高 強，李眾立

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽 621010)

隨著教學(xué)方式的改進，多媒體教室將不斷增多，而對于整棟教學(xué)樓或跨校區(qū)的多媒體教室管理，采用人工開關(guān)設(shè)備，是一件費時費力的工作。文中應(yīng)用電子、網(wǎng)絡(luò)、自動控制技術(shù)以及實用的軟件平臺，設(shè)計了一套教室自動監(jiān)測與控制系統(tǒng)。教室智能控制系統(tǒng)采用無線和以太網(wǎng)的分布式集散控制系統(tǒng)實現(xiàn)對教室內(nèi)多媒體設(shè)備、教室照明和風(fēng)扇進行遠(yuǎn)程集中控制和管理，并通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭對教室使用狀態(tài)等進行監(jiān)控與顯示，達(dá)到教室控制智能化和節(jié)約化的目標(biāo)。文中將嵌入式控制系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合，具體論述系統(tǒng)中硬軟件各部分的結(jié)構(gòu)功能和實現(xiàn)方法。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

該系統(tǒng)主要用于多媒體教室的管理，使各教室按課表作息時間自行打開教室多媒體設(shè)備以及電燈、風(fēng)扇、攝像頭等用電設(shè)備。并可在2分鐘內(nèi)開啟教室所有的用電設(shè)備。

文中系統(tǒng)采用3層硬件兩級網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，即“教室用電設(shè)備控制單元—315/433 Mbit·s-1無線通信—無線網(wǎng)關(guān)控制器—以太網(wǎng)—中央計算機單元”。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)總體設(shè)計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計圖

系統(tǒng)工作原理:系統(tǒng)第一次運行時，由中央計算機將一學(xué)期的課表信息按照約定的編碼方式碼，通過以太網(wǎng)發(fā)送到各間教室的智能網(wǎng)關(guān)控制器上儲存，網(wǎng)關(guān)控制器自行讀取該教室的課表信息，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。將課表信息存于網(wǎng)關(guān)控制器，使得網(wǎng)關(guān)控制器運行于脫機狀態(tài)，這樣有利于在網(wǎng)絡(luò)中斷或者沖突的情況下，系統(tǒng)依然可以正常運行，同時還可避免教室較多的情況下所產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)擁堵。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 智能網(wǎng)絡(luò)控制器

該模塊的核心控制部分采用NXP公司的32位芯片CortexM0 LPC111x，可用于高集成度和低功耗的嵌入式應(yīng)用。

控制器的網(wǎng)絡(luò)芯片選用W5100，該芯片是一款多功能的網(wǎng)絡(luò)接口芯片，內(nèi)部集成有10/100 Mbit·s-1以太網(wǎng)控制器，主要應(yīng)用于高集成、高穩(wěn)定、高性能和低成本的嵌入式系統(tǒng)中。W5100內(nèi)部集成了全硬件、TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層(MAC)和物理層(PHY)。硬件 TCP/IP協(xié)議棧支持 TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和 PPPoE，這些協(xié)議已在較多領(lǐng)域經(jīng)過了驗證。內(nèi)部集成還有16 kB存儲器用于數(shù)據(jù)傳輸。使用W5100無需考慮以太網(wǎng)的控制，只要進行簡單的端口(Socket)編程。LPC111x通過內(nèi)部的SPI模塊與W5100芯片進行通信。

控制器片外 Flash選用24c16，該Flash可存儲2 kB的數(shù)據(jù)，LPC111x通過I2C總線對Flash進行讀寫，控制器的系統(tǒng)設(shè)計如圖3所示。

圖3 智能網(wǎng)關(guān)控制器結(jié)構(gòu)圖

2.2 教室用電設(shè)備控制單元

主要負(fù)責(zé)完成接收來自智能網(wǎng)關(guān)控制器發(fā)送的無線命令，并進行解析和控制相應(yīng)的繼電器，以達(dá)到控制相應(yīng)用電設(shè)備的目的。

該控制單元選用的核心控制芯片是PIC16fxx，該芯片是DIP封裝總共有14個引腳，控制7路繼電器的開斷，電源部分采用阻容降壓的方式，連接220 V，通過阻容降壓濾波后達(dá)到直流12 V，該電壓用于驅(qū)動繼電器，經(jīng)穩(wěn)壓芯片78L05變?yōu)? V，該電壓用于PIC芯片的工作電壓，電路原理圖如圖4所示。

圖4 組容降壓電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包括運行于教室用電設(shè)備控制單元的軟件，智能網(wǎng)關(guān)控制器的軟件以及運行于中央計算機上的上位機軟件。

3.1 教室用電設(shè)備控制單元的軟件

該部分軟件主要完成無線信號的接收、解碼以及繼電器的控制。PIC16fxx初始化后，會處于檢測無線信號狀態(tài)，一旦檢測到有無線信號，就會進行解碼，得到有效的解碼信息后，再打開相應(yīng)的繼電器。程序流程圖如圖5所示。

圖5 教室用電器控制單元程序流程圖

3.2 智能網(wǎng)關(guān)控制器的軟件

智能網(wǎng)關(guān)控制器軟件采用無操作系統(tǒng)的設(shè)計，這樣能快速高效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸。軟件實現(xiàn)功能如下:

(1)接收來自中央計算機單元的控制命令，并進行解析，將解析的命令通過無線編碼發(fā)送到用電設(shè)備控制單元。

(2)將課表信息存儲于無線網(wǎng)關(guān)控制器中的Flash，并自行按上課時間讀取課表信息，打開多媒體設(shè)備，將需要打開的用電設(shè)備命令以無線編碼方式發(fā)送。

程序流程圖如圖6所示。

圖6 智能網(wǎng)關(guān)控制器程序流程圖

3.3 網(wǎng)絡(luò)群控管理中心上運行的軟件

中控機上運行的上位機軟件采用VC++編寫，主要完成對各間教室的網(wǎng)絡(luò)控制器課表信息進行加載和修改，并在特殊情況下手動開關(guān)教室用電設(shè)備，軟件的主界面如圖7所示。

圖7 上位機軟件主界面

4 結(jié)束語

多媒體教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和遠(yuǎn)程教學(xué)發(fā)展迅速。多媒體中央控制系統(tǒng)利用計算機技術(shù)對多媒體電教室、會議室中的各種設(shè)備進行集中控制、管理。不僅可節(jié)省人力，也進一步挖掘多媒體教室的作用。同時該系統(tǒng)兼顧教室考場和安防監(jiān)控，利用新技術(shù)將考場與教室以及多媒體監(jiān)控管理整合，易管理、易操作、成本低。

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