戴舒詣，景素婷，夏佳樂(lè)，楊 越，瞿志成

(蘇州大學(xué) 物理與光電·能源學(xué)部，江蘇 蘇州 215000)

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基于紅外傳感及IC卡終端的座位管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

戴舒詣，景素婷，夏佳樂(lè)，楊 越，瞿志成

(蘇州大學(xué) 物理與光電·能源學(xué)部，江蘇 蘇州 215000)

介紹了一種基于現(xiàn)有圖書館刷卡選座系統(tǒng)，由STC15系列單片機(jī)、NRF24L01型WiFi通信模塊、LED 顯示和HC-SR501型紅外傳感器實(shí)現(xiàn)的圖書館智能座位管理系統(tǒng)。其通過(guò)紅外傳感及時(shí)監(jiān)控圖書館座位的使用情況，同時(shí)利用單片機(jī)對(duì)座位閑置時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)時(shí)，并對(duì)惡意占用的座位重新分配。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了圖書館座位的全智能化管理,為解決高校圖書館“座位荒”問(wèn)題提供了一種新的方案。

單片機(jī)；座位管理；紅外傳感器；圖書館；無(wú)線通信

0 引言

隨著學(xué)習(xí)節(jié)奏的不斷加快，高校惡意占座現(xiàn)象日益加劇，尤其是在期中期末考試以及考研前期，由于占座導(dǎo)致的不必要沖突尤為嚴(yán)重。目前的座位管理系統(tǒng)多為刷卡選座的模式，一旦刷卡，系統(tǒng)就認(rèn)為該座位已經(jīng)有人，雖然在一定程度上實(shí)現(xiàn)了人座對(duì)應(yīng)，但是對(duì)于惡意占座和長(zhǎng)時(shí)間離開不刷退的現(xiàn)象，難以從根本上解決。

為了消除此類不文明現(xiàn)象，提高座位資源的利用率，給學(xué)生們提供一個(gè)良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，本文介紹了一個(gè)基于紅外傳感的座位管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)與現(xiàn)有刷卡系統(tǒng)相結(jié)合，在座位上安裝一個(gè)基于紅外傳感器的圖書館占座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端，可有效識(shí)別座位上是否有人以及累計(jì)離開時(shí)間，并將座位狀態(tài)信號(hào)發(fā)至圖書館刷卡選座系統(tǒng)，有效避免“人走座留”的惡意占座現(xiàn)象，從而保證資源得到合理的利用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

由于圖書館空間大，人員流動(dòng)復(fù)雜，很難對(duì)個(gè)體進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、大范圍、有效的監(jiān)測(cè)，因此本文介紹的系統(tǒng)需要多個(gè)有針對(duì)性的模塊結(jié)合以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能。本文預(yù)設(shè)該系統(tǒng)基本功能如圖1所示。一旦有學(xué)生刷卡選座，相應(yīng)座位上的LED燈亮，以顯示座位正被使用。如果學(xué)生是惡意占座，座位在預(yù)設(shè)等待時(shí)間(預(yù)設(shè)30 min)之內(nèi)無(wú)人使用，LED燈則會(huì)熄滅，同時(shí)刷卡系統(tǒng)迅速釋放該座位，該座可被其他學(xué)生刷卡使用。如果學(xué)生在座位預(yù)留時(shí)間內(nèi)使用了座位，系統(tǒng)中的座位則將保持被使用狀態(tài)。

圖1 圖書館座位管理系統(tǒng)功能流程圖

在實(shí)際應(yīng)用中，圖書館占座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端選擇安裝在桌子邊沿底面，以此實(shí)現(xiàn)單個(gè)終端對(duì)單座的監(jiān)測(cè)，并且不受非監(jiān)測(cè)座位的影響。

2 總體硬件設(shè)計(jì)

本文介紹的圖書館座位管理系統(tǒng)基于現(xiàn)有的圖書館刷卡選座系統(tǒng)，由圖書館占座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、通信模塊幾個(gè)主要部分構(gòu)成。其中，圖書館占座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器模塊和檢測(cè)計(jì)時(shí)模塊組成。

如圖2所示，圖書館占座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由以STC15W4 K48S4單片機(jī)為核心的檢測(cè)計(jì)時(shí)模塊、HC-SR501型紅外傳感器的傳感器模塊和LED組成。單片機(jī)的中斷引腳與紅外傳感器HC-SR501連接并通過(guò)I/O口控制LED的開關(guān)。圖書館刷卡選座系統(tǒng)中的中心管理計(jì)算機(jī)通過(guò)搭載在單片機(jī)上的NRF24L01型WiFi模塊與STC15單片機(jī)進(jìn)行無(wú)線信息交互，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圖書館座位的實(shí)時(shí)管理[1]。

圖2 圖書館座位管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2.1 傳感器模塊

2.1.1 功能要求以及器件選型

為能精確判斷圖書館座位的使用情況，本文選用傳感器模塊對(duì)座位上是否有人進(jìn)行非接觸且實(shí)時(shí)性的監(jiān)測(cè)。該器件是系統(tǒng)的核心傳感器，應(yīng)根據(jù)具體使用環(huán)境和工作模式綜合進(jìn)行選擇。首先，要保證一定的感應(yīng)角度和作用距離，但又不能過(guò)大，避免路過(guò)的人引起誤觸發(fā)；其次，應(yīng)針對(duì)人進(jìn)入座位和離開座位的特殊工況；第三，應(yīng)滿足實(shí)際的環(huán)境溫度要求。

綜上所述，本文選用HC-SR501普通型人體紅外感應(yīng)模塊。其感應(yīng)角度(可調(diào))<100°錐角，感應(yīng)距離(可調(diào))符合功能要求，在所需溫度范圍內(nèi)都可正常工作且對(duì)人體活動(dòng)感應(yīng)較為靈敏。

2.1.2 工作方式

HC-SR501普通型人體紅外感應(yīng)模塊的紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，當(dāng)人進(jìn)入座位或者離開座位時(shí)，傳感頭感應(yīng)到溫度變化后，會(huì)失去電荷平衡而向外釋放電荷，因而在其經(jīng)后續(xù)電路檢測(cè)時(shí)就能產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)。

當(dāng)有人在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)活動(dòng)時(shí)，該模塊輸出引腳會(huì)產(chǎn)生一個(gè)上升沿跳變，并延時(shí)一定時(shí)間(延時(shí)時(shí)間通過(guò)旋鈕調(diào)節(jié)可至最長(zhǎng)時(shí)間200 s)，此后產(chǎn)生一個(gè)下降沿跳變，檢測(cè)計(jì)時(shí)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)此信號(hào)變化的識(shí)別來(lái)確定座位的使用情況[2]。

2.2 檢測(cè)計(jì)時(shí)模塊

2.2.1 功能要求以及器件選型

檢測(cè)計(jì)時(shí)模塊選用單片機(jī)作為核心部件。由于紅外傳感模塊產(chǎn)生的電信號(hào)需要進(jìn)行一定的處理，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)座位使用情況的識(shí)別，因此檢測(cè)計(jì)時(shí)模塊需要滿足以下功能要求：(1)對(duì)傳感器輸出信號(hào)的采集判斷；(2)對(duì)人離開時(shí)間計(jì)時(shí)并進(jìn)行判別；(3)對(duì)WiFi模塊工作模式進(jìn)行配置[2]。

基于以上要求，該系統(tǒng)檢測(cè)計(jì)時(shí)模塊核心選用STC公司的STC15W4K48S4型單片機(jī)。該單片機(jī)具有寬電壓范圍，不需要任何轉(zhuǎn)換芯片，集成了更多SRAM(4 K)，有定時(shí)器0、定時(shí)器1、 定時(shí)器2、 定時(shí)器3和定時(shí)器4，可進(jìn)行定時(shí)計(jì)時(shí)操作[3]；有SPI (可用作主模式/從模式)，能夠?qū)iFi模塊工作模式進(jìn)行配置[4]。

2.2.2 工作方式

本文描述的檢測(cè)計(jì)時(shí)模塊的電路原理如圖3所示，HC-SR501紅外傳感器輸出引腳與單片機(jī)中斷引腳P3.0腳直接相連，傳感器輸出的電信號(hào)由單片機(jī)檢測(cè)。當(dāng)座位被占，外部中斷0檢測(cè)到下降沿跳變，單片機(jī)進(jìn)入倒計(jì)時(shí)30 min。P1.0腳接入LED電路，當(dāng)座位被占，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LED亮[5]。

圖3 檢測(cè)計(jì)時(shí)模塊電路原理圖

2.3 通信模塊

圖書館占座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般與圖書館刷卡選座系統(tǒng)有一定距離。為實(shí)現(xiàn)兩系統(tǒng)之間的信息交互以及系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)管座位的功能，一般選用WiFi模塊或者藍(lán)牙等無(wú)線傳輸通信模塊。WiFi通信比藍(lán)牙通信容量大，并且在需要較遠(yuǎn)距離的信息傳輸上更有優(yōu)勢(shì)，因此本文選擇NRF24L01型WiFi模塊作為通信模塊。

該模塊能夠與各種單片機(jī)芯片連接，達(dá)成無(wú)線數(shù)據(jù)的傳送工作。其電流消耗低，工作電壓在1.9 V～3.6 V，有多個(gè)頻道可以選擇。在與單片機(jī)連接工作時(shí)，可以通過(guò)SPI總線來(lái)對(duì)單片機(jī)寫入數(shù)據(jù)。在進(jìn)行傳輸工作時(shí)，NRF24L01型WiFi模塊有4種工作模式，數(shù)據(jù)發(fā)送傳輸率最快可達(dá)2 Mb/s，同時(shí)該模塊可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的雙向通信，通信距離可在300～800 m，因此該模塊符合系統(tǒng)功能要求[6]。

本文描述系統(tǒng)通過(guò)SPI配置Enhanced shockurst TM收發(fā)模式。該模塊在此種模式下使用片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)低速?gòu)奈⒖刂破魉腿耄瑪?shù)據(jù)傳輸時(shí)抗干擾能力強(qiáng)[7]。

3 軟件部分

單片機(jī)若要實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外傳感器的控制以及計(jì)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，其需要一個(gè)穩(wěn)定完善的軟件編程。本文根據(jù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能和傳感器與單片機(jī)相結(jié)合的硬件電路，進(jìn)行了相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，采用了匯編語(yǔ)言，并且經(jīng)過(guò)調(diào)試運(yùn)行，成功實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。軟件程序流程圖如圖4。

圖4 軟件程序流程圖

圖4中，傳感器的信號(hào)由單片機(jī)的外部中斷0接收，為了在計(jì)時(shí)期間可以重復(fù)觸發(fā)中斷，特別將定時(shí)程序放在中斷服務(wù)程序外。其中中斷服務(wù)程序的功能為重新計(jì)時(shí)。

4 圖書館占座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)物與工作狀態(tài)

圖書館占座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖如圖5。

圖5 圖書館占座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端實(shí)物圖

在圖書館真實(shí)環(huán)境中，圖書館占座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要受工作距離、感應(yīng)角度、工作溫度以及感應(yīng)時(shí)間的影響，為對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性做進(jìn)一步評(píng)估，本文對(duì)占座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端的性能進(jìn)行了一定的測(cè)試。如表1所示。

表1 圖書館占座系統(tǒng)終端工作性能測(cè)試表

根據(jù)表1測(cè)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)際應(yīng)用中圖書館占座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端能夠在所要求的檢測(cè)距離、感應(yīng)角度以及工作溫度范圍內(nèi)正常工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了基于紅外傳感及IC卡終端的圖書館智能座位管理系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。其采用HC-SR501普通型人體紅外感應(yīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)座位使用情況無(wú)接觸實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能，運(yùn)用STC15W4K48S4型單片機(jī)達(dá)到了對(duì)座位閑置時(shí)間的計(jì)時(shí)目的，同時(shí)使用NRF24L01型WiFi通信模塊實(shí)現(xiàn)了圖書館刷卡選座系統(tǒng)與占座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息交互。通過(guò)這些模塊和元器件的結(jié)合，以及對(duì)占座監(jiān)測(cè)終端的實(shí)際工作調(diào)試，證明了本文介紹的圖書館智能座位管理系統(tǒng)較好地完成了對(duì)座位全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和管理的功能。

[1] 周國(guó)棟,王新赤,卞樹檀.基于時(shí)分多址的圖書館座位管理系統(tǒng)[J].電子工程師,2008,34(7):77-80.

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[3] 杜波.基于單片機(jī)及CAN技術(shù)的圖書館自習(xí)室座位管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].情報(bào)探索,2003(3):62-63.

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Design of seat management system based on infrared sensing and IC terminal

Dai Shuyi,Jing Suting,Xia Jiale,Yang Yue,Qu Zhicheng

(College of Physics, Optoelectronics and Energy, Soochow University, Suzhou 215000, China)

A library seat intelligent management system based on library seat selection system available now is introduced, and it is realized by STC15 SCM, NRF24L01 wireless fidelity communication module, LED display and HC-SR501 infrared sensor. This system is designed to monitor the occupancy of library seats timely. Through the application of the SCM, the system records the idle time of those seats and redistributes some maliciously used seats. With this function, this system has realized the full intelligent management of the library seat, and provided a new solution for the problem of “seat shortage” in university library.

SCM; seat management; infrared sensor; library; wireless communication

TN399

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.23.029

戴舒詣，景素婷，夏佳樂(lè)，等. 基于紅外傳感及IC卡終端的座位管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(23)：100-102.

2016-08-10)

戴舒詣(1996-)，通信作者,女，本科生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)、光電子技術(shù)、電路設(shè)計(jì)。E-mail: lwlm9010@163.com。

景素婷(1995-)，女，本科生，主要研究方向：模擬電路設(shè)計(jì)。

夏佳樂(lè)(1995-)，男，本科生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)。