邱煥枝+陳永燦+范潮升+符友燁+徐海濤

摘 ?要：文章所設(shè)計(jì)的智慧教室系統(tǒng)解決方案，是基于WiFi物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與基于RS-485協(xié)議的多機(jī)通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)教室互聯(lián)控制，可滿足高校對教學(xué)用房的智能高效管理。該系統(tǒng)的功能不僅包括窗簾、風(fēng)扇、電燈等設(shè)備的智能總控，而且還包括環(huán)境參數(shù)采集、人員數(shù)量與分布采集、考勤登記、安防監(jiān)控等決策控制。本系統(tǒng)與現(xiàn)有教室監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案相比，更顯靈活、便捷與高效，符合現(xiàn)今教學(xué)樓宇管理綠色節(jié)能的先進(jìn)理念。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);智慧教室;WiFi;單片機(jī);RS-485協(xié)議

中圖分類號：TN98 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2016）03-0062-02

隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸成為當(dāng)前熱門話題之一，眾多國際知名企業(yè)紛紛投入到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究中。與此同時(shí)，伴隨著電子技術(shù)與無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，“智能家居”、“智慧教室”、“智慧城市”等概念也分別涌現(xiàn)，這也成為了科技發(fā)展的趨勢。目前針對“智慧教室”的解決方案還存在較多的缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)為控制技術(shù)不夠完善，缺乏高性能的上位機(jī)控制軟件，人機(jī)互動較少，以及沒有實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)監(jiān)測和控制等[1]。

本文介紹智慧教室的實(shí)現(xiàn)方案，體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的三個(gè)層次（應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層），具有窗簾、風(fēng)扇、燈光設(shè)備控制，教室環(huán)境參數(shù)采集，人數(shù)統(tǒng)計(jì)與人員分布采集、考勤登記和安防監(jiān)控等豐富的功能[2]。本方案還結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以WiFi無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)測量終端的全面覆蓋。通過上位機(jī)軟件，主控系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)人工獨(dú)立控制設(shè)備功能，而且能夠?qū)崿F(xiàn)智能自動控制功能。此外，本系統(tǒng)還可以讀取教室內(nèi)人員的分布信息，接收考勤信息，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，充分體現(xiàn)智能化、靈活化和便捷化。

1 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

?本智慧教室系統(tǒng)包括微控制器（Microcontroller Unit;MCU）主控系統(tǒng)，人數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)，環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)，窗簾控制系統(tǒng)，設(shè)備控制系統(tǒng)，人員分布采集系統(tǒng)，射頻卡考勤系統(tǒng)和安防系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

MCU主控系統(tǒng)之間主要采用RS-485協(xié)議的多機(jī)通信方式和I/O口中斷方式進(jìn)行通信，最終實(shí)現(xiàn)主控系統(tǒng)對各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和對外設(shè)驅(qū)動模塊的控制。

?安防系統(tǒng)則是通過嵌入式系統(tǒng)驅(qū)動監(jiān)控?cái)z像頭采集視頻信息，嵌入式系統(tǒng)處理并發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器終端，由遠(yuǎn)程服務(wù)器實(shí)施監(jiān)控與顯示。

1.1 ?子系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理

?①M(fèi)CU主控系統(tǒng)。

? 由12864顯示模塊，RS485模塊和STC89C52單片機(jī)構(gòu)成，通過多機(jī)通信實(shí)現(xiàn)對子系統(tǒng)信息采集與控制。

?②人數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)。

?由一對超聲波探測器、1602液晶顯示器、RS485模塊和STC89C52單片機(jī)構(gòu)成，能夠識別人員進(jìn)出教室的行為，并將教室在用人數(shù)實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)通過RS485模塊將教室是否有人使用的情況通過中斷反饋給主控系統(tǒng)。

?③環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)。

?由溫濕度傳感器AM2302、數(shù)字光模塊GY-30、1602液晶顯示器、RS485模塊和STC89C52單片機(jī)構(gòu)成。該子系統(tǒng)可自動采集教室內(nèi)溫濕度、光照度值，并且可實(shí)時(shí)顯示，而采集的數(shù)據(jù)也通過RS485模塊發(fā)送到主控系統(tǒng)供決策處理。

?④窗簾控制系統(tǒng)。

?由電機(jī)驅(qū)動模塊、大功率電機(jī)、超聲波探測器、RS485模塊和STC89C52單片機(jī)構(gòu)成。該子系統(tǒng)可通過超聲波探測確定窗簾的開關(guān)狀態(tài)及其所在位置，而且可以控制電機(jī)拉上窗簾或打開窗簾。

? ⑤設(shè)備控制系統(tǒng)。

?由八路繼電器、RS485模塊和STC89C52單片機(jī)構(gòu)成。該子系統(tǒng)能夠接收主控系統(tǒng)指令，通過繼電器開關(guān)用電器實(shí)施設(shè)備的控制。目前，子系統(tǒng)可以進(jìn)行電燈和風(fēng)扇的開關(guān)控制，也可拓展到其他用電器的開關(guān)控制上。

?⑥人員分布采集系統(tǒng)。

?由攝像頭、串口轉(zhuǎn)WiFi模塊和STC89C52單片機(jī)構(gòu)成，該系統(tǒng)通過攝像頭采集教室照片，經(jīng)上位機(jī)軟件處理后經(jīng)WiFi發(fā)送人員分布數(shù)據(jù)至主控系統(tǒng)。

? ⑦考勤系統(tǒng)。

?由RFID模塊、S50感應(yīng)IC卡和STC12LE5A60S2單片機(jī)組成。RFID模塊可對S50感應(yīng)IC卡進(jìn)行識別，采集IC卡中保存的學(xué)生身份信息（如姓名、學(xué)號等）后，通過模擬SPI協(xié)議發(fā)送到人員分布采集子系統(tǒng)，經(jīng)人員分布采集子系統(tǒng)接收后，身份信息數(shù)據(jù)經(jīng)由WiFi模塊發(fā)送至計(jì)算機(jī)上位機(jī)。本系統(tǒng)還具備自主編寫的Java軟件，可于上位機(jī)的考勤界面統(tǒng)計(jì)顯示學(xué)生的考勤信息。

⑧安防系統(tǒng)。

? 由監(jiān)控?cái)z像頭，嵌入式系統(tǒng)，路由器和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，通過嵌入式系統(tǒng)驅(qū)動監(jiān)控?cái)z像頭，將采集、處理后所得到的視頻信號通過路由器發(fā)送至服務(wù)器，服務(wù)器端可實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控情況，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控功能。

1.2 ?通信單元設(shè)計(jì)

?本系統(tǒng)主要通過多機(jī)通信實(shí)現(xiàn)主控系統(tǒng)與環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)、窗簾控制系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)之間的通信。多機(jī)通信采用RS-485協(xié)議，在硬件上通過RS485模塊實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS-485電平的轉(zhuǎn)換，它采用差分輸出和差分輸入，使用雙絞線設(shè)置，具有遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)優(yōu)勢，適合應(yīng)用于教室、講學(xué)廳等大型房間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)覆蓋。

2 ?軟件設(shè)計(jì)

?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括各子系統(tǒng)中的MCU下位機(jī)程序設(shè)計(jì)、基于ARM-Linux開發(fā)的安防系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)上位機(jī)中圖像處理算法程序開發(fā)和Java軟件開發(fā)。

2.1 ?下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

2.1.1 ?MCU節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

?MCU程序設(shè)計(jì)包括主控系統(tǒng)、環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)、窗簾控制系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)、人員分布采集系統(tǒng)、射頻卡考勤系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。各子系統(tǒng)主要利用外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息采集與顯示、設(shè)備控制和通信功能。主控系統(tǒng)接收各子系統(tǒng)信息進(jìn)行判斷處理后發(fā)送指令讓子系統(tǒng)作出相應(yīng)處理，實(shí)現(xiàn)對教室設(shè)備控制管理。

2.1.2 ?基于ARM-LINUX的安防系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

?安防系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括嵌入式操作系統(tǒng)平臺的搭建，通過Bootload移植、內(nèi)核移植以及制作Linux根文件系統(tǒng)，在嵌入式操作系統(tǒng)平臺上安裝Mjpeg-streamer軟件實(shí)施視頻監(jiān)控。Mjpeg-streamer是一個(gè)開源軟件，用于從Webcam攝像頭采集Mjpeg圖像， 并把采集的圖像以流的形式通過基于IP的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綖g覽器，使得瀏覽器可以瀏覽監(jiān)控信息，從而實(shí)現(xiàn)安防功能。

2.2 ?上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

?上位機(jī)軟件主要包括兩個(gè)方面，對教室內(nèi)人員分布特征進(jìn)行提取的MATLAB程序;自帶數(shù)據(jù)庫、具有GUI人機(jī)交互界面的Java控制程序。

2.2.1 ?MATLAB軟件對圖像算法處理程序的開發(fā)

?在人員分布采集子系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)可通過攝像頭獲得人員分布區(qū)域的數(shù)據(jù)信息，然后通過Java控制程序?qū)崿F(xiàn)與主控系統(tǒng)的信息交互。人員分布采集子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理圖，如圖2所示。

本子系統(tǒng)采用了自主編寫的MATLAB程序，主要用于計(jì)算機(jī)驅(qū)動攝像頭實(shí)時(shí)采集教室的室內(nèi)圖片。在實(shí)施人員分布特征提取時(shí)，計(jì)算機(jī)需要采集并存儲一張教室無人時(shí)的圖片，然后，MATLAB程序軟件可控制攝像頭，每隔20 s采集一幀教室人員分布圖，與無人圖片進(jìn)行比對，獲得特征信息。

特征信息提取需運(yùn)用的圖像處理方法包括：8Bit灰度值轉(zhuǎn)換、均值降噪、加減法運(yùn)算、二值化等。

2.2.2 ?Java軟件的開發(fā)

?本方案還采用了Java語言設(shè)計(jì)了上位機(jī)控制軟件?？刂栖浖哂杏押玫慕换ゲ僮鹘缑?，其特色是具有節(jié)能模式，通過讀取人員分布信息數(shù)據(jù)分布規(guī)律，對教室內(nèi)用電設(shè)備實(shí)施智能化自動控制?？刂栖浖€具有管理員模式，可對用電設(shè)備實(shí)施管理員獨(dú)立控制模式。

管理員可通過無線發(fā)送控制指令，直接與主控系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)對教室內(nèi)用電設(shè)備的遠(yuǎn)程獨(dú)立控制。

?另外，Java軟件還兼有考勤系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫功能，可將采集的學(xué)生身份信息與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的信息進(jìn)行比對，實(shí)施考勤記錄入庫。

3 ?結(jié) ?語

?本方案實(shí)現(xiàn)了窗簾、風(fēng)扇、燈等教室設(shè)備的智能控制功能，其中，環(huán)境參數(shù)信息與人數(shù)統(tǒng)計(jì)、人員分布信息分別通過對應(yīng)的子系統(tǒng)傳送至主控系統(tǒng)，供主控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能控制決策。智能控制決策可根據(jù)教室實(shí)時(shí)使用情況，調(diào)節(jié)能源供應(yīng)，努力減少能源的浪費(fèi)。本方案還具有考勤登記和安防監(jiān)控功能。管理者可通過考勤登記實(shí)時(shí)掌握教室的使用情況，也可通過安防監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控教室的安全狀態(tài)，功能豐富。

此外，由于本方案采用WiFi進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送以及計(jì)算機(jī)上位機(jī)自編程序軟件處理，后期還可以在多個(gè)方面進(jìn)行功能擴(kuò)展，具有較好的實(shí)用價(jià)值和優(yōu)秀發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

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