马梦迪 于丽娜

摘要：随着经济社会和科学技术的日新月异，老师知识的传授方式和教学观念以及学生学习的方式都发生了巨大的变化。传统的多媒体控制器等设备在使用和管理方面智慧化程度不高，各种弊端日益明显，已经无法满足教师线上线下混合式教学的需求，学生完成学习任务的需求以及现代化和智能化教育的发展。智慧教室是借助物联网技术，无线通信技术、单片机技术等高科技技术构建起来的新型教室。本论文结合国内外智慧教室控制系统的发展与应用，采用比较分析法等方法对当下传统教室功能单一、管理困难等弊端进行分析，利用传感器技术、无线通信技术等技术设计出一款自动化、智能化、集中控制的智慧教室控制系统。

关键词：智慧教室WiFi传感器单片机

1     引言

2018年 6月，教育部部长陈宝生在《新时代全国高等学校本科教育工作会议》上的讲话重点强调“以本为本”、“四个回归”0，提出要大力推进教学改革，从固有的呆板的课堂教学向启发性教学进行转变，要求广大教师树立终身学习的观念，提高自身素质和育人水平，开展形式多样的教学，探究创新符合现代教育的新型教学模式，提高学生学习的积极性和主动性。从而让教师寓教于乐，让学生寓学于乐。

1.1  国内外发展现状研究

在当今智能化、现代化教育的时代大背景下，重新建设新的现代化教室、改善学习环境、整合教育教学资源是未来发展的潮流。

目前，智慧教室在我国仍处于初级发展的阶段[2]。我国的智慧教室研究偏向于理论和学习模式的探索，拥有一定的理论基础但是缺乏实践的经验。在我国，众多专家学者由于分析问题的角度，以及个人的主观能动性不同，导致观点也略有差异。其共识是加大对智慧教室创新研究的投入，注重利用国内先进的科技成果，整合教学资源，从而创新出多元化的教学互动模式，不在为了学习而学习，要求求同存异，兼顾全面发展和个性化教育。由于不同国家科学技术和教育的发展存在差异，智慧教室的发展情况也不相同，总的来说，国外智慧教室的发展早于我国[3]。统计结果表明，国外有关智慧教室的期刊、论文等文献总量远高于我国，且每年递增。由于部分西方发达国家科技水平高，基础设施和各种软硬件设备较为完善，所以已基本上完成了对智慧教室的建设，极大地促进了现代教育的发展。

2     智慧教室控制系统总体设计

2.1  需求分析

智慧教室是信息化教育发展的必经之路，怎样建设智慧教室，建设什么样的智慧教室，是目前学校管理者应该考虑的实际问题。首先，作为教室中必不可缺少的一部分，我们从教室的门窗、空调、灯光入手，进行设计。其次，我们设计的系统采用的无线网络通信技术，进行信息的传输，简单方便，快捷高效。最后，通过比较分析法结合各种模块的优缺点，选择合适的硬件模块为智慧教室控制系统的设计奠定基础。

2.2  技术分析

2.2.1      Wi-Fi无线通信技术

Wi-Fi是较为流行的一种无线通信技术，无线保真，是由IEEE组织的IEEE802.11标准制定了以太网的技术标准，性能优越，覆盖范围大、数据传输快，工作时处于2.4GHZ频段。

Wi-Fi的主要优势是在于局域网不需要使用电线，可以降低部署和扩充的成本，组网方式简单，覆盖范围广，可以不受电线的限制，所以相比较于其他几种无线通信技术，Wi-Fi技术更适合在教室中使用，数据的传输速度很快，安全可靠。

2.2.2      传感器技术

传感器是一种用于检测信息的设备，并可以将检测到的信息，进行统一的编码或转变成所需形式输出，从而对信息进行分析处理。由于传感器应用的场所和生产的技术工艺不同，因此传感器的性能也会有很大的差别。根据智慧教室控制系统需要实现的功能进行分析，本设计中用到二氧化碳传感器、温湿度传感器以及光照传感器。

2.3  系统总体设计

本智慧教室控制系统使用温湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、光照传感器进行收集信息，通过Wi-Fi无线通信技术传送到单片机进行处理。系统功能框架图如图2-1所示。

3     智慧教室控制系统硬件设计

3.1  模块介绍

本系统主要由控制模块、执行模块、采集模块、监控录像模块四部分组成。由控制模块控制各模块之间的联动操作，实现温度异常时自动打开空调、二氧化碳浓度过高时自动开窗、亮度较暗时自动开灯以及课上进行视频录制。

3.2  系统的搭建

为了避免接下来线路连接的错综复杂，以及因为线路的问题而出现的各种问题，方便理清思路，因此在本系统的硬件设计中，为最大程度减少线路的连接问题，使用Altium Designer9进行硬件电路设计。其次，将步进电机驱动和风扇分别与单片机进行连接。最后连接好电源，由此构成整个系统的执行控制模块。通电测试，检查通电后，主板和各个传感器是否连接正常，指示灯是否亮起。

4     智慧教室控制系统软件设计

4.1  光照模块设计

当传感器检测到教室内的光线较暗，且灯具处于关闭状态时，自动开灯，平衡教室内的亮度。当检测到教室内的光线较亮，自动关灯。

4.2  温湿度模块设计

当温湿度传感器检测到教室内的温度过高，且空调处于关闭状态时，自动打开空调，维持适宜的室内温度。

4.3  二氧化碳模块设计

当传感器检测到教室内的二氧化碳浓度过高，且窗户处于关闭状态时，自动打开门窗，降低教室内的二氧化碳浓度。当室内的二氧化碳浓度低于安全范围时，自动关闭门窗。

5     结论

随着现代科学技术的蓬勃发展，结合当前线下教室的实际情况，研究设计出该智慧教室控制系统，结合传感器、单片机、物联网实验板、摄像头以及其他硬件设备，并且通过模拟实验，基本实现系统所设计的功能。

在本次試验中由于实验环境等外部环境以及个人知识经验等内部因素，系统还有很多地方尚需完善。（1）连接win10系统时，该系统不是很稳定。（2）智慧教室控制系统需要更加的智能化、更加的人性化功能，在该系统中只是实现了一部分功能，还有一些重要功能没有实现。在后期，本人会不断充实自我，积极学习，不断完善智慧教室的功能。

参考文献：

[1]   刘君.基于物联网技术的高校智慧教室的设计研究[J].陕西理工大学学报（自然科学版）.2017（05）.

[2]   张宇燕，常志华，汤显峰，李杭彩.智慧教室智能化控制系统设计与实现[J].物联网技术.2016（08）.

[3]   习海旭，廖宏建，黄纯国.智慧学习环境的架构设计与实施策略[J].电化教育研究.2017（04）.

[4]   陈敏敏，廉迎战，黄道燚.基于WiFi物联网的温度监控系统设计与实现[J].现代电子技术.2017（18）.

[5]   刘冠群.基于物联网技术的智慧教室一体化现代教学模式构建[J].现代职业教育，2015（10）：15-17.

作者简介：

马梦迪，男    物联网工程16-01，山东协和学院学生;

于丽娜，（1987-），女，硕士研究生，山东烟台，研究方向为数据通信、物联网应用技术