因上课被迫吸入的粉笔灰大约为200克/人，每年死于肺部疾病、癌症患者的比例约为20%。随着教育事业的不断发展，智能吸尘式黑板擦在教育行业有很好的发展前景。有数据初步统计，对于智能吸尘式黑板擦的市场需求，学校市场潜在销量超1 000万，再加上家庭和办公等场所的需求，市场潜力巨大。