近年来，近视俨然成为“国病”。伴随着近视人口的增加，还有一个更严峻的问题：近视的高发呈现低龄化趋势。高中生和大学生的近视率均已超过七成并逐年上升，小学生的近视率也接近40%。国家卫生健康委等6部门联合发文，明确表示近视是一种不可逆的变化，也就是说近视——不可治愈。我国大中小学生近视率如图1所示。
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图1 我国大中小学生近视率
2018年8月31日教育部等八部门制定《综合防控儿童青少年近视实施方案》，方案确定了一系列防控近视工作，其中有对教室的光环境做了明确要求：
1、方案要求学校改善视觉环境，学校教室照明卫生标准达标率应达到100%，学校要权威机构证明教室照明达标。
2、教育部每年对校外培训机构教室采光照明、课桌椅配备、电子产品等达标情况开展全覆盖专项检查。
3、国家卫生健康委每年会同相关部门按照采光和照明国家有关标准要求，对学校、托幼机构和校外培训机构教室进行抽检、记录并公布。
目前教室照明现状
当前学校教室的现状大致归纳如下：
1、以前，教室照明绝大多数采用传统荧光灯，且随着时间推移，教室照明普遍达不到国标GB50099-2011《中小学校设计规范》的照明卫生标准，甚至教室内很多区域的照度不到100LUX，遇到阴雨天照度更低，严重影响照明环境，导致视疲劳，而视疲劳是近视的直接诱因。
2、教室照度不均匀，主要有两方面原因造成，一是随着灯具的老化，各单灯照度参差不齐。二是白天自然光对教室的影响从窗一侧开始逐步减弱，靠墙一侧自然光线较暗。这一点，也是我们常说的学生要定期调换座位的原因之一。教育需要公平。我们在调查的过程当中，就遇到过一些家长的反馈，说自己的孩子的座位那里太暗，别的孩子那里就很亮，也因此会带来一些家长与学校的矛盾。
3、教室照明灯具及电子设备的管理及维护大多数采用传统人为排查的方式，效率较低，效果较差，且耗费人力。有的学校管理员给我们反映，以前是放学后统一拉闸断电，后面随着信息化的普及，很多教室内的设备无法简单的拉闸断电，他们就得一个教室一个教室的去检查，非常耗时间。
4、针对黑板的照明及照度较难把握，太暗影响视线，太亮容易反光，需要控制在最为恰当的照度和角度。尤其是当室外阳光充足的时候，黑板灯再开启，反光就比较严重，影响教学质量。
5、很多教室为了节能，充分利用自然光，导致经常在需要开灯的时候，灯光无人开启。我们在走访一些学校的时候遇到过这样的情况，校舍本身是比较明亮的，晴天的时候室内不需要开灯，但是到了傍晚，老师上课比较投入，光线变暗了也还没有察觉，但是这时候学生就受到影响了，这种情况在冬天更为明显。
6、学校和有关教育机构很少及时了解教室光环境是否达标，定期普查耗费大量的人力物力财力。这一点也是很多教育系统的领导比较思虑的，如果定期的请第三方做监测费用较高，有部分学校专门购买了照度测试仪，但是市面上的仪器质量参差不齐，再加上专业度不够，效果不理想。
7、现有大部分教室灯光布线多为传统回路控制。部分场景：如在投影情况下，荧幕附近的照明需要关闭，以便取更好的显示效果，而学生仍然需要照明看书或做笔记，这样的情况传统照明很难应对。
物联网智慧教室光环境管理系统
若要把用作防控近视的护眼照明做到细致、高效、实用，必须解决以上所述的问题，经过大量的案例论证，在教室光环境中，仅仅将原来的荧光灯简单的更换为护眼灯具是远远不够的。最为有效的解决方法是借助物联网，引入物联网智慧教室光环境管理系统（图2）。
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图2:物联网智慧教室光环境管理系统框图
物联网智慧教室光环境管理系统优点：
1、可以解决以上问题，但需要将传统教室光环境进行智能化改造。考虑到施工周期和经济效益，充分利用原有线路进行改造，控制部分采用物联网无线的方式是最为有效的。
2、物联网无线控制，尤其是zigbee在智能家居、智能酒店客控系统中的应用，经过十几年的应用验证，已经非常成熟稳定，完全可以应用到系统更为简单的教室光环境中。我们调查的数据中：zigbee系统在室内场景的应用已投放百万级套件，且三年内故障率小于万分之一。
3、后续扩展性非常好，各类新型传感器的应用可以自由接入系统，不会造成资源浪费。比如人体传感器、空气质量监测、坐姿矫正等设备再接入系统就无需再次铺设改造，只需要安装单个设备即可融入系统平台。
4、有效的与学校原有的信息化系统有机结合。结合大数据的应用，有效的在教室环境中形成应用闭环系统。
物联网智慧教室光环境管理系统解决方案
1、配置物联网智能网关
作为教室内设备的控制中枢系统，写入本地控制逻辑。相关终端节点的设备，比如灯、传感器等的数据是通过zigbee上联到网关的，控制命令也是通过网关下发到各个节点。这样就保证了在没有网络的情况下，本地也能够保持有效控制。而且可将教室内物联网系统设备数据通过以太网与云端相连，实现远程监测和控制。
2、智能调光驱动嵌入物联网系统
一是将传统护眼灯变为可调光灯具，且0-100%无极线性调光，保证了调光舒适度，也奠定了智能化场景调光的基础。通俗点讲就是把原来简单的灯光开关变得更人性化，需要暗的时候暗，需要亮的时候可以亮，而且能够平滑的调节到任意亮度。
二是将灯具的维护数据，如电流、电压等数据上传至网关，进而到云端，以便集中管控和维护。
三是系统联动可自动对光衰进行亮度补偿，根据灯具选用灯珠的光衰曲线，通过算法调节，保持五年内灯具没有明显光衰。
四是更精细化可单独调节每一盏灯的亮度，以适用不同的场景，比如靠窗与靠墙的区域自然光照度是不一样的，这就需要靠墙区域的灯更亮一点。
3、在教室内或每盏护眼灯上安装恒照度传感器
可以通过这个传感器采集实时的教室内的光照度数据，数据通过网关上传到云端，及时的了解光环境是否达标。为后续平台的自动调整做好基础。后台可以通过算法，使得室内的教室灯随着外界光环境的变化而改变照明功率。例如：教室外阳光充足，系统检测桌面照度达到标准要求，系统自动调暗灯光直至关闭，反之如遇阴雨天或随着夕阳西下，系统自动调亮灯光直至全亮。可以精细化解决照度不均匀的问题，靠墙的区域，系统检测的室外照度要比临窗的照度低，因此靠墙的区域灯具亮度适当自动调高。
4、原有回路接入物联网计量模组，为系统平台提供能耗数据，后台能清楚的了解每一间教的
能耗情况。
5、讲台上嵌入智能场景控制面板
一是方便设置不同的应用场景，如晴天、阴雨天、自习、投影等，由原来的开关灯变成了不同场景的应用。
二是在非自动模式下，及时的给老师提醒去切换场景，尤其是突然阴天或者傍晚来临。此外，晴天的情况，如果室外照度已经很高的情况下，黑板灯开启容易造成黑板由于照度过高导致反光，此时需要提升老师关闭黑板灯。
6、有条件的教室接入电动窗帘
能配合室内照明的场景，需要时可以根据场景要求自动关闭或打开窗帘，比如投影模式下，窗帘自动关闭。
7、可拓展空气质量监测到物联网系统
一是有效的监测室内的甲醛、PM2.5、二氧化碳等气体浓度。
二是根据系统设定阈值，尤其是二氧化碳浓度过高（容易引起瞌睡，注意力不集中）时，自动开启新风系统或空调，或者给讲台上的老师提醒，开窗通风。
8、所有数据接入云端，形成平台
一是做到数据可视化，便于检查、监督、管理。学校和家长能够了解班级的光环境情况，教育局可以了解管辖学校的实时情况。
二是有利于系统应用的闭环中不断的有积极的产品融入其中，尤其是在防控近视的工作中，可以想象的是平台能够融合监控户外活动时间、坐姿（一拳、一尺、一寸）、视力筛查等，这些都需要有一个平台支撑。
小结
物联网在教室光环境管理的应用上的特点是营造智能化教室的恒光源照明。利尔达物联网技术赋能以照明器具为主，树立“光环境管理专家”，以恒照度光感传感器+恒照度灯具组成智慧系统，对教室光环境数据自动监测、自动调控，提高教室光照度随环境亮度变化而自动调整。从而实现了恒照度智慧教室光环境。
论文作者:谭业鹏
论文发表刊物:《科学与技术》2019年18期
论文发表时间:2020/4/28
标签：教室论文; 照度论文; 近视论文; 环境论文; 系统论文; 调光论文; 学校论文; 《科学与技术》2019年18期论文;