高校智慧教室环境设施自动运行管理策略的设计与实现

李远亮， 戈达开， 王宜之

（上海交通大学教育技术中心，上海 200240）

0 引 言

教室是课堂教学的载体和场所，教育信息化2.0的推进，各种教育新技术的引入，教室的功能不断进行拓展，从“粉笔＋黑板”到多媒体教室，逐步演化为现在的集多媒体、教学平台、监控、物联网传感器等硬件于一体的智慧教室［1-2］。智慧教室在高校的建设已初具规模，由于其具有功能多样的教学设备和精致的装修环境，越来越受到师生的喜爱，使用率很高。随着教室数量的不断增加，如何对这些设施设备进行有效运行、维护和管理，在保障日常教学顺利开展的同时，做到能耗的优化管理，无疑是一项十分重要工作。以往以人工管理为主的传统教室管理模式显然不能满足智慧教室管理的新需求［3］。如何应用智慧教室中的物联网、AI等信息技术，设计一套适合智慧教室环境设施自动运行管理策略，以达到改善教学环境的同时，节约能源，节省人力，实现提高教学管理服务效能与质量的目标。并结合我校东中院智慧教室系统，给出实现对教室环境设施（灯光、空调、新风等）自动化运行管理的案例。

1 实现智慧教室环境设施自动运行和管理的硬件和技术基础

（1）集控管理平台。目前高校智慧教室系统一般都有一个网络集控管理平台，可远程控制教室中各种教学设施设备［4］。而且还能对接教务系统，获取课表信息，根据课表安排自动开关教室设备。系统构成如图1所示。

图1 智慧教室集控管理平台系统图

（2）环境传感器。教室里一般都安装环境传感器，可实时采集温度、湿度、光照度，以及空气质量参数，包括二氧化碳浓度、甲醛等。这些参数可通过网络实时传输至集控管理平台［5-8］。

（3）视讯系统。教室一般都安装有高清监控摄像机，通过图像分析的技术，视讯系统可以根据人体轮廓判断座位是否有人，从而实时的统计出教室内的人数。通过API对接，集控管理平台可以获取对应教室的人数［9］。

2 教室环境设施自动运行策略的设计

教室环境设施，如灯光、空调、新风的开启，不仅和教室使用安排相关，还与教室的环境参数有密切联系。如从节约能耗的角度，教室内亮度足够，或者教室里没人的情况则不应该开灯；温度不过高或过低的情况不应开启；二氧化浓度过高时新风设备应及时打开。

通过教室里安装的传感器，可以实时的获得教室的各种环境参数，如温度、光照度、二氧化碳浓度等［10-11］。而教室里的环境设施的开启和关闭可以根据这些参数来决定。显然，温度与空调相关，天气很热或很冷时应当开启空调；光照度与灯光相关，照度很低时则应开灯，照度很高则应关灯；二氧化碳浓度与新风机相关，研究表明，长时间处于CO2超过1 000×10－6的环境中，人的机能将受到影响，引起不舒适感［5，12］。因此浓度高，让人感觉空气浊，应及时开启新风，浓度低空气清新，呼吸顺畅，则可关闭新风。

教室环境设施自动运行，除了满足客观的参数条件外，还需根据教室使用情况来决定，当教室空闲无人使用时，各种设备应及时关闭［14］；自修教室则应根据自修的人数来决定设备的开关。当各教室内自习人数普遍过少时可关闭部分教室的空调进行导流，当教室内自习人数开始增多为避免拥挤可陆续增开部分教室空调进行分流［15］。上课教室可通过获取课表信息确定，自修教室可在不上课的教室中进行选择，其他不使用的则定义为空闲教室。根据表1来判断。

表1 教室环境信息

根据不同的的教室情况，设计制定教室自动运行策略，流程图如图2所示。

图2 自动运行管理策略流程图

3 自动控制策略的实现

现结合学校东中院智慧教室为例，阐述自动控制策略的实现过程。学校目前已建有了一个多媒体教学运维系统平台（基于J2EE技术标准），可对学校所有公共教室的设备实现运程集控，本文是在此平台的基础上进行开发，程序代码是用JAVA语言编写。

3.1 自动运行参数的设定

（1）新风的设定。根据《室内空气质量标准GB／T 18883－2002》，二氧化碳浓度0.10%，即1 000×10－6。因此把新风设备的临界阈值设定为1 000，当CO2浓度高于1 000时，新风启动，直到CO2浓度袋子低于800时新风关闭（见图3）。

图3 新风控制设置

（2）灯光的设定。根据《建筑照明设计标准》（B 50034—2004），教室内日光灯的平均照度从要达到300 lx，同时黑板的照度要达到500 lx，因此把灯光的临界阈值设定为300 lx。当照度《300 lx，灯光开启；当照度》500 lx，灯光关闭（见图4）。

图4 灯光控制设置

（3）空调的设定。（国办发〔2007〕42号）文件规定：所有公共建筑内的单位，夏季室内空调温度设置不得低于26℃，冬季室内空调温度设置不得高于20℃。因此空调的自动开启的条件为：

夏季高温月份（可设定6～8月），室内温度高于30℃自动启动，空调制冷温度设置为26℃；

冬季低温月份（可设定12～2月），室内温度低于10℃自动启动，空调制热温度为20℃（见图5）。

图5 空调控制设置

（4）人数的设定。这个主要针对自修教室的管理，如果教室内学生人数过少，也应关闭教室设备，促使学生自然流动到其他自修教室里，从而到达提高自修教室使用率的目的。因此我们可以根据教室的座位数，设定当教室内的人数小于座位数的10%时，关闭教室设备（见图6）。

图6 人数设定

3.2 自动运行程序代码

以下附实现自动运行策略的主要程序代码（空调

部分）：

public void queryAirCtrollerAutoRoom（）｛

……略

／／传感器当前温度

SensorVO sensor＝sensorMapper.queryCurrentSensorThBy-Class（search）；

if（null＝＝sensor）｛continue；｝

／／根据设定的条件运行空调

Double currentH＝Double.parseDouble（sensor.getTempture

（））； search.put（＂currentTempture＂，sensor.getTempture（））；

if（model.equals（Constants.AIR＿MODEL＿COLD＿CODE）＆＆currentH＜Integer.parseInt（timeParamConfig.getThresholdMin（）））

｛continue；

｝else if（model.equals（Constants.AIR＿MODEL＿HOT＿CODE）＆＆currentH＞Integer.parseInt（timeParamConfig.getThresholdMax（）））

｛continue；｝

……略

／／获取自习教室人数，小于设置百分比关闭空调

Map＜String，Object＞attrMap＝new HashMap＜＞（）；attrMap.put（＂roomClassCount＂，＂roomClassCount＂）；

attrMap.put（＂id＂，teachBuilding.getId（））；

／／获取配置属性人员比例信息

RoomControllAutoVOcontrollAutoVO＝queryConfigList（attr-Map）；

if（null！＝controllAutoVO）｛

Map＜String，Object＞airMap＝new HashMap＜＞（）；

／／获取教室信息

List＜AirConditionerTimerVO＞airConditionerTimerVOList＝roomControllAutoConfigMapper.queryChildsByCode（teachBuilding.getId（））；

／／获取教室人数，监控人数

List＜RoomAttrValueVO＞list＝roomTypeConfigService.findRoomClassCount（）； list.stream（）.forEach（vo-＞ ｛ AirConditionerTimerVOairConditionerTimerVO＝new AirCondi-tionerTimerVO（）；

Boolean isCheck＝airConditionerTimerVOList.stream（）.anyMatch（co-＞co.getRoomId（）.equals（vo.getRoomId（）））；

if（isCheck）｛airMap.put（＂id＂，vo.getRoomId（））；

SensorVOsensorVO＝airConditionerMapper.queryCurrent-SensorAirByClass（airMap）；

／／教室实际人数

BigDecimalactualNum＝new BigDecimal（vo.getActualStu-Num（））；

／／教室座位数

BigDecimalroomNum＝new BigDecimal（vo.getRoomClass-Count（））；

／／空调开启比例

BigDecimalautoNum＝new BigDecimal（controllAutoVO.getValue（））；

／／教室实际人数除以座位数乘以100获取当前比例 BigDecimal num＝actualNum.divide（roomNum，2，BigDecimal.ROUND＿HALF＿UP）.multiply（new BigDecimal（100））；

if（num.compareTo（autoNum）＞0）

airConditionerTimerVO.setRoomId（vo.getRoomId（））；

airConditionerTimerList.add（airConditionerTimerVO）；｝

……略

｝

4 结 语

根据原有智慧教室所具有的硬件和技术基础上，设计并开发了一个智慧教室环境设施自动运行管理策略，目前已在学校的公共教学楼（东中院）中运用。初步解决的教室空调、灯光空开浪费的问题，在节约能源和节省人力管理方面，起到了较好的效果。但在应用过程中，也遇到一些问题，如环境参数不准确造成设备误运行，不能满足某些教室有特定需求使用等情况，因此自动运行管理策略仍然在不断优化中，特别是针对自修教室的管理，需要考虑到学生的因素，因此在自动运行的策略下，仍需要采取一些人工管理相辅助，在节能管理和学生满意度之间取得平衡。