方世紀
(上海師范大學(xué),上海 200000)
1.1.1 邊云協(xié)同
邊云協(xié)同指的是實現(xiàn)邊緣計算[1]和云計算[2]的協(xié)同聯(lián)動,共同釋放數(shù)據(jù)價值。目前,邊云協(xié)同的發(fā)展仍處于初期階段,其發(fā)展方向主要有于九大應(yīng)用場景。但是,該技術(shù)并沒有應(yīng)用于教學(xué)設(shè)備領(lǐng)域,通過邊緣計算在云端提供更接近數(shù)據(jù)源的計算來減少處理中的延遲,并與云端計算相結(jié)合實現(xiàn)邊云協(xié)同,從而創(chuàng)造出安全,便捷,高效的智能吸塵式黑板擦。通過邊緣計算在云端提供更接近數(shù)據(jù)源的計算來減少處理中的延遲,并與云端計算相結(jié)合實現(xiàn)邊云協(xié)同,這是本文研究的一個出發(fā)點。
1.1.2 推薦系統(tǒng)
推薦系統(tǒng)是一種改善缺失值的處理方法。作為智能吸塵式黑板擦的重要組成部分,推薦系統(tǒng)在其中發(fā)揮著重要的作用。設(shè)計與開發(fā)用于接收用戶反饋的APP,利用推薦系統(tǒng)技術(shù)彌補未參加評價用戶的數(shù)據(jù)缺失,再根據(jù)反饋信息進行后續(xù)對黑板擦映射關(guān)系的修正,使智能黑板擦性能的優(yōu)化升級更加合理化。
調(diào)查發(fā)現(xiàn),盡管近十年來在新型黑板擦的設(shè)計和優(yōu)化方面有了一定進步,但仍存在兩個重要方面有待改善。一是改動工程較大。例如全自動黑板擦[3]需給黑板邊緣裝上滑輪和電機,成本較高且不易普及。二是耗電過多。單純的吸塵器式黑板擦[4]耗電快,且運行不穩(wěn)定,吸塵收效甚微。
對此,本文提出了以下設(shè)計方案:一方面,為智能吸塵式黑板擦安裝速度傳感器,利用邊緣計算得出在智能黑板擦啟動后的某一時間段內(nèi)用戶的相對速度,并以此為基準判斷用戶實時相對速度的快慢。利用無線模塊將傳感器接收的數(shù)據(jù)傳送至云端,通過云平臺處理數(shù)據(jù),在擦拭速度—吸塵速度映射關(guān)系建立成功的基礎(chǔ)上,建立合適的數(shù)學(xué)模型,精確得出與擦拭速度匹配的吸塵速率,使單片機輸出不同占空比的PWM波,改變平均電壓以控制電機轉(zhuǎn)速,達到擦拭速度和節(jié)能省電的最優(yōu)平衡,實現(xiàn)智能節(jié)電的效果。
另一方面,在已有的吸塵式黑板擦結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,選擇合適的機械結(jié)構(gòu)和吸塵裝置,保證吸塵式黑板擦運行時的穩(wěn)定。同時設(shè)計與開發(fā)用于接收用戶反饋的APP,利用推薦系統(tǒng)技術(shù)彌補未參加評價用戶的數(shù)據(jù)缺失,再根據(jù)反饋信息進行后續(xù)對黑板擦映射關(guān)系的修正。
1.2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1、圖2所示:1-擦體,2-吸塵口,3-集灰罩,4-速度傳感器,5-開關(guān),6-電源,7-單片機,8-無線模塊,9-氣流管,10-隔板,11-排氣孔,12-排氣口,13-過濾板,14-吸塵孔,15-泡沫材料,16-集塵箱,17-集塵杯,18-微型吸塵器,19-吸氣孔,20-磁鐵條。
基于邊云協(xié)同的智能吸塵式黑板擦主要由黑板擦,邊云協(xié)同裝置,集塵箱三大構(gòu)件組成。
1.2.2 黑板擦設(shè)計
黑板擦由開關(guān)(5),電源(6),擦體(1),吸塵口(2),氣流管(9),排氣口(12),磁鐵條(20)組成。
智能黑板擦不工作時,可通過頂部貼有的磁鐵條20吸附于黑板。
智能黑板擦工作時,打開開關(guān)(5),通過擦體(1)擦下粉塵,粉塵通過與擦體(1)交替相鄰的吸塵口(2)進入集灰罩(3),擴大吸塵面積。
1.2.3 集塵箱設(shè)計
集塵箱(16)由微型吸塵器(18),集灰罩(3),集塵杯(17),排氣孔(11),過濾板(13)組成
在擦體(1)擦下粉塵的同時,微型吸塵器(18)會啟動帶走粉塵,粉塵依次通過集灰罩(3)、氣流管(9)、吸氣孔(19),而后沉降到集塵杯(17)。集塵箱底部的排氣孔(11)與黑板擦外部排氣口(12)相連,便于排氣。為了保證分離粉塵,集塵箱下部安裝有過濾板(13),氣體由排氣孔(11)排出,經(jīng)過過濾板(13)過濾粉塵,最后從排氣口(12)排出。吸塵完成后,可通過打開吸塵孔(14)倒出粉塵,方便環(huán)保。
圖1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
圖2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
1.2.4 邊云協(xié)同裝置設(shè)計
邊云協(xié)同裝置由速度傳感器(4),單片機(7),無線模塊(8),云平臺組成。
邊云協(xié)同裝置工作如圖3所示。速度傳感器(4)可以采集到用戶的擦拭速度并輸出模擬電壓信號。通過儀表放大器與相關(guān)硬件電路將傳感器信號放大與調(diào)理,以適合A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍,能夠把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。在邊緣節(jié)點上進一步計算出相對速度,并利用無線模塊將數(shù)據(jù)傳送至云平臺。憑借云平臺上的數(shù)據(jù)處理,在擦拭速度—吸塵速度映射表關(guān)系的基礎(chǔ)上,精確計算出與擦拭速度相匹配的吸塵速度,并下傳邊緣節(jié)點處。經(jīng)過計算與設(shè)置,使節(jié)點輸出不同占空比的PWM波,以此控制微型吸塵機(18)的轉(zhuǎn)速,以達到節(jié)能省電的效果。
1.2.5 細節(jié)設(shè)計
電源(6)為可充電式電源;擦體(1)與吸塵口(2)交替相鄰排列,擦拭效率高;吸塵口(2)分為兩個部分,擦體(1)處吸塵口(2)用于吸附黑板上灰塵,邊側(cè)處吸塵口(2)用于吸附空氣中浮灰;集灰罩(3)附著于吸塵口(2)上方,便于粉塵的初步收集;擦體(1)為可壓縮的海綿體,擦拭效率高;擦體(1)和吸塵體的連接方式為套接式,可之間將擦體(1)套入到吸塵體上,便于清潔、更換;過濾板(13)為桶式自旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)過濾器,電源(6)接通后可自動旋轉(zhuǎn)并儲存塵埃于集塵箱(16)內(nèi),過濾徹底;吸塵孔(14)和集塵箱(16)可拆卸;智能吸塵式黑板擦內(nèi)部填充有泡沫材料,降低黑板擦運行過程中的震動程度;智能吸塵式黑板擦外側(cè)部貼有磁鐵條(20),便于懸掛,外壁用隔音材料制成,降低黑板擦運行過程中的噪音程度。
圖3 邊云協(xié)同裝置
在應(yīng)用過程中,基于邊云協(xié)同的智能吸塵式黑板擦既解決了板書時粉筆揚塵的問題,又在對黑板擦改動程度較小的情況下達到了擦拭速度與智能節(jié)電的最優(yōu)平衡;配套APP及時接收用戶反饋,再利用推薦系統(tǒng)技術(shù)彌補未參加評價用戶數(shù)據(jù)的缺失,使智能黑板擦性能的優(yōu)化升級更加合理化,極大地提高了智能黑板擦擦拭效率,對實際教學(xué)過程具有深遠意義。
據(jù)統(tǒng)計,中國教師大約有1 539萬人。我國教師每年因上課被迫吸入的粉筆灰大約為200克/人,每年死于肺部疾病、癌癥患者的比例約為20%。隨著教育事業(yè)的不斷發(fā)展,智能吸塵式黑板擦在教育行業(yè)有很好的發(fā)展前景。有數(shù)據(jù)初步統(tǒng)計,對于智能吸塵式黑板擦的市場需求,學(xué)校市場潛在銷量超1 000萬,再加上家庭和辦公等場所的需求,市場潛力巨大。