李欣妍 張華 李棟祿 杜薇 童碩

摘? ?要：為了減少校園用電浪費(fèi)，提高課堂效率以及便于集中管理，文章提出了適用于高校的智能照明系統(tǒng)和簽到系統(tǒng)。照明系統(tǒng)能夠通過(guò)自動(dòng)感應(yīng)人員走動(dòng)狀態(tài)以決定是否開啟燈具以及開啟燈具的數(shù)量，在保證基礎(chǔ)照明功能的同時(shí)杜絕用電浪費(fèi)，無(wú)感簽到系統(tǒng)不僅省時(shí)省力還提高了課堂效率，方便進(jìn)行學(xué)生管理。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī);智能照明系統(tǒng);簽到系統(tǒng)

能源及與之相關(guān)的環(huán)境是全世界各國(guó)最為關(guān)注的熱點(diǎn)，對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)，由于人口基數(shù)大，人均能源資源占有量尤為短缺，極大限制了我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展。另一方面，我國(guó)仍處在以煤炭為主要使用能源的階段，能源利用率低，且存在極大的浪費(fèi)。建筑照明能耗是我國(guó)總能耗的重要組成部分，已占總能耗的12%～20%。在大多數(shù)校園中，由于教室眾多，常存在人走后燈還亮、人員較少而全部燈亮的情況，長(zhǎng)時(shí)間的高能用電造成能源的極大浪費(fèi)。與此同時(shí)，室內(nèi)LED照明燈具由于國(guó)內(nèi)的消費(fèi)水平參差不齊、產(chǎn)品自身還存在諸多技術(shù)問題有待進(jìn)一步完善，在當(dāng)下室內(nèi)照明仍以熒光燈為主，因此校園用電節(jié)能減排任務(wù)亟待解決[1]。同時(shí)，簽到、點(diǎn)名作為高?？疾閷W(xué)生出勤率的主要方式，通常需占據(jù)5～10 min的課堂寶貴時(shí)間，也影響教師和學(xué)生情緒，嚴(yán)重降低上課效率。若能采取更有效的點(diǎn)名和簽到方式，也會(huì)受到教師和學(xué)生的歡迎[2-4]。

目前，國(guó)內(nèi)教室的照明控制大多采用手動(dòng)開關(guān)，即使加強(qiáng)管理，仍出現(xiàn)忘記關(guān)燈的情況，特別是在白天仍然如此，從而造成大量的能源浪費(fèi)。無(wú)論是白天還是晚上，只要自然光可以照明的情況下，都應(yīng)該利用自然光，節(jié)約用電。為解決上述問題，實(shí)現(xiàn)教室照明智能化、人性化控制，設(shè)計(jì)智能照明控制系統(tǒng)，針對(duì)學(xué)生考勤的現(xiàn)狀，可利用學(xué)生的校園一卡通進(jìn)行課堂無(wú)感簽到，通過(guò)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一卡通簽到、PC上位機(jī)監(jiān)控等功能。

1? ? 基于STM32的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要運(yùn)用STM32單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)。根據(jù)系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)需求，整個(gè)智慧教室系統(tǒng)由教學(xué)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、教室安防系統(tǒng)、教室電氣控制系統(tǒng)、無(wú)感門禁考勤系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及中央處理器系統(tǒng)6部分構(gòu)成;通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)真實(shí)集成各種智能控制設(shè)備的智慧教室進(jìn)行功能展示和實(shí)訓(xùn)，實(shí)現(xiàn)教室環(huán)境燈光智能控制、安防報(bào)警，對(duì)人員無(wú)感考勤、智能監(jiān)控等功能。構(gòu)建一個(gè)完整的智慧情景教學(xué)環(huán)境，所有部件均采用商業(yè)級(jí);通過(guò)智能教室傳感網(wǎng)、執(zhí)行器、無(wú)線通信技術(shù)，展現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)在智能家居上的應(yīng)用技術(shù)。提供固定接口封裝，便于學(xué)生進(jìn)行操作與實(shí)驗(yàn)[6-11]。本系統(tǒng)與普通智慧教室系統(tǒng)的區(qū)別在于智慧教室燈光、考勤控制系統(tǒng)，主要包含教室控制端、PC客戶端及網(wǎng)關(guān)，其中PC客戶端與網(wǎng)關(guān)通過(guò)以太網(wǎng)通信。

（1）教室控制端。教室控制端分布在學(xué)校各個(gè)教室門口，負(fù)責(zé)單個(gè)教室的管理。走班學(xué)生的出勤記錄由教室門口的打卡模塊實(shí)現(xiàn)簽到，且教室門只在上課時(shí)間打開，系統(tǒng)確保教室使用權(quán)限不會(huì)被濫用。

（2）PC客戶端。學(xué)校管理中心可以通過(guò)PC客戶端對(duì)教室進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，同時(shí)任課老師可通過(guò)PC客戶端對(duì)學(xué)生出勤情況進(jìn)行記錄，并根據(jù)上課需要變換學(xué)習(xí)燈光場(chǎng)景。

（3）網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)連接以太網(wǎng)絡(luò)和所有的教室控制端，實(shí)現(xiàn)PC客戶端與各教室控制端的通信。

系統(tǒng)硬件主要由主控芯片、電源模塊、顯示屏、打卡模塊和網(wǎng)關(guān)組成，控制系統(tǒng)硬件框架如圖1所示。

主控芯片是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制各外設(shè)和與上位機(jī)進(jìn)行通信。電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)供電。顯示屏是教室控制端的人機(jī)交互界面。打卡模塊對(duì)教室、學(xué)生身份進(jìn)行驗(yàn)證。

1.2? 主控芯片選擇

根據(jù)系統(tǒng)硬件總統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，控制系統(tǒng)選用STM32F103VCT6作為本系統(tǒng)的主控芯片。其基于Cortex-M3內(nèi)核，是一款性價(jià)比高、資源豐富、易于擴(kuò)展高性能嵌入式處理器。

1.3? 射頻識(shí)別模塊

本設(shè)計(jì)采用無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID），在實(shí)時(shí)采集人員流動(dòng)中充分運(yùn)用射頻識(shí)別。相比于傳統(tǒng)的打卡簽到，需要將證件放于簽到機(jī)器處，該方法能夠持續(xù)獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并能夠準(zhǔn)確直接地識(shí)別出人員一卡通信息，將所獲取的人員信息上傳至上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)無(wú)感簽到。教師PC端能夠以互聯(lián)網(wǎng)為媒介獲取人員簽到匯總信息。該技術(shù)的運(yùn)用能夠大大提高課堂效率。射頻識(shí)別模塊包含5個(gè)部分：處理芯片、電源轉(zhuǎn)換模塊、串口模塊、晶振復(fù)位模塊以及收發(fā)電路天線。

2? ? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

本設(shè)計(jì)是智能照明系統(tǒng)和無(wú)感簽到系統(tǒng)組成的一個(gè)聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，功能多樣，不是簡(jiǎn)單的單一系統(tǒng)，能全方面滿足客戶的需求。具體有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）提高教室燈具的管理水平。在照明基礎(chǔ)上，能通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)并控制各個(gè)教室燈具的開關(guān)，減少了維護(hù)人員的工作量。

（2）節(jié)約能源。對(duì)無(wú)人教室實(shí)行遠(yuǎn)程關(guān)閉，避免長(zhǎng)明燈現(xiàn)象。還能合理根據(jù)教室人數(shù)決定開幾盞燈，避免了能源的浪費(fèi)。

（3）方便老師對(duì)學(xué)生到課人數(shù)的統(tǒng)計(jì)。本系統(tǒng)能在無(wú)感情況下讀取進(jìn)入教室人員的校園卡信息，并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便老師統(tǒng)計(jì)人數(shù)。

（4）一定程度上督促了學(xué)生按時(shí)到課，提高了到課率。

本設(shè)計(jì)讀取到的人員信息，還可用來(lái)分析學(xué)生在校期間的基本活動(dòng)范圍、活動(dòng)時(shí)間、各科的到課率，從而制定合適的教學(xué)方式。隨著系統(tǒng)逐步完善，本設(shè)計(jì)將會(huì)應(yīng)用于更多的教學(xué)環(huán)境。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

本文將教室智能照明系統(tǒng)與無(wú)感簽到系統(tǒng)的結(jié)合，客戶針對(duì)高等?？茖W(xué)校，未來(lái)將會(huì)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行完善和升級(jí)，結(jié)合BIM技術(shù)可以更加直觀地了解教室內(nèi)的情況，用戶可通過(guò)相應(yīng)終端對(duì)其實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，實(shí)現(xiàn)更加智能化的功能、網(wǎng)絡(luò)化、人性化。

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