可在www.sciencedirect.com在线获取理论计算机科学电子笔记343（2019）89-101www.elsevier.com/locate/entcs用于支持基于物联网的节能学校建筑Georgios Mylonas，Christine Triantafyllis，DimitriosAmaxilatis1计算机技术研究所和出版社Patras，26504，希腊摘要增强现实（AR）技术的使用目前正在许多不同的应用领域中进行研究。在这项工作中，我们讨论了我们将AR整合到GAIA项目的教育课堂活动中的方式，旨在增强现有的工具，这些工具旨在改变学校的能源效率。 我们将来自内部传感基础设施的实时物联网数据一个学校建筑的集合，带有在平板电脑和智能手机上运行的AR软件，教育实验室活动旨在促进STEM背景下的能源意识。我们还利用该软件作为一种手段，以方便访问物联网数据和简化设备维护。 我们报告的设计以及我们实现的当前状态，描述我们目标应用程序上下文中的功能，同时也传达我们在该应用程序领域使用此类技术的经验关键词：增强现实，物联网，能源效率，教育，学校建筑，实验室活动，STEM。1介绍增强现实（AR）至少从20世纪90年代就已经存在，但直到最近才开始在广泛的市场可用性方面变得更加主流。在谷歌、微软和苹果等大型IT公司的支持下，增强现实作为一个领域正在稳步成熟，并越来越多地用于多种用例。除了专用硬件设备外，智能手机和平板电脑正在成为AR技术的主要推动者。支持AR的设备和软件工具的激增导致在多个应用领域创建了许多就教育部门而言，它是1电子邮件：mylonasg@cti.grhttps://doi.org/10.1016/j.entcs.2019.04.0121571-0661/© 2019作者。出版社：Elsevier B.V.这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。90G. Mylonas等人/理论计算机科学电子笔记343（2019）89AR有望在未来几年产生影响的领域。AR通常用于教育，作为补充现有教育活动的一种手段，主要是通过以交互方式提供额外信息。最近的研究[11]表明，在某些情况下，当在课堂上使用AR时，学生的学习表现和整体参与教育活动的积极效果与此同时，在教育领域，人们越来越有兴趣在课程的科学部分中加入可持续性意识和与能源有关的内容。提高年轻人的意识和改变他们的能源使用习惯被认为是实现可持续能源行为的关键。欧盟特别认为环境教育是促使人类行为走向可持续发展的最重要工具之一[9]，而教育建筑占欧盟非住宅建筑存量的17%（以平方米计）[8]。因此，有理由认为，教育界是我们社会中的重要部门之一，如果我们成功地教授可持续发展原则和负责任的消费行为，就可以在减少能源消耗方面产生相当大的影响。需要注意的另一个重要方面是，在许多情况下，这种行为变化可能导致节能，其效果与更强力的方法一样显著，例如，使用更节能的设备。考虑到这一点，学校能源效率倡议的一个关键目标是让学生意识到能源消耗是由个人行为的总和所决定的。在这种情况下，我们相信物联网技术可以支持这些举措，并立即反馈我们行动的影响，并自动执行节能政策。环境参数的实际测量的可用性绿色意识行动GAIA [2]是Horizon2020 EC资助的项目，正在开发一个物联网平台，该平台结合了传感，基于网络的工具和游戏化元素，以解决教育界的问题。其目的是提高对能源消耗和可持续性的认识，基于学生和教师生活和工作的学校建筑产生的真实传感器数据，同时也导致能源效率方面的行为改变。该项目正在不断扩大其软件阵容，以便在利用许多现有技术的同时，为能源效率提供更有力的理由。在这项工作中，我们将讨论使用增强现实来完成GAIA项目的课堂实验活动的基本原理。该活动利用物联网设备和传感器的实时数据，旨在帮助学生更深入地了解与学校建筑内的能源消耗和效率相关的一些概念。增强现实部分为这些活动提供了额外除了实验室专用部分外，它还可用于在任何时间点直接检查教室内的传感器数据，大大简化了对这些数据的访问，同时也有助于设备维护G. Mylonas等人/理论计算机科学电子笔记343（2019）8991我们的第一个实现是建立在Unity3D之上的，针对苹果的设备，即，iPad和iPhone。我们在这里讨论的第一次经验表明，这种方法在实践中相当有效我们的目标是在不久的将来，在几所学校的课程的实际讲座中，以更系统的方式在教室内使用该软件关于这项工作的结构，在第2节中，我们对相关工作进行了简要讨论，而在第3节中，我们提出了我们选择的用例和设计背后的合理性。第4节提供了一些关于我们实现的当前状态的细节，我们在第5节中结束2相关工作如今，增强现实是一个快速扩张的领域，正如来自谷歌、微软和苹果等公司的兴趣所展示的那样。谷歌发布了第一款面向大众市场的AR设备之一--谷歌眼镜，而微软则通过HoloLens对该领域进行了除了特定于硬件的实现之外，Apple还发布了ARKit，这是一个用于为其生态系统开发增强现实应用程序的框架。Google的ARCore是Android在这方面的相应实现。关于教育领域，微软还实现了一些关于使用HoloLens的建筑物中的能源效率的第一个原型应用。我们相信，我们的解决方案在未来可能会在HoloLens上使用，以改善最终用户体验;然而，它目前使用的是当今更为普遍的设备，如平板电脑和智能手机。在能源效率和可持续发展方面，大量研究项目和活动都集中在能源效率领域。BuildUp[1]是一个欧洲门户网站，以系统的方式介绍了节能建筑研究的最新进展我们的工作通过行为改变的棱镜看到能源意识，以实现学校建筑中更可持续的做法。还有一些过去的项目，如SEACS [5]，它制作了与可持续性和STEM相关的材料，将教育内容与物联网联系起来。 然而，很少有人尝试将现实世界的物联网数据与旨在长期行为改变的课程联系在一起，就像GAIA一样AR和能源效率的结合迄今为止主要应用于建筑检测和能耗建模。INSITERH2020项目[4]旨在利用AR进行建筑物内部的自我检查，部分侧重于能源性能，特别是预制构件。然而，尽管它使用传感器和相关硬件，但它非常专注于监测，不调查任何教育或行为变化相关方面。另一个展示了为建筑相关方面提供直观UI的兴趣的工作是[10]。它侧重于基于增强现实技术自动化建筑物基础设施和操作的建模方面，同时还讨论了与92G. Mylonas等人/理论计算机科学电子笔记343（2019）89早在2014年[14]，就有初步尝试将教室内的实验室活动与一些第一批可用的AR硬件系统相结合，在某些情况下与这里讨论的工作相似。[15]回顾了在特定于STEM的背景下将AR整合到教室中的最近和当前趋势，而[19]是另一种类似的尝试，旨在回顾AR的现状。[11]在更一般的背景下回顾了最近的趋势（即，不是STEM专用的），注意到在教室中使用AR有报告的好处，但也有缺点，以及目前可用平台的技术复杂性和可用性问题[20]是最近讨论利用AR/VR促进参与的工作的一个例子[18]是一个类似的例子，研究了AR与嵌入式学习方法的结合，报告了学生表现和学习动机的积极变化。所有这些作品似乎都同意增强现实在教育中有其地位，因为它可以提高学习成绩和提高学生参与度。然而，关于将增强现实引入课堂的最佳实践，仍然没有广泛的共识，因为它仍然是一个开放的研究问题。关于我们自己以前的工作，[17]提供了GAIA教育实验室套件及其活动的概述，[12]提供了GAIA软件生态系统基于云的在[13]中，我们利用Google Earth来可视化3D建筑表示中的传感器数据，遵循与本文所述工作类似的原则我们在这里的工作旨在将现实世界的物联网数据与AR相结合，以促进可持续发展意识，同时帮助学生了解STEM背景下建筑物内的能源消耗方面3在GAIA项目如前所述，GAIA利用部署在几所学校建筑内的物联网设备基础设施，持续监测环境参数和能源消耗，提供实时反馈。在图1中可以看到所部署的装置的示例。许多课堂活动利用这些设备的数据，例如GAIA教育实验室套件[17]。简而言之，该工具包旨在使用动手方法向学生传授基本的能源消耗方面的知识，在这种方法中，他们可以使用物联网组件和电子产品。根据该项目提供的指南，学生们检查了他们学校建筑的数据，并了解了消耗能源的特点，建筑在各种教室中的环境参数等。该套件包括已经组装的设备和商业物联网传感器和执行器，以允许学生完成有关能源和可持续性的课程和实验室教程在这样的任务中，学生创建一个特定参数的地图，例如，能源，绝缘，在他们自己的学校建筑。它还可以作为与项目互动的额外手段，进一步提高最终用户的参与度。实验包活动已在小学、初中和高中进行了测试G. Mylonas等人/理论计算机科学电子笔记343（2019）8993Fig. 1. GAIAS学校内设备阵容的样本照片：a）基于Arduino的教室物联网节点，b）基于Raspberry Pi的教室物联网节点，c）教室内的物联网节点，d）安装在配电板上的电表。正如[17]中所讨论的那样，到目前为止，学生和教师都对该课程持积极态度。关于活动的总体组织和提供的材料，联合会准备了一系列实验室活动，涵盖学校建筑物内的能源消耗和效率方面。所涉专题清单如下：• “Energy consumption in our• “Lighting inside school• “Heating inside school• “Temperature, Humidity and Thermal• “Devices and Energy• “Energy例如，在温度、湿度和热舒适性活动中，学生将简要介绍活动的目的，并指导如何使用导电墨水为实验室绘制“电路”，他们学校的平面图。然后，他们被指示使用2色LED、按钮和LCD屏幕组装一个小型电子电路，并将组件放置在教室地图中预定义的一组教室上。组装电路后，学生们启动Raspberry Pis，并开始研究Python代码。它们执行一系列可用的Python脚本，连接到GAIA云基础设施以获取实时数据。然后，他们通过一系列的“练习”，在那里他们看到他们的教室内的温度和湿度，这是可视化的LED电路（例如，温度高于25度时为红色）和LCD屏幕。由于之前的结果表明，AR可以对学生的学习表现和整体参与产生积极的影响，我们希望将AR功能整合到实验室活动的工作流程中也可以增强实验室套件方面。关于将这种增强现实功能添加到GAIA活动中，目的是作为这些简单实验室工具包活动的伴侣，还可以简化物联网设备的监控和维护，我们将在以下段落中进行解释。此外，我们的意图是不掩盖活动的实践部分，而是支持它们;通过添加AR视觉元素，我们希望澄清活动工作流程的某些部分AR方面还可以94G. Mylonas等人/理论计算机科学电子笔记343（2019）89图二.来自教育实验室套件和AR工具的示例照片：a）小学校园地图上组装的GAIA保证与能量相关的信息的某些部分可供学生使用，而不管潜在的故障，例如，这是由于实验室电路中的不良电连接等。重要的是要注意，在这项工作中提出的功能是一种手段，展示一个原型版本的设想系统。因此，实施处于初步阶段;我们主要想展示结合本工作中讨论的不同元素的机会。系统的未来修订版将提供更丰富的功能集，以更系统的方式进行测试，即，长时间，以及更接近现实世界的日常设置的教育环境。3.1实验室工具包活动指南由于实验套件活动是在硬件上实现的，因此允许有限的可视化机会，AR工具旨在提供额外的选项，以提供更多的细节并以吸引人的方式呈现它们。我们在活动中添加了一个3D建筑覆盖图，以便这提供了可视化传感器数据或突出显示感兴趣或活动区域的额外可能性此外，这是补充与动态图表显示在3D在现实世界中使用的每个教室的表面这种图形以比实验套件组件更好的粒度呈现信息，并且还允许即时可视化作为后备解决方案，以防学生组装的实际我们使用QR标签作为AR叠加的实际放置的“锚点”，因为我们已经使用预制的纸质表面进行活动，或者打印地图。这有助于我们从技术/实现的角度放置覆盖，以及以更合理的方式组织整体活动就3D建筑物模型而言，我们使用Sketchup制作3D模型文件，然后由软件导入并显示于终端用户的平板电脑╱智能手机屏幕对于实验活动，我们使用QR标签来确定G. Mylonas等人/理论计算机科学电子笔记343（2019）8995信息的可视化这也有助于利用学生进行教育活动的物理空间中的例如，在用于活动的板上，如果有一个白色矩形（可以是黑色背景上的A4纸），我们可以使用此空间以2D形式显示一些测量结果，而不是例如，作为3D条描绘了能量消耗。我们将在不久的将来研究的另一个方向是通过移动某些对象或通过模糊专用于活动的表面的某个部分来指示可视化模式的变化来操纵当前可视化 例如，我们可以有3种能量、温度和湿度的可视化模式;通过隐藏其中2个选项并用相机指向第三个选项，我们可以更改模式并在相应的选项上绘制一个2D绿色箭头以指示当前的可视化模式。我们还可以利用AR来简化实验室活动的完成，因为，如前所述，这些活动针对不同年龄和教育背景的学生。我们可以假设，在许多情况下，这些特征将导致完成的时间比预期的要长，因此，最终可能会导致低于标准的教育经历。此外，我们的目标是使活动以独立的方式容易完成，即，理想情况下，不需要项目代表的在场和监督/支持，或者不需要系统内部工作的详细知识。在这种情况下，AR可以提供具有用于电路的部件的视觉引导的功能，例如，在我们的例子中，在实验活动中，我们要使用导电墨水连接的点周围显示正方形，或者印刷在纸上的电路的最重要部分。图4和图5展示了上述应用程序的某些方面，在一个示例的地图上。此外，由于接口选项的数量有限，我们可以利用AR来允许某种形式的“诊断”模式，检查电路的某些部分的正确功能，或者与特定云服务的网络通信是否可用，等等。这是一个经常被忽略的部分，但是，重要的是要记住，因为很多时候，学校用于投资于本报告所述教育活动的时间有限。因为每一分钟都是宝贵的，所以有一个快速的“调试”方法并指出活动没有按计划进行的一些原因是很重要的3.2数据查看器和维护工具GAIA AR工具的第二个作用是允许与其他GAIA活动相关的功能，例如实时监控环境参数和简化设备维护。一方面，安装在教室内的物联网设备没有任何视觉反馈，除了几个LED显示设备已通电，并且它们具有到建筑物网络网关的活动网络链接。因此，教师或学生需要进入该项目的门户网站查看实时读数，这可能需要几个步骤：首先登录，然后选择学校，然后选择特定教室，最后选择传感器。96G. Mylonas等人/理论计算机科学电子笔记343（2019）89而不是这个有几个步骤的过程，我们可以将AR插入到整个工作流程中，并将其简化到任何人都可以使用，即，除了技术层面的资料外，教师和学生亦可使用。与上述活动类似通过简单地用手机或平板电脑指向设备，应用程序可以识别特定的物联网设备，并利用AR以视觉上有趣的方式显示相关数据。图7示出了在安装在教室内的IoT设备前面此外，它还简化了维护：AR工具充当有关特定设备的“手动”叠加信息，例如指示设备上的传感器特定位置。换句话说，我们可以有一个AR图例，指示每个设备上存在什么组件以及在哪里，例如，热敏电阻位于右下角，依此类推。同样，AR可视化基于特定QR标签的位置。应该指出的是，并非所有GAIA项目基础设施的校舍内设备都具有相同的传感器组件。这是因为设备部署是在不同的阶段进行的，在这些阶段，某个组件不可用，或者决定更换另一个类似的组件以获得更好的性能等。此外，对于教室中的设备，我们可以显示简单的信息，例如设备名称，在学校建筑物中的位置，网络连接是否可用于Internet，如果不可用，设备最后一次连接到网络是什么时候，或该设备中的特定传感器进行的最后测量。图6显示了在正确检测到IoT设备并突出显示其组件后，IoT设备上述功能可以大大简化基础设施的监控和维护。这样，一方面，教育工作者有一个工具，可以自己进行现场检查，并采取措施纠正或确定基础设施设备故障的原因。另一方面，GAIA项目的技术人员可以通过避免不必要的现场访问来检查设备的运行，或者事先确切知道潜在故障可能发生的位置，从而节省时间和时间4系统实施-讨论关于我们实现的细节，我们的工具基于Unity3D我们的目标是平板电脑和智能手机，因为基本上所有其他类型的AR设备在今天的教室里几乎不存在。该工具目前在iOS设备上实现和测试，没有直接使用Apple的ARKit，而是使用Unity提供的抽象。这种实现方式可能允许未来与Android和Windows设备兼容。我们还利用ZXing[7]进行QR码扫描，这是一个用Java实现的开源多格式1D/2D条形码图像处理库，具有其他语言的端口。这两种技术在今天的AR开发者社区中非常流行。总的来说，我们实现的源代码可以通过GAIAG. Mylonas等人/理论计算机科学电子笔记343（2019）8997图3.第三章。GAIA AR工具的整体架构项目库[3]。图3呈现了系统的当前架构的概览。如上所述，我们分别使用Unity3D和Zing库进行AR和QR码扫描。出于开发目的，我们使用了运行iOS 11的iPad Pro 10.5和iPhone SE、7和X设备。该应用程序利用设备基于ZXing的扫描仪识别，例如，哪个是我们用手机指向的物联网设备，或者哪个是用户所在的教室。节点服务器与GAIA云服务进行通信，以使用MQTT通道根据扫描仪返回的ID获取有关特定设备和传感器的信息。MQTT[16]遵循发布/订阅逻辑，其中代理/服务器提供学校建筑中特定教室内的温度值就是GAIA中的一个通道。如果设备知道要订阅的通道并具有相应的凭据，则它开始实时获取新传感器值的更新。使用这些数据，应用程序可以在AR中覆盖实验室工具箱表面或放置在教室墙壁上的物联网设备上的任何类型的信息该应用程序可以与GAIA云服务进行通信，以检索有关学校建筑能耗和环境传感器值的数据，但它也可以直接与用于实验室套件活动的Raspberry Pi设备进行通信（必须在同一WiFi网络中）。建立联系）。与这样的设备的直接通信允许诸如直接操纵传感器值（例如，改变光传感器输入），以及对IoT设备的可视化能力的控制（例如，更改LED的状态或在LCD屏幕上显示消息）。这种直接通信也通过MQTT处理我们现在简要讨论扫描QR标签、识别物联网组件、联系云服务然后返回相关数据所需的时间关于应用程序正确识别QR码所花费的总时间，例如，当指向智能手机识别安装在教室内的物联网设备时，我们的数据表明，iPad Pro平均需要0. 九秒。QR码检索到的数据然后用于联系云服务98G. Mylonas等人/理论计算机科学电子笔记343（2019）89见图4。AR应用程序作为实验套件活动的伴侣的方面：在实验套件练习期间使用学校建筑的打印地图。 需要填充导电材料的通道图部分墨水用蓝色方块勾勒出来，同时还使用了给出一些简单说明的图例。 上的箭头屏幕的左侧和右侧用于在练习的不同部分之间导航订阅MQTT代理以接收有关特定物联网设备或传感器的信息。平均而言，这部分工作的成本是0。在接收包含此设备生成的最后传感器值的更新之前74秒。因此，在识别物联网设备、联系相应的服务然后产生结果的总体方面，应用程序需要大约1.5到2秒。这在交互性方面可以被表征为非常合理的，还考虑到对传感器值的后续更新由云部分发布并且由应用自动接收（即，延迟可以忽略不计实际上，就设备与标签的距离而言，QR标签扫描在0. 距离QR标签/设备5至1米。根据经验，在这些限制范围内，并且有足够的光线照亮教室区域，我们正确识别设备的成功率约为80%。一般来说，系统需要良好的照明才能正常工作，否则应用程序会误解现实世界的表面，或者在某些情况下，可以识别同一个QR标签两次，并将其解释为2个单独的标签（这可能导致现实世界的表面识别问题）。我们还选择让应用程序的摄像头视图自动对焦;用户只需将设备指向实验室套件区域或物联网设备。这一战略在目前的执行情况下相当有效。我们计划在系统实现的下一个迭代中G. Mylonas等人/理论计算机科学电子笔记343（2019）8999图五. AR应用程序作为实验室工具包活动的伴侣：在这张图片中，如果我们移动使用的平板电脑右侧的地图，一个图表描绘了一些传感器读数也显示。见图6。 AR应用程序作为数据查看器和维护工具的视图。 传感器的位置该特定设备是预先已知的;传感器由彩色方块突出显示，同时显示图例以识别每个传感器类型。5结论-今后的工作在这项工作中，我们提出了一个使用增强现实来支持教育课堂活动的系统，这是GAIA项目生态系统的一部分，旨在提高学校建筑的能源效率。它的目标是在课堂上使用物联网设备进行教育活动时提供额外的权限，同时作为传感器基础设施的监控和维护工具。到目前为止，第一批结果是有希望的，目前的实施情况有些令人失望。100G. Mylonas等人/理论计算机科学电子笔记343（2019）89图第七章第三人称视图照片使用AR工具在实践中以可靠的方式实现基本功能。 然而，由于是软件的第一次迭代，我们希望进行大量的更改和添加，以提供一个更可用和有用的系统。我们在这里的主要目的是讨论在教育环境中将现实世界的物联网数据与AR相结合的各个方面从这个意义上说，我们已经讨论了一些我们还认为，由于智能手机和平板电脑这些天或多或少无处不在，再加上我们参观过的大多数学校建筑都提供WiFi网络，这是一个非常好的工作基础，以便为STEM教育活动提供廉价而有用的我们在这些活动上的工作，围绕着能源效率，似乎是AR集成的一个很好的匹配关于我们未来的工作，我们计划继续进一步开发这一系统，并在不久的将来在实际教育活动中评估其在课堂上的使用。我们认为，这是一个很好的展示，展示了物联网产生的数据在学校建筑物内的多种潜在用途，利用学校内部已经可用的技术（即，平板电脑和智能手机）。我们还认为，引入像这里描述的终端用户界面是一种让学生参与教育活动的方式确认这项工作得到了欧盟委员会和EASME的支持，编号为H2020-EE-2015-2-RIA，合同号为696029。本文件仅代表作者的观点，EC和EASME不对其中所含信息的任何使用负责。G. Mylonas等人/理论计算机科学电子笔记343（2019）89101引用[1] 欧洲建筑物能源效率门户网站，http://www.buildup.eu（2018年8月31日[2] GAIA项目，http://gaia-project.eu，（2018年8月31日访问）。[3] GAIA项目存储库，https://github.com/GAIA-project，（2018年8月31日[4] INSITERh 2020项目，使用增强现实的直观自检技术，用于由预制构件制成的节能建筑的建造，翻新和维护，https：//www.insiter-project.eu/（2018年8月31日[5] 共同应对能源挑战工具包社区，地方当局和学校关于如何提高对可持续能源问题的认识或建设能力的工具包，http://en.seacs.eu，（2018年8月31日访问）。[6] UnityforMobileAR，https://unity.com/solutions/mobile-ar（2018年8月31日访问）。[7] ZXing Java条码扫描库，Android Unity for Mobile AR，https://github.com/zxing/zxing，（2018年8月31日访问）。[8] 建 筑 物 的 能 源 使 用 ， 技 术 报 告 ， 欧 洲 联 盟 统 计 局 （ 欧 统 局 ） （ 2011 年 ） ， 数 据 摘 自http://epp.eurostat.ec.europa.eu。[9] 《2012年欧洲教育关键数据》， 技术报告，教育、 视听和文化执行局（EACEA P9 Eurydice ，EUROSTAT）（2012年），iSBN 978-92-9201-242-7。[10] Aftab，M.，S. C.- K. Chau和M. 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