汪金龍，姚召輝

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引言

在教學(xué)進(jìn)行中，學(xué)生空間位置的不同，師生互動(dòng)的程度不同，與教師溝通效果存在差異，間接影響教學(xué)效果?；诖?，需要提出一種方法實(shí)現(xiàn)對(duì)空間位置缺陷與不足的彌補(bǔ)[1]。本研究通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以自由調(diào)節(jié)、與電子設(shè)備相結(jié)合的智能書桌，消除前后排距離所帶來的學(xué)習(xí)效果差異問題。

1 智能書桌的設(shè)計(jì)背景與需求分析

1.1 設(shè)計(jì)背景

我國各級(jí)學(xué)校長期以來由于班級(jí)人數(shù)、教室大小、教師教學(xué)理念等因素的限制，大多教室里的課桌椅仍呈現(xiàn)“秧田式”的排列方式。坐在教室前排和中間的學(xué)生，上課時(shí)聽、看得都比較清楚，與教師的交流也更多；而坐在教室兩邊和后排的學(xué)生，則比較容易產(chǎn)生紀(jì)律問題。實(shí)際上，學(xué)生空間位置的分布不同，直接導(dǎo)致了學(xué)生與教師溝通效果的不同，間接地影響了教學(xué)效果。基于這樣的情況，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)一種智能書桌，保證其在實(shí)際使用過程中可以進(jìn)行自由調(diào)節(jié)，并與電子設(shè)備相結(jié)合共同消除教室內(nèi)學(xué)生空間位置的前后排距離問題[2，3]。

1.2 設(shè)計(jì)需求

本研究中提出的基于人體健康監(jiān)測的智能書桌是一種新型智能課桌。在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，真正實(shí)現(xiàn)了教與學(xué)的相結(jié)合。該智能書桌的特點(diǎn)主要集中在幾方面：采用嵌入式將抗疲勞電子屏幕與課桌相結(jié)合；通過以滑蓋式的方式推開桌面，將電子屏幕顯現(xiàn)出來；同時(shí)，“滑”開的桌面可通過兩邊的軸來翻折下去，從而在一定程度上既減小了對(duì)空間的占用又使得屏幕的盡可能擴(kuò)大；在電子屏幕下方添加可伸縮裝置，以此來調(diào)節(jié)電子屏幕的角度。因?yàn)榭刂破聊徽{(diào)整的結(jié)構(gòu)架構(gòu)為半弧結(jié)構(gòu)，所以可以在半圓范圍內(nèi)將電子屏幕的角度進(jìn)行最大限度調(diào)整。

另外，該智能書桌可與教師的多媒體教學(xué)相結(jié)合，消除前后排差距，課堂上，實(shí)現(xiàn)邊聽變練，在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐操作能力。本智能書桌還可以通過個(gè)人看屏幕的習(xí)慣進(jìn)行對(duì)角度或著將桌面進(jìn)行前后的調(diào)整，屏幕采用特殊抗疲勞的材質(zhì)因而也可以對(duì)眼睛進(jìn)行一定的保護(hù)。

2 設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性

2.1 產(chǎn)品新穎性

本書桌產(chǎn)品是一種新型智能課桌，首次在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，將多媒體與課桌相結(jié)合，真正實(shí)現(xiàn)了教與學(xué)的相結(jié)合；將基于滑蓋式的方式推開桌面；將電子屏幕顯現(xiàn)出來；并且“滑”開的桌面可通過兩邊的軸來翻折下去，由此增加了空間利用率。

2.2 傳承與現(xiàn)代化的相結(jié)合

目前所見課桌均為傳統(tǒng)式并存在部分缺陷，隨著時(shí)代的進(jìn)步，在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中理論知識(shí)與實(shí)踐能力的欠缺以及日益增長的近視頸椎問題明顯突出，而本智能新型課桌能夠應(yīng)對(duì)當(dāng)前時(shí)代需求，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，致力于知識(shí)與能力相結(jié)合。

2.3 易于實(shí)現(xiàn)

該智能書桌的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，可以在課桌原有的基礎(chǔ)上，對(duì)電子設(shè)備和課桌進(jìn)行結(jié)合，比較易于實(shí)現(xiàn)。

2.4 智能化管理、省事省力

通過對(duì)課桌中的機(jī)器設(shè)置專門的管理軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)老師對(duì)全部機(jī)器的管理，實(shí)現(xiàn)了智能化管理，并且更加易于操作，省時(shí)省力；有較好的創(chuàng)造性，實(shí)用性較強(qiáng)。

2.5 適應(yīng)于當(dāng)下，順應(yīng)社會(huì)潮流

目前對(duì)課桌的要求的課桌椅越來越高，需要可調(diào)節(jié)高度、更加智能等多種要求，能夠解決現(xiàn)有中、小學(xué)生課桌椅不能調(diào)節(jié)問題，適用于各個(gè)年齡層次、各種體形的學(xué)生使用，并且解決教室前后排距離問題，本智能書桌在功能上適應(yīng)當(dāng)下要求。

3 智能書桌總體設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)思路

通過電子設(shè)備和傳統(tǒng)老式桌相結(jié)合，利用機(jī)械原理，對(duì)桌子進(jìn)行變動(dòng)，使其多元化。在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，與教師的多媒體教學(xué)相結(jié)合，消除前后排差距，課堂上，實(shí)現(xiàn)邊聽變練，在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐操作能力，真正實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的相結(jié)合；可以通過個(gè)人看屏幕的習(xí)慣進(jìn)行對(duì)角度或著將桌面進(jìn)行前后的調(diào)整，屏幕采用特殊抗疲勞的材質(zhì)，以此達(dá)到保護(hù)使用者視力的效果。

3.2 設(shè)計(jì)技術(shù)線路

通過嵌入式將抗疲勞電子屏幕與書桌相結(jié)合；用滑蓋式的方式推開桌面，“滑”開的桌面可通過兩邊的軸來翻折下去；在電子屏幕下方添加可伸縮裝置，調(diào)節(jié)電子屏幕的角度，采用半圓形式對(duì)電子屏幕的角度進(jìn)行調(diào)整；書桌可與總多媒體設(shè)備端相結(jié)合，通過個(gè)人看屏幕的習(xí)慣進(jìn)行對(duì)角度或著將桌面進(jìn)行前后的調(diào)整，屏幕采用特殊抗疲勞的材質(zhì)可以對(duì)眼睛進(jìn)行一定的保護(hù)。

4 基于人體健康監(jiān)測的智能書桌設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案

4.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能書桌為未拆開時(shí)正常使用的桌面，在未拆開時(shí)與正常課桌無二。當(dāng)智能書桌上部桌面拉開時(shí)，拉開的桌面可通過轉(zhuǎn)軸翻轉(zhuǎn)下去，此設(shè)計(jì)大大增加空間利用率。智能書桌打開后，即可顯現(xiàn)出基于特殊抗疲勞材質(zhì)的屏幕，同時(shí)桌面翻至下方并與桌腿重疊。智能書桌的屏幕高度、桌面高度可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同使用者需求，且屏幕可以完成旋轉(zhuǎn)，方便進(jìn)行信息分享。該課桌整體結(jié)構(gòu)及對(duì)應(yīng)方案如圖1～圖3。同時(shí)，在光照控制單元的支持下，該智能書桌可以實(shí)現(xiàn)結(jié)合外部環(huán)境光照現(xiàn)實(shí)情況下自動(dòng)進(jìn)行光照調(diào)節(jié)，促使其由亮轉(zhuǎn)暗或者是由暗轉(zhuǎn)亮，避免使用者眼睛受到更多刺激與傷害[1]。在桌面顯示系統(tǒng)的支持下，各個(gè)智能書桌之間、智能書桌與媒體設(shè)備之間的屏幕共享成為現(xiàn)實(shí)，且可以多種運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀顯示，方便使用者隨時(shí)查看。

圖1 桌面未打開圖

圖2 桌面打開折疊圖

圖3 桌面打開折疊調(diào)高角度

4.2 功能單元設(shè)計(jì)

4.2.1 桌面升降系統(tǒng)

該智能書桌可以結(jié)合使用者需求完成對(duì)桌面與屏幕高度的精準(zhǔn)調(diào)整，本研究出于對(duì)降低成本及提升高度控制精度的考量，選擇市場中現(xiàn)有的某品牌優(yōu)質(zhì)升降桌，依托2 次改造并連接主控芯片完成上述目標(biāo)。使用者只需要按下對(duì)應(yīng)功能鍵即可控制該智能書桌桌面與屏幕的上下調(diào)整。本智能書桌設(shè)置的桌面升降系統(tǒng)的運(yùn)行動(dòng)力來源于步進(jìn)電機(jī)。目前，小型升降系統(tǒng)的功能發(fā)揮常用步進(jìn)滑臺(tái)、步進(jìn)電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)，相比較來說，步進(jìn)電動(dòng)推桿在運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性、低噪音、定位精度、升降速度等方面均保持在更高水平，且可以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度運(yùn)行[2]。步進(jìn)電動(dòng)推桿的運(yùn)行原理主要如下：步進(jìn)電機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)后，依托步進(jìn)電動(dòng)推桿的作用，可以轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，并聯(lián)合步進(jìn)電機(jī)共同完成高精度、快速的桌面與屏幕升降動(dòng)作。

4.2.2 光照控制單元

該智能書桌能夠在環(huán)境光照條件不充足的情況下自動(dòng)進(jìn)行光照調(diào)節(jié)，配合抗疲勞屏幕的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)使用者視力的更好保護(hù)，避免使用者眼睛受到更多刺激與傷害。實(shí)踐中，主要依托脈寬調(diào)制法完成對(duì)LED 燈的控制，促使其由亮轉(zhuǎn)暗或者是由暗轉(zhuǎn)亮。對(duì)于脈寬調(diào)制調(diào)光信號(hào)來說，其屬于數(shù)字信號(hào)，使用1標(biāo)注導(dǎo)通條件下的直流供電值（高電平狀態(tài)），并應(yīng)用0 標(biāo)注斷開條件下的直流供電值（低電平狀態(tài)），則單個(gè)周期內(nèi)通道的持續(xù)時(shí)間為二分之一、占空比保持在50%[3]。在光照傳感器的支持下，主控模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)信息的處理，并在判斷當(dāng)前光強(qiáng)不滿足高于50Lx 時(shí)促使燈光轉(zhuǎn)入開啟狀態(tài)；利用脈寬調(diào)制波，完成對(duì)燈光照明系統(tǒng)的自動(dòng)化控制，保證為使用者實(shí)時(shí)提供最為理想的光照亮度。

亮度調(diào)節(jié)過程的主要步驟：對(duì)光照傳感器進(jìn)行初始化處理；讀取所有光強(qiáng)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；判斷當(dāng)前光強(qiáng)是否滿足高于50Lx 的條件，如判斷滿足，則脈寬調(diào)制輸出為0，并返回讀取與處理所有光強(qiáng)數(shù)據(jù)的操作步驟；如判斷不滿足，則脈寬調(diào)制自動(dòng)完成調(diào)光，同時(shí)并返回讀取與處理所有光強(qiáng)數(shù)據(jù)的操作步驟，循環(huán)運(yùn)行。

4.2.3 桌面顯示系統(tǒng)

在單片機(jī)的支持下，該智能書桌的桌面現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)會(huì)將輸入模塊提取到的信息展開初步處理，并為后續(xù)在人機(jī)交互界面（屏幕）上的直觀顯示提供更好條件，整個(gè)顯示屏不需要背光，顯示單元可以自行發(fā)出光亮，并保證可視角度維持在160°的水平。該桌面顯示系統(tǒng)依托無線通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)直接連接多媒體設(shè)備，此時(shí)，在主設(shè)備端能夠隨時(shí)完成對(duì)區(qū)域內(nèi)所有智能書桌屏幕狀態(tài)、連接狀態(tài)的查看，并促使屏幕信息共享成為現(xiàn)實(shí)。在教室，教師使用多媒體設(shè)備即可將課件信息直接共享至所有智能書桌的桌面顯示系統(tǒng)中，促使所有學(xué)生更為直觀了解教師講解的內(nèi)容與操作事項(xiàng)；在該媒體設(shè)備的支持下，教師同樣可以將某名學(xué)生的桌面屏幕信息共享至區(qū)域內(nèi)所有智能書桌的桌面顯示系統(tǒng)中，方便學(xué)生展開共同探討。

同時(shí)，在桌面顯示系統(tǒng)中，還能夠?qū)χ悄軙赖亩喾N運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀顯示，包括傾角數(shù)據(jù)、光照條件、與多媒體設(shè)備的連接狀態(tài)、智能書桌的桌面狀態(tài)等等，方便使用者隨時(shí)查看。整個(gè)桌面顯示過程中的主要流程步驟：對(duì)顯示屏進(jìn)行初始化處理；發(fā)出開機(jī)提示信息；進(jìn)行使用者所需數(shù)據(jù)信息的顯示；判斷設(shè)備是否保持為在線狀態(tài)，如判斷在線，則直接完成數(shù)據(jù)的更新處理，并返回顯示使用者所需數(shù)據(jù)信息的操作步驟；如判斷不在線，則直接跳轉(zhuǎn)至退出狀態(tài)。

4.2.4 紅外人體感應(yīng)模塊

個(gè)體在進(jìn)行學(xué)習(xí)與工作的過程中，注意力集中時(shí)間普遍維持在1 h 以內(nèi)，而對(duì)于未成年來說，注意力集中時(shí)間長度更短，一般會(huì)在20～30 min 內(nèi)實(shí)現(xiàn)注意力的高度集中。在一段時(shí)間的注意力集中學(xué)習(xí)與工作后，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行適當(dāng)放松，才能夠促使個(gè)體的精神得到有效調(diào)節(jié)，保證后續(xù)學(xué)習(xí)與工作成效。基于這樣的情況，在本次基于人體健康監(jiān)測的智能書桌的設(shè)計(jì)過程中，主要設(shè)定紅外人體感應(yīng)模塊，對(duì)個(gè)體的學(xué)習(xí)與工作時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測，一旦超出時(shí)間閾值則迅速發(fā)出聲光提示，提醒個(gè)體進(jìn)行放松，維護(hù)個(gè)體身體健康的同時(shí)，保證學(xué)習(xí)與工作效率。

本設(shè)計(jì)要設(shè)定40 min 為時(shí)間閾值，并利用紅外與計(jì)時(shí)器相結(jié)合的方式完成上述操作目標(biāo)。實(shí)踐中，主要選定E18-D80NK 紅外傳感器監(jiān)測個(gè)體（書桌使用者）的學(xué)習(xí)與工作時(shí)間。在紅外傳感器檢測到該書桌存在使用者后，自動(dòng)進(jìn)行后臺(tái)計(jì)時(shí)，在計(jì)時(shí)的時(shí)長達(dá)到40 min 后，自動(dòng)發(fā)出聲光提醒。這樣的計(jì)時(shí)方式能夠避工作與學(xué)習(xí)期間使用者短暫離開書桌但是計(jì)時(shí)器依舊運(yùn)作的問題，保證實(shí)現(xiàn)40 min 的有效工作與學(xué)習(xí)時(shí)間計(jì)時(shí)，強(qiáng)化該書桌的智能性，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體健康的更好保護(hù)。

4.2.5 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依托現(xiàn)有開發(fā)平臺(tái)代碼實(shí)施二次開發(fā)，并在操作系統(tǒng)的支持下完成對(duì)應(yīng)用任務(wù)的實(shí)時(shí)管理，實(shí)現(xiàn)桌面與屏幕升降、自適應(yīng)光照、數(shù)據(jù)上傳等功能。實(shí)踐中，在完成各個(gè)功能模塊的實(shí)際功能內(nèi)容分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架，并參考實(shí)際測試所得到的數(shù)據(jù)結(jié)果設(shè)定閾值。例如，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)光下降至50Lx 后提供光照更為合適，因此，將該數(shù)據(jù)設(shè)定為光照系統(tǒng)轉(zhuǎn)入開啟狀態(tài)的光照強(qiáng)度閾值。任務(wù)管理程序：對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘展開初始化處理；讀取賬號(hào)，判斷密碼是否成功，如不成功則要求在上位機(jī)輸入賬號(hào)密碼，轉(zhuǎn)入網(wǎng)絡(luò)連接；如判斷成功直接跳轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)連接；輸入設(shè)備初始化，判斷初始化是否成功，如不成功則發(fā)出警報(bào)并直接返回對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘展開初始化處理步驟，如成功則發(fā)出開機(jī)提示；監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，逐步判斷各單元在線狀態(tài)，若在線則讀取數(shù)據(jù)、處理濾波、輸出設(shè)備并自動(dòng)控制、顯示并上傳數(shù)據(jù)；如不在線則返回對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘展開初始化處理的步驟，并組織上述操作步驟的自動(dòng)化、重復(fù)性展開。

4.2.6 性能優(yōu)化方向

智能課桌的設(shè)計(jì)目標(biāo)主要在于方便使用人員按自身需求完成高度調(diào)節(jié)，并配置智能屏幕消除空間位置的差異性，同時(shí)保證光照、光強(qiáng)始終保持在合理閾值下。相比于傳統(tǒng)課桌，該課桌的智能化程度更為明顯，且滿足人體健康監(jiān)測需要。但是，該課桌也有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，筆者認(rèn)為，在后續(xù)的智能課桌設(shè)計(jì)可以在其中加設(shè)數(shù)字溫、濕度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境溫、濕度情況，并在溫濕度過高或是過低的條件下，向使用者自動(dòng)發(fā)出郵件警報(bào)與聲光警報(bào)，提示使用者現(xiàn)存環(huán)境不適合繼續(xù)學(xué)習(xí)或正常工作，持續(xù)強(qiáng)調(diào)智能課桌的智慧性。

5 結(jié)論

在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，將多媒體與課桌相結(jié)合；基于滑蓋式的方式推開桌面并顯示電子屏幕，并控制滑開的桌面通過兩邊軸結(jié)構(gòu)完成向下翻折，增加空間利用率；通過對(duì)課桌中的機(jī)器設(shè)置專門的管理軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)老師對(duì)全部機(jī)器的管理。在后續(xù)設(shè)計(jì)中，可以進(jìn)一步加設(shè)數(shù)字溫濕度傳感器、紅外人體感應(yīng)單元等功能模塊，促使書桌產(chǎn)品的智能程度大幅提升，發(fā)揮出對(duì)人體健康更為全面的監(jiān)測作用。