賀云超 郭麗

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院， 北京 100083

基于紅外傳感器的多功能教室狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

賀云超 郭麗

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院， 北京 100083

近年來(lái)，由于高校擴(kuò)招，高校人數(shù)不斷增加，自習(xí)室成了各學(xué)校緊缺的資源，學(xué)生往往浪費(fèi)大量時(shí)間尋找自習(xí)室，基于以上原因，我們將設(shè)計(jì)基于紅外傳感器的多功能教室狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)教室狀態(tài)（上課態(tài)或自習(xí)態(tài)）的智能、動(dòng)態(tài)顯示，從而更有利于自習(xí)室資源的合理分配與利用，有效緩解自習(xí)室座位緊張的問(wèn)題，為同學(xué)提供一個(gè)更加方便、更加人性化的自習(xí)條件。

紅外傳感器；51單片機(jī)；LCD液晶顯示；Altium Designer

引言

隨著近年來(lái)高校人數(shù)不斷增加，教室已成為一種非常緊缺的資源。此類問(wèn)題主要有以下三方面表現(xiàn)：一、學(xué)生不清楚自習(xí)室是否被占用，即不知道教室是否有課，從而花費(fèi)大量時(shí)間卻未能找到可以上自習(xí)的教室。二、自習(xí)室人數(shù)分布不均，一些自習(xí)室人滿為患而另一些自習(xí)室卻幾乎無(wú)人自習(xí)。三、教室占用情況會(huì)出現(xiàn)臨時(shí)的調(diào)整與改變，即原本以為沒(méi)課的教室會(huì)出現(xiàn)突然有課的情況。以上三種情況使學(xué)生無(wú)法獲得一個(gè)良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，進(jìn)而嚴(yán)重影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情與學(xué)習(xí)效率，從而使學(xué)校整體的教學(xué)質(zhì)量無(wú)法得到必要的保障。為實(shí)現(xiàn)自習(xí)室的合理有效利用，本課題將設(shè)計(jì)一個(gè)基于紅外傳感器的多功能教室狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)教室狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 總體構(gòu)架

本方案采用模塊化設(shè)計(jì)思想，為確保數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，采用橫向4組縱向3組紅外探測(cè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)RS-232接口后,由單片機(jī)進(jìn)行控制和分析，實(shí)現(xiàn)教室人數(shù)，教室狀態(tài)的LCD顯示，以及指示燈與蜂鳴器的報(bào)警提示功能。

系統(tǒng)采用3.7V鋰電池供電，整個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊采用反射型紅外傳感器,控制處理的單片機(jī)采用的是P89V51單片機(jī)，此單片機(jī)成本低,穩(wěn)定性好,對(duì)于本設(shè)計(jì)方案已能滿足要求。整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性好、設(shè)計(jì)靈活、方便，而且成本不高，也適合于在比較惡劣的環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)量。制作出的成品能夠?qū)崿F(xiàn)教室人數(shù)，教室狀態(tài)的LCD顯示，以及指示燈與蜂鳴器的報(bào)警提示等功能。

本設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程分為以下幾個(gè)主要的步驟：

1）基于Altium Designer的紅外傳感器的多功能教室狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)電路原理圖的繪制及制作；

2）基于P89V51的單片機(jī)軟件編程；

3）系統(tǒng)整體調(diào)試和修改。

2 系統(tǒng)軟硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體框架

整個(gè)系統(tǒng)的硬件部分分為：①反射型紅外傳感器模塊，主要進(jìn)行紅外信號(hào)的發(fā)射與接收，并通過(guò)轉(zhuǎn)換電路將接收到的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換為低電平；②P89V51單片機(jī)模塊，是該系統(tǒng)的主控部分，主要用于數(shù)據(jù)的處理，包括計(jì)數(shù)部分，中斷部分和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分；③LCD狀態(tài)轉(zhuǎn)換顯示模塊，主要用于教室人數(shù)以及教室狀態(tài)的顯示；④聲音模塊，主要用于在教室人滿或者臨時(shí)有課時(shí)進(jìn)行蜂鳴提示；⑤電源模塊，是系統(tǒng)的供電部分；⑥上位機(jī)模塊，主要用于多教室顯示系統(tǒng)，通過(guò)總線將教室使用信息傳至上位機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行集中統(tǒng)一顯示。軟件編程用C語(yǔ)言在Silicon Laboratories IDE編輯器中實(shí)現(xiàn)，軟件程序主要包括以下幾部分：①主程序；②傳感器程序；③顯示模塊控制程序。系統(tǒng)整體框圖如下：

圖1 系統(tǒng)整體框圖

經(jīng)硬件模塊和軟件模塊的結(jié)合，整個(gè)系統(tǒng)可以完成一定范圍內(nèi)的教室人數(shù)采集，并能正確地顯示教室人數(shù)與教室狀態(tài)的功能，多教室顯示系統(tǒng)通過(guò)總線將教室使用信息傳至上位機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行集中統(tǒng)一顯示。

2.2 系統(tǒng)硬件電路

圖2 系統(tǒng)主要硬件電路圖

硬件電路主要包含：①紅外信號(hào)輸入部分，②按鍵中斷部分，③報(bào)警提示部分，④LCD液晶顯示部分，⑤單片機(jī)主控部分等。各部分具體功能如下：

①紅外信號(hào)輸入部分：紅外信號(hào)輸入部分使用橫向4組（門外S1，S2；門內(nèi)S3，S4）和縱向3組（門頂S5，S6，S7）紅外探測(cè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，紅外傳感器處于工作狀態(tài)之下時(shí)，自動(dòng)檢測(cè)紅外信號(hào)，信號(hào)通過(guò)RS-232接口傳入P89V51單片機(jī)進(jìn)行處理，完成教室人數(shù)的增減。具體實(shí)現(xiàn)方法：通過(guò)S2或S3接入單片機(jī)P3.2（INT0口）引起中斷，緊接著判斷S1和S4的狀態(tài)，進(jìn)而得出人通過(guò)教室門口的走向，確定人的進(jìn)出，計(jì)數(shù)器相應(yīng)進(jìn)行加減計(jì)數(shù)，得出橫向經(jīng)過(guò)教室門口的排數(shù)m；通過(guò)縱向3組傳感器，測(cè)出同時(shí)經(jīng)過(guò)教室門口的列數(shù)n；則通過(guò)教室門口的人數(shù)num就等于m*n。

圖3

②按鍵中斷部分：包括按鍵及指示燈，用于輸入外部中斷信號(hào)及顯示狀態(tài)改變。當(dāng)教室臨時(shí)有課時(shí)，老師可以通過(guò)按鍵引起INT1中斷，則顯示器顯示教室使用狀態(tài)為有課狀態(tài)（Y），教室人數(shù)同時(shí)也進(jìn)行顯示，此時(shí)老師可以通過(guò)查看教室人數(shù)確定當(dāng)堂課該班級(jí)的出勤率。

③報(bào)警提示部分：主要由發(fā)光二極管顯示部分和蜂鳴器報(bào)警部分組成，當(dāng)教室人滿時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示。

④LCD液晶顯示部分：該部分主要是顯示教室使用信息。

⑤單片機(jī)主控部分：主要包括P89V51單片機(jī)及晶振電路、復(fù)位電路、電源，指示燈，用于保證單片機(jī)正常工作。

各部分通信模塊之間通過(guò)RS-232接口實(shí)現(xiàn)程序的下載以及與P89V51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。最終各教室單元通過(guò)數(shù)據(jù)總線將該教室狀態(tài)與教室人數(shù)傳至上位機(jī)，并由上位機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一分析處理，進(jìn)而將數(shù)據(jù)通過(guò)電子大屏幕進(jìn)行統(tǒng)一化顯示。

2.3 系統(tǒng)軟件框圖

圖4 人數(shù)統(tǒng)計(jì)部分軟件流程圖

軟件部分基于單片機(jī)計(jì)數(shù)程序的編寫及測(cè)試。首先繪制出基本的程序執(zhí)行流程，用C語(yǔ)言編寫程序代碼。然后繪制人數(shù)統(tǒng)計(jì)部分原理圖，運(yùn)行程序代碼進(jìn)行軟件的仿真測(cè)試，根據(jù)仿真結(jié)果改進(jìn)原理圖與程序代碼。

3 系統(tǒng)功能

統(tǒng)計(jì)教室人數(shù)及顯示教室狀態(tài)：該系統(tǒng)通過(guò)紅外感應(yīng)裝置能準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)每個(gè)教室的人數(shù)，人走進(jìn)教室則計(jì)數(shù)器自動(dòng)增加，反之減少，多人同時(shí)進(jìn)出教室時(shí)，通過(guò)豎直方向與水平方向的紅外感應(yīng)傳感器來(lái)共同解決。在各教室獨(dú)立顯示面板上能顯示出該教室當(dāng)天不同時(shí)間段的使用情況，包括“有課”狀態(tài)“自習(xí)”狀態(tài)和教室人數(shù)等，教室人滿時(shí)進(jìn)行亮燈以及蜂鳴提示，多教室顯示系統(tǒng)通過(guò)總線將教室使用信息傳至上位機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行集中統(tǒng)一顯示，學(xué)生通過(guò)統(tǒng)一的大屏幕，可以一目了然看到教學(xué)樓內(nèi)各個(gè)教室的具體使用情況。

4 系統(tǒng)可拓展功能

4.1 煙感報(bào)警系統(tǒng)，感應(yīng)裝置檢測(cè)到火情后，則在終端和教室內(nèi)發(fā)出警報(bào)，并由屏幕顯示出來(lái)，以便于消防員準(zhǔn)確地對(duì)有火情的教室進(jìn)行快速有效的處理。

4.2 燈光系統(tǒng)，晚上同學(xué)們都自習(xí)完回宿舍后，自習(xí)室人數(shù)顯示為0，由報(bào)警裝置向終端進(jìn)行語(yǔ)音提示，遠(yuǎn)程遙控關(guān)閉教室的用電器，可節(jié)省用電。

5 該項(xiàng)研究的現(xiàn)實(shí)意義

顯示屏幕可以安置于教學(xué)樓的一樓。屏幕顯示該樓所有教室的使用狀態(tài)。日常教學(xué)過(guò)程中，每個(gè)教室的課程一般都是已經(jīng)安排好的，所以提前錄入教室每天的狀態(tài)信息，每個(gè)教室的狀態(tài)到一定的時(shí)間階段可自動(dòng)轉(zhuǎn)變狀態(tài)顯示。即教室在到達(dá)規(guī)定時(shí)間時(shí)會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)成相應(yīng)的顯示狀態(tài)，系統(tǒng)同時(shí)也具有手動(dòng)改變教室狀態(tài)的功能，當(dāng)教室臨時(shí)有課時(shí)，老師可以通過(guò)按鍵改變教室使用狀態(tài)，教室人數(shù)同時(shí)也進(jìn)行顯示，此時(shí)老師可以通過(guò)查看教室人數(shù)確定當(dāng)堂課該班級(jí)的出勤率。教室的狀態(tài)可由控制終端進(jìn)行修改。該系統(tǒng)的安裝可為學(xué)生上自習(xí)尋找空閑教室提供便利，節(jié)省時(shí)間，提高自習(xí)室的利用率。

結(jié)語(yǔ)

該課題按預(yù)期順利完成了單個(gè)教室人數(shù)統(tǒng)計(jì)及教室狀態(tài)的顯示，并且在實(shí)踐過(guò)程中解決了步速不同、手臂擺動(dòng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，而且能夠進(jìn)行多人同時(shí)進(jìn)入教室的準(zhǔn)確顯示，多教室顯示系統(tǒng)通過(guò)總線將教室使用信息傳至上位機(jī)，由上位機(jī)經(jīng)行集中統(tǒng)一顯示，學(xué)生通過(guò)統(tǒng)一的大屏幕，可以一目了然看到教學(xué)樓內(nèi)各個(gè)教室的具體使用情況，具有很大的使用價(jià)值。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.14.046