基于邊云協同的智能吸塵式黑板擦設計分析與應用探討

方世紀

（上海師范大學，上海 200000）

1 基于邊云協同的智能吸塵式黑板擦設計分析

1.1 設計原理

1.1.1 邊云協同

邊云協同指的是實現邊緣計算[1]和云計算[2]的協同聯動，共同釋放數據價值。目前，邊云協同的發展仍處于初期階段，其發展方向主要有于九大應用場景。但是，該技術并沒有應用于教學設備領域，通過邊緣計算在云端提供更接近數據源的計算來減少處理中的延遲，并與云端計算相結合實現邊云協同，從而創造出安全，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據源的計算來減少處理中的延遲，并與云端計算相結合實現邊云協同，這是本文研究的一個出發點。

1.1.2 推薦系統

推薦系統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，推薦系統在其中發揮著重要的作用。設計與開發用于接收用戶反饋的APP，利用推薦系統技術彌補未參加評價用戶的數據缺失，再根據反饋信息進行后續對黑板擦映射關系的修正，使智能黑板擦性能的優化升級更加合理化。

1.2 設計方案

調查發現，盡管近十年來在新型黑板擦的設計和優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，且運行不穩定，吸塵收效甚微。

對此，本文提出了以下設計方案：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據傳送至云端，通過云平臺處理數據，在擦拭速度—吸塵速度映射關系建立成功的基礎上，建立合適的數學模型，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速，達到擦拭速度和節能省電的最優平衡，實現智能節電的效果。

另一方面，在已有的吸塵式黑板擦結構基礎上，選擇合適的機械結構和吸塵裝置，保證吸塵式黑板擦運行時的穩定。同時設計與開發用于接收用戶反饋的APP，利用推薦系統技術彌補未參加評價用戶的數據缺失，再根據反饋信息進行后續對黑板擦映射關系的修正。

1.2.1 總體結構設計

總體結構設計如圖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，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。

基于邊云協同的智能吸塵式黑板擦主要由黑板擦，邊云協同裝置，集塵箱三大構件組成。

1.2.2 黑板擦設計

黑板擦由開關（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（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，方便環保。

圖1 總體結構設計

圖2 總體結構設計

1.2.4 邊云協同裝置設計

邊云協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硬件電路將傳感器信號放大與調理，以適合A/D轉換器的輸入范圍，能夠把模擬量轉化為數字量。在邊緣節點上進一步計算出相對速度，并利用無線模塊將數據傳送至云平臺。憑借云平臺上的數據處理，在擦拭速度—吸塵速度映射表關系的基礎上，精確計算出與擦拭速度相匹配的吸塵速度，并下傳邊緣節點處。經過計算與設置，使節點輸出不同占空比的PWM波，以此控制微型吸塵機（18）的轉速，以達到節能省電的效果。

1.2.5 細節設計

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）為桶式自旋轉濾網過濾器，電源（6）接通后可自動旋轉并儲存塵埃于集塵箱（16）內，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 邊云協同裝置

2 基于邊云協同的智能吸塵式黑板擦應用探討

在應用過程中，基于邊云協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電的最優平衡；配套APP及時接收用戶反饋，再利用推薦系統技術彌補未參加評價用戶數據的缺失，使智能黑板擦性能的優化升級更加合理化，極大地提高了智能黑板擦擦拭效率，對實際教學過程具有深遠意義。

據統計，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%。隨著教育事業的不斷發展，智能吸塵式黑板擦在教育行業有很好的發展前景。有數據初步統計，對于智能吸塵式黑板擦的市場需求，學校市場潛在銷量超1 000萬，再加上家庭和辦公等場所的需求，市場潛力巨大。