基于物联网与智慧教室的案例设计与实现

林大华 吴信波 李化

【摘 要】本文通过“教室采光照明卫生标准达标了吗”这一物联网数据采集分析案例，让学生进一步加深理解物联网的“感知—采集—传输—反馈—控制”功能认知，培养其信息科技学科核心素养。

【关键词】物联网；近视防控；光照检测

【中图分类号】G434   【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2023）07-078-02

国家卫健委数据显示，近几年近视的儿童青少年人数超过了半数，且低龄化趋势越来越明显，青少年近视防控的形势非常严峻。《综合防控儿童青少年近视实施方案》指出，学校要做出的行动就有“改善视觉环境”，要求落实教室、宿舍、图书馆（阅览室）等采光和照明规定，使用利于视力健康的照明设备，学校教室照明卫生标准达标率100％。进而可以考虑使用物联网技术来监测和控制教室的照明系统。

前导知识

物联网的基本含义是“万物互联”，即在互联网的基础上拓展到人与物、物与物的互联。本案例的实施基础是学生已经掌握了物联网的基本概念及特征，了解了物联网的体系结构，体验过类似“智能家居”“智能交通”等物联网应用，对物联网的“感知—采集—传输—反馈—控制”功能有初步认知。

问题的提出

针对居高不下的“近视率”，教室的照明卫生标准务必达标，现行的国家标准为《中小学校普通教室照明设计安装卫生要求（标准号：GB/T 36876-2018）》，对“教室桌面、黑板面照度卫生”提出了如下要求：教室桌面维持平均照度不低于300 lx，照度均匀度不低于0.7；黑板面维持平均照度不低于500 lx，照度均匀度不低于0.8；教室照明测量方法按《照明测量方法（GB/T 5700）》执行。

“我们的教室照度达到国家标准了吗？”相信会有不少学生有这个疑问。乐動掌控这一国产开源硬件主控就集成了光线传感器，可以对光照度进行测量。

技术方案

光照不足会增加学生的用眼负担，眼睛的调节肌肉长期处于紧张状态，进而导致近视率升高。具体而言，国产自主可控开源硬件乐动掌控搭配光线传感器可实时感知室内光照强度变化，并将光照强度数据上传至物联网平台，进行分析、判断后通过联动智能调光电源控制LED灯光；通过编写程序实现光照联动和情景模式，如上课模式、下课模式、恒照度模式等。因此，物联网技术可以在教室照明采光方面发挥积极作用，从而有利于近视防控。

乐动掌控有6个扩展I/O：P0/P1/P13/P14/P15/P16，在mPython编程环境下外接的光线传感器属于模拟传感器，仅有P0/P1扩展I/O可用。

按照国标《照明测量方法（GB/T 5700）》要求，教室课桌面照度按中心布点法，布置测量点，应满足下列要求：教室课桌面照度的测量区域以距离黑板向后2.20m、距离后墙向前1.10m以及左右墙面组成的矩形区域为测量区域；以距离黑板向后2.20m为基准横线向后每间距2m划一条直线，直到不足2m为止；竖线以左墙面为基准竖线向右每间隔2m画一条线，直到不足2m为止。划出的2m×2m的正方形网格以及不足2m×2m的矩形区域为测量网格，网格中心位置为测量点。例如，以一间普通教室为例，教室长9m，宽6m，黑板宽4m，高1m，应取地面0.75m高的水平面为测量工作面，也可根据实际情况选定其他工作面[1]。要实现9个点位的光照测量就要使用3套设备，需要搭建一个基于MQTT的物联网平台进行光照数据的收集；而1956开发板正好适合作为一个MQTT物联协议的IOT平台；再将一个乐动掌控用作控制端，接入人体感应PIR、继电器、智能调光电源等，用于灯光控制。

项目的开展

进行该项目实验，可以由学生进行分组讨论并确定项目目标和要求。

（1）查阅资料文档，了解项目需求。师生通过搜索、收集《综合防控儿童青少年近视实施方案》《中小学校普通教室照明设计安装卫生要求（标准号：GB/T 36876-2018）》《照明测量方法（GB/T 5700）》，并研判分析项目需求和基本的技术方案。

（2）根据《综合防控儿童青少年近视实施方案》可知，学校要做出的行动为“改善视觉环境”，再根据两个国标进行9个点位的布置，进行光照强度测定并上传至MQTT中介服务器1956开发板。

（3）控制组的乐动掌控根据1956开发板数据进行平均照度及照度均匀度计算，板载RGB灯显示当前照度状态。

（4）确定项目目标。控制组的乐动掌控根据当前室内照度状态，联动灯光控制组件控制LED灯光开启或调节照度。灯具的启闭可以直接使用继电器控制，要实现灯光调节可考虑通过控制灯具组的启闭实现；可以通过时间表设定上课、课间、课后（接入人体感应PIR作为判断）等预设灯光场景；能够通过手机或其他设备远程控制教室灯光，主要是控制灯具的关闭。

（5）设计电路及程序。学生需要通过设计电路和编写程序来实现控制教室灯光的功能。教师为学生提供相关的理论知识和技术指导，如电路图的绘制、嵌入式编程、通信协议的选用等。

（6）测试和评估。在测试阶段，教师引导学生进行系统测试，记录每个测试结果。在评估阶段，教师根据设定的目标和要求评估学生的项目成果，并给出改进意见。

（7）最后，师生一起总结实验过程中的经验和教训，反思实验过程中出现的问题和解决方法，为后续的物联网项目实验提供参考。

总结与反思

本案例主要采用了物联网技术对教室光照度进行测定，通过分析课桌面平均照度及照度均匀度是否符合国家标准来进行一定控制。但由于调光电路复杂的局限性，无法做到功能强大且完善的调光控制，只能通过分布灯具组以及灯具组启闭的多少做一定的调节。为更贴合实际应用场景，本文主要通过时间表设定上课和课间时间，通过接入人体感应PIR作为课后判断，通过手机或其他终端远程关闭教室灯光等。一间教室的照明设计、安装、卫生要求除了本案例的平均照度、照度均匀度外，还要涉及统一炫光值（UGR）、光源色温、照明功率密度等指标，常用传感器无法满足该数据采集。

本教学案例更多倾向于使用物联网技术对教室课桌面、黑板面照度卫生进行测定，平均照度、照度均匀度的测定，是按照中心布点法布置测量点，可以说是使用物联网配合传感器进行数据采集的典型案例，同时也是在信息科技学科中开展项目式学习的典型案例。

在案例实践过程中，只列举了课桌面的案例，对于黑板面照度的卫生测定，教师可引导学生去自主设计、自主探索、自主分析，从而培养学生自主探究的意识。面对研究中出现的问题，教师需引领学生通过小组分工、团结协作等形式，加强学生团队协作意识。在解决问题过程中，教师需引导学生加深对问题的理解，选择合适的信息技术工具，运用信息化思维优化作品，通过学校智能化、便捷化的教学体验带来更多思考，从而不断提升学生的数字化学习与创新能力，同时也体现了以教师为主导、学生为主体的教学理念，贴合新课程标准要求。

庞竞彬，陈雨露，刘玉裕，吴颖琳，陈锦怡，刘小兵. 基于物联网技术的物理开放实验设计及教学实践初探[J]. 广西物理，2019，40（1）： 28-36.