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摘要：我国是教育大国，高校林立。但在现阶段，高校对教室的管理费时费力，值班人员经常工作到很晚，既不能体现大学的独到之处，也造成了资源的浪费。为此，文章提出了智能教室的方案，对教室的电气设备和门窗进行联网自动化改造，以局域网和自动控制理论为基础，实现互联网时代下教室硬件设施的柔性化和管理的科学化、智能化。
关键词：模块化；智能灯光；智能门窗；通风系统
1项目背景
关于智能教室，国际上有多种称谓或叫法，常见的有Intelligent Classroom、I-Room，I-Classroom、SmartClassroom、Future Classroom等，我国学者更多地倾向于把它称为“未来教室”或“未来课堂”。我国学者陈卫东认为智能教室是相对于传统和现代教室而言的，指的是在相关的理论和技术支持下，以充分发挥课堂组成各要素（人、技术、资源、环境和方法等）的作用，实施教与学，以促进人的认知、技能、情感、学习与发展的活动及环境。但是，我们这里的“智能教室”是实现教室硬件系统的自动化以实现管理环节智能化而不是教学环节智能化。国内对教室智能管理的研究也普遍较多，2014年，卢锋、马佳等提出了智能窗户的系统设计；同年，安徽理工大学的陈杰发表了关于高校教室智能照明控制系统的研究与设计的论文。针对门窗设计，安徽城市管理职业学院的陈芳基于PLC提出了自动门窗的系统设计。
在这些研究的基础上，准备在“互联网+”背景下，对教室硬件设施作出改进，并设计一个PC机可控制、掌上终端可查询的智能化教室管理系统。
2研究设想及最终目的
2.1研究设想
教室里安装一个控制模块，这个模块用来控制教室内硬件动作以及监测教室内部情况回传至值班室，为了节省安装成本，采用无线网来传送控制信号和回传信息。通过Pc对教室进行控制或者获取当前教学楼教室情况，此外，我们还可以利用手机终端，让大家查询教室情况，更灵活地选择自习地点。
2.2最终目的
实现教室管理自动化、智能化.教室状态可查询、可调节；值班人员负担轻；高校资源可节约等四大目标。
3总体方案
方案如图1所示，教室的硬件设施分为灯光、通风及门窗三部分。
软件界面设计构想。用GUI Design Studio設计了查看界面，如图2所示。
4各个模块的工作原理
4.1智能灯光
（1）灯光控制系统。灯光控制系统由灯光控制器、光照传感器、人体传感器和软件构成。首先通过人体传感器来判断教室内对应位置是否有人，此位置无人，则灯光控制系统处于关闭状态；反之，处于工作状态。
灯光控制系统：采集安装在教室内的光照传感器数据，通过分析数据，根据软件预设值，来控制教室内灯光的自动开启与关闭，并可调节灯光的亮度，实现室内灯光的智能控制与节能减排。
（2）教室分区。如图3所示，将除讲台之外的按照方形区域进行分区，这种区域划分不仅有利于学生的学习，而且更能方便了光照传感器及人体传感器的安装，最终更好的实现节能效果。
（3）判断人员依据。教室智能照明的主要目的是最大限度的节能控制，节能控制如果仅实现“人来灯开，人走灯灭”依然不能将节能尽可能最大化。例如：如果有人进入教室就能把教室里的灯都打开而没人再关闭，尽管能达到一定的节能效果，但还是造成了许多不必要的浪费。我们对教室进行分区检测，当某个区域内有人且时间超过t秒，若室内光照不足，则自动打开该区域灯光，避免人员走动时造成的频繁开启关闭灯源。
（4）智能灯光的几种模式。主要模式：①投影模式：当教室内打开投影时，自动关闭投影前侧灯光；②讲课模式：当讲台区域（13）持续t秒有人员时，自动打开灯光。或根据学校的上课时间表设定为，在上课时间内，若该教室有课，则讲台区域自动亮灯；③自习模式当光照条件不满足要求时，各个感应区检测下方是否有人员，并打开灯光。
4.2智能门窗
（1）教室现状。目前，学校教室的门的开关是由值班人员负责的，平时很少关门，遇到四六级等国家级考试才会全部关上，但是一栋教学楼由几十个教室组成，开关门十分不便。相比而言，窗户由学生自己开关，但是学生也会经常忘记关窗，教室还好，对于一些重要的办公室，在不关窗户的情况下极有可能造成财物丢失或数据泄露。
（2）自动门窗的原理图设计。首先，自动门原理对教室门的改造如图4所示，门的开关由齿轮齿条组成，齿条在轨道内滑动，齿条后面为限位保护开关。齿轮的轮齿为垂直分布的两对轮齿，即沿齿轮圆周分布的一排轮齿和沿齿轮端面的一个半径为r的圆（r （N为齿条从初始位置到达终了位置的时间）；06：00，门又会接到一个打开信号，电动机正向转动N秒，门锁打开，推门即可进入教室；②当遇到四六级考试或者放假时，可以从控制台获取教室是否有人，若教室无人，可通过PC机上终端软件对教室门实现一键控制开关，减轻人的工作压力；③若遇到意外，教室门上课前并未打开，则可电话联系教学楼值班员，用钥匙从正面打开；若晚上教室还有人门却已关闭，则可通过教室电气控制盒开关触发电动机反向动作，打开教室门（教室的电气控制盒包含门窗以及灯光的手动开关）。
其次，对教室和办公室窗户的改造如图5，将窗户改为旋转式窗户，考虑到教室是个安静的场所，采用带传动。此外，增加了一个控制盒，其中放置驱动电机、温度传感器，盒子里也会接入门的关闭信号线（对于办公室，由于办公室的门不是自动的，所以窗户的控制盒子里面需要接入定时器，用来控制窗户开关）。控制盒嵌在墙壁中，温度控制器放置在盒子表面。具体工作过程为：①白天，温度传感器检测到温度信息，传送到单片机处理，对于窗户打开角度的问题，设计一个关于温度的函数t f（T）（t为控制信号发送的持续时间）。单片机发出一个打开信号，电动机正向旋转M秒（M=f（T））打开至适宜角度；②晚上，窗户和门同步接到关闭信号，电动机反向旋转P秒直至窗户关死，防止教室和办公室财物丢失或数据泄露；③遇到紧急情况或者教室需要组织大型活动时，可通过教室电器控制盒开关触发电动机，打开或关闭窗户。
4.3通风系统
（1）设计背景及设想。教室内的空气会影响学生听课的效率。开窗通风，是个好的建议。但是，开窗通风可能在某些特殊天气（无风，闷热）情况下，无法及时保持教室内的空气流通与交换，为学生提供一个良好的学习环境。鉴于此现状，我们的设想是设计一种智能通风换气系统——通过传感器感受、配套软件与控制自动开关，开启或关闭抽风机。
（2）组成及工作原理。通风换气系统由抽风机、C02传感器和软件构成。通过C02传感器监测室内的C02浓度，通过分析数据，根据软件预设值，当室内C02浓度高于软件限值时自动开启抽风机来进行换气，通过补充室外空气来降低室内C02的浓度。
5结束语
此方案不仅能节省资源、减轻值班员工作压力，还可以为学生们借教室、上自习提供便利，促进大学校园良好学风的形成。我们相信，在未来，智能教室必定会是大学校园里一道亮丽的风景。
关键词：模块化；智能灯光；智能门窗；通风系统
1项目背景
关于智能教室，国际上有多种称谓或叫法，常见的有Intelligent Classroom、I-Room，I-Classroom、SmartClassroom、Future Classroom等，我国学者更多地倾向于把它称为“未来教室”或“未来课堂”。我国学者陈卫东认为智能教室是相对于传统和现代教室而言的，指的是在相关的理论和技术支持下，以充分发挥课堂组成各要素（人、技术、资源、环境和方法等）的作用，实施教与学，以促进人的认知、技能、情感、学习与发展的活动及环境。但是，我们这里的“智能教室”是实现教室硬件系统的自动化以实现管理环节智能化而不是教学环节智能化。国内对教室智能管理的研究也普遍较多，2014年，卢锋、马佳等提出了智能窗户的系统设计；同年，安徽理工大学的陈杰发表了关于高校教室智能照明控制系统的研究与设计的论文。针对门窗设计，安徽城市管理职业学院的陈芳基于PLC提出了自动门窗的系统设计。
在这些研究的基础上，准备在“互联网+”背景下，对教室硬件设施作出改进，并设计一个PC机可控制、掌上终端可查询的智能化教室管理系统。
2研究设想及最终目的
2.1研究设想
教室里安装一个控制模块，这个模块用来控制教室内硬件动作以及监测教室内部情况回传至值班室，为了节省安装成本，采用无线网来传送控制信号和回传信息。通过Pc对教室进行控制或者获取当前教学楼教室情况，此外，我们还可以利用手机终端，让大家查询教室情况，更灵活地选择自习地点。
2.2最终目的
实现教室管理自动化、智能化.教室状态可查询、可调节；值班人员负担轻；高校资源可节约等四大目标。
3总体方案
方案如图1所示，教室的硬件设施分为灯光、通风及门窗三部分。
软件界面设计构想。用GUI Design Studio設计了查看界面，如图2所示。
4各个模块的工作原理
4.1智能灯光
（1）灯光控制系统。灯光控制系统由灯光控制器、光照传感器、人体传感器和软件构成。首先通过人体传感器来判断教室内对应位置是否有人，此位置无人，则灯光控制系统处于关闭状态；反之，处于工作状态。
灯光控制系统：采集安装在教室内的光照传感器数据，通过分析数据，根据软件预设值，来控制教室内灯光的自动开启与关闭，并可调节灯光的亮度，实现室内灯光的智能控制与节能减排。
（2）教室分区。如图3所示，将除讲台之外的按照方形区域进行分区，这种区域划分不仅有利于学生的学习，而且更能方便了光照传感器及人体传感器的安装，最终更好的实现节能效果。
（3）判断人员依据。教室智能照明的主要目的是最大限度的节能控制，节能控制如果仅实现“人来灯开，人走灯灭”依然不能将节能尽可能最大化。例如：如果有人进入教室就能把教室里的灯都打开而没人再关闭，尽管能达到一定的节能效果，但还是造成了许多不必要的浪费。我们对教室进行分区检测，当某个区域内有人且时间超过t秒，若室内光照不足，则自动打开该区域灯光，避免人员走动时造成的频繁开启关闭灯源。
（4）智能灯光的几种模式。主要模式：①投影模式：当教室内打开投影时，自动关闭投影前侧灯光；②讲课模式：当讲台区域（13）持续t秒有人员时，自动打开灯光。或根据学校的上课时间表设定为，在上课时间内，若该教室有课，则讲台区域自动亮灯；③自习模式当光照条件不满足要求时，各个感应区检测下方是否有人员，并打开灯光。
4.2智能门窗
（1）教室现状。目前，学校教室的门的开关是由值班人员负责的，平时很少关门，遇到四六级等国家级考试才会全部关上，但是一栋教学楼由几十个教室组成，开关门十分不便。相比而言，窗户由学生自己开关，但是学生也会经常忘记关窗，教室还好，对于一些重要的办公室，在不关窗户的情况下极有可能造成财物丢失或数据泄露。
（2）自动门窗的原理图设计。首先，自动门原理对教室门的改造如图4所示，门的开关由齿轮齿条组成，齿条在轨道内滑动，齿条后面为限位保护开关。齿轮的轮齿为垂直分布的两对轮齿，即沿齿轮圆周分布的一排轮齿和沿齿轮端面的一个半径为r的圆（r
其次，对教室和办公室窗户的改造如图5，将窗户改为旋转式窗户，考虑到教室是个安静的场所，采用带传动。此外，增加了一个控制盒，其中放置驱动电机、温度传感器，盒子里也会接入门的关闭信号线（对于办公室，由于办公室的门不是自动的，所以窗户的控制盒子里面需要接入定时器，用来控制窗户开关）。控制盒嵌在墙壁中，温度控制器放置在盒子表面。具体工作过程为：①白天，温度传感器检测到温度信息，传送到单片机处理，对于窗户打开角度的问题，设计一个关于温度的函数t f（T）（t为控制信号发送的持续时间）。单片机发出一个打开信号，电动机正向旋转M秒（M=f（T））打开至适宜角度；②晚上，窗户和门同步接到关闭信号，电动机反向旋转P秒直至窗户关死，防止教室和办公室财物丢失或数据泄露；③遇到紧急情况或者教室需要组织大型活动时，可通过教室电器控制盒开关触发电动机，打开或关闭窗户。
4.3通风系统
（1）设计背景及设想。教室内的空气会影响学生听课的效率。开窗通风，是个好的建议。但是，开窗通风可能在某些特殊天气（无风，闷热）情况下，无法及时保持教室内的空气流通与交换，为学生提供一个良好的学习环境。鉴于此现状，我们的设想是设计一种智能通风换气系统——通过传感器感受、配套软件与控制自动开关，开启或关闭抽风机。
（2）组成及工作原理。通风换气系统由抽风机、C02传感器和软件构成。通过C02传感器监测室内的C02浓度，通过分析数据，根据软件预设值，当室内C02浓度高于软件限值时自动开启抽风机来进行换气，通过补充室外空气来降低室内C02的浓度。
5结束语
此方案不仅能节省资源、减轻值班员工作压力，还可以为学生们借教室、上自习提供便利，促进大学校园良好学风的形成。我们相信，在未来，智能教室必定会是大学校园里一道亮丽的风景。