高职院校智慧教室的建设及实践探索

高春雪　孙保海

关键词：智慧教室；嵌入式；物联网；实践探索

中图分类号：TP271；G647 文献标识码：A

0引言

随着信息技术的飞速发展，人们对于教育的要求越来越高，同时对教学场所的环境要求也越来越高。传统的教学场所已经无法满足师生的需求，因此，智慧教室应运而生。智慧教室是一种新型的教育模式，通过将现代信息技术与教育教学相结合，通过智能化的设备和系统，实现教育资源的共享，为学生提供更加便捷、高效、安全的学习环境。本文以运城职业技术大学为剖析对象，从硬件部分着手，重点分析智慧教室的安全及信息传输环节，希望给相关院校智慧教室的建设带来参考和帮助。

1总体设计思路

智慧教室的控制系统以STC89C52RC单片机为控制核心，采用全教室分布式的传感器布置模式，精确检测教室的粉尘、温湿度、烟雾及光照等与教室安全及舒适性密切相关的主要参数，力争构建符合工业级别的具有高性能、高可靠性和高集成性的物联网式智慧教室，为广大师生提供一个安全、舒适的学习与工作环境。

除控制核心外，系统总体可分为信号采集模块、控制设备模块、无线传输模块、显示／控制模块等4个部分（图1）。通过计算将智慧教室的传感器分布于教室四周，传感器以有线传递信号为主，通过线路连接A/D（模拟数字）转换器，再连接到主控单元。主控单元正常工作时采集各传感器的信号，并将采集到的信号显示在显示／控制模块，当检测到异常信号或控制信号时，将控制相关设备（日光灯、空调、窗帘、门、报警器、换气扇）执行动作，确保教室环境的安全和舒适。无线传输模块包含远程接收及控制端（包括手机端APP及计算机端），用来接收当前各传感器发送的信号并直接控制各控制设备执行相关操作。

2硬件设计

2.1信号采集模块

2.1.1粉尘（PM2.5）检测

教室是一个相对封闭的环境，其粉塵的主要来源为粉笔灰。用黑板擦擦拭黑板时，大颗粒的粉笔灰尘都会掉落到黑板槽内收集起来，一部分小颗粒的粉笔灰尘会飘散到空中，影响空气质量，并且对讲台上的人员及前两排人员的影响尤为明显。因此安装粉尘（PM2.5）检测传感器实时检测以上区域的粉尘量，配合安装换气扇，对教师及学生的身体健康有重要作用。粉尘检测传感器选用GP2Y1014AU，可测量0.8μm以上的微小粒子。该传感器具有极低的电流消耗（正常工作时的电流为20 mA），输出的是一个模拟电压，与所测得的粉尘浓度成正比，敏感性为0.5 V/（0.1 mg·m^-3）。该传感器有6个引脚（图2），其中5号引脚为AOUT，根据空气中灰尘颗粒的浓度产生模拟电压脉冲，将其连接到A/D转换模块中，转换成数字信号，将信号传输至控制核心STC89C52RC，可读取当前环境下的粉尘含量（以PM2.5计），与所设定值进行比较，从而控制换气扇的打开与关闭。

2.1.2温湿度检测

教室合理的温湿度环境是师生正常学习工作的基本。单片机根据温湿度参数可以控制窗户或空调的打开／关闭，使教室内保持人体适宜的温湿度。教室虽然相对封闭，但教室环境会因受到人数、外界温度等多方面因素的影响而发生变化。因此，应在教室的不同方位安装温湿度传感器，用以保证检测数据的准确性。以80 m²的教室为例，可在距离地面1.5 m处安装3个温湿度传感器。本设计所选用的DHT11（数字温湿度传感器）是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器（图3），其湿度精度为±5% RH，温度精度为±2℃，量程湿度为5%～95% RH，量程温度为-20～60℃。该传感器共有4个引脚（3号引脚为空引脚），2号引脚为传感器的单线制串行接口，可直接连接于控制核心的输入／输出（I/O）接口。

2.1.3烟雾检测

火灾是校园安全中的重要问题之一，智慧教室可以通过安装烟雾传感器，实时监测教室内的烟雾状况，一旦发现异常情况，系统会立即发出警报，提醒师生注意安全。本设计采用MQ-2烟雾传感器，该传感器有4个引脚，其中3号引脚为输出引脚，输出0～5V的测量信号电压，烟雾浓度越高，则电压越高（图4）。在教室的前、中、后3个位置分别布置3个烟雾检测传感器，如果有火灾发生，可在第一时间发出报警，并通过手机远程通知教室管理员，从而及时采取相关措施。

2.1.4光照度检测

光照度对于学生的学习有重要的影响。为了提高学生的学习效果，教室的照明应该采用适宜的光照度，并根据实际情况进行自动调节。智慧教室可以通过安装光敏电阻传感器，实时监测教室内的自然光线强度。在教室前面光线强度较大时，由于光的反射，大部分学生会看不清黑板的内容，因此可在教室前面布置两个光敏电阻传感器，当光线较强时可控制窗帘自动闭合；在教室的中后位置安装两个光敏电阻传感器，在光线较暗时，控制室内的日光灯打开。光敏电阻传感器结构简单，使用方便，可通过A/D转换模块直接与控制核心连接（图5）。

2.2显示／控制模块及控制设备模块

显示模块主要用来显示当前教室各传感器参数信息及操作菜单。正常状态下显示教室当前的温度及湿度信息，按下控制键后，显示当前的设置界面，包括PM2.5、温湿度、烟雾及光照等的临界值。当系统检测到信号采集模块的相关信号超过临界值时会触发相关控制设备的动作，如打开换气扇、空调、灯光等相关设备，保证教室内的空气质量及光照等达到人体最舒适的状态。

2.3无线传输模块

控制单元的串口连接ESP8266（Wi-Fi串口模块）与网络进行连接，实现智慧教室信息的远程发送及接收。所有信息连接到云端，利用手机APP或计算机端可远程接收当前教室的状态，如温湿度信息、开门状态、教师上课信息及相关报警信息等，也可远程控制教室的门、窗帘、空调等控制设备的打开或关闭。

3结语

高职院校智慧教室的建设是一个系统工程，除了包含智能控制硬件及软件部分外，智慧教室的基础设施改造、整体网络布设、配套软件安装、教学内容丰富等均需要学校、教师、学生共同努力。只有不断完善基础设施、丰富课程内容、优化管理模式，才能真正实现智慧教室的价值，为高职院校的教育改革和发展做出重大贡献。