李欣妍 張華 李棟祿 杜薇 童碩

摘? ?要：為了減少校園用電浪費，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)能夠通過自動感應(yīng)人員走動狀態(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)照明功能的同時杜絕用電浪費，無感簽到系統(tǒng)不僅省時省力還提高了課堂效率，方便進行學生管理。

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

能源及與之相關(guān)的環(huán)境是全世界各國最為關(guān)注的熱點，對我國來說，由于人口基數(shù)大，人均能源資源占有量尤為短缺，極大限制了我國的可持續(xù)發(fā)展。另一方面，我國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。建筑照明能耗是我國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，長時間的高能用電造成能源的極大浪費。與此同時，室內(nèi)LED照明燈具由于國內(nèi)的消費水平參差不齊、產(chǎn)品自身還存在諸多技術(shù)問題有待進一步完善，在當下室內(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，簽到、點名作為高校考查學生出勤率的主要方式，通常需占據(jù)5～10 min的課堂寶貴時間，也影響教師和學生情緒，嚴重降低上課效率。若能采取更有效的點名和簽到方式，也會受到教師和學生的歡迎[2-4]。

目前，國內(nèi)教室的照明控制大多采用手動開關(guān)，即使加強管理，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。無論是白天還是晚上，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，實現(xiàn)教室照明智能化、人性化控制，設(shè)計智能照明控制系統(tǒng)，針對學生考勤的現(xiàn)狀，可利用學生的校園一卡通進行課堂無感簽到，通過該系統(tǒng)實現(xiàn)一卡通簽到、PC上位機監(jiān)控等功能。

1? ? 基于STM32的系統(tǒng)設(shè)計

1.1? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本設(shè)計主要運用STM32單片機進行開發(fā)。根據(jù)系統(tǒng)功能的設(shè)計需求，整個智慧教室系統(tǒng)由教學環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、教室安防系統(tǒng)、教室電氣控制系統(tǒng)、無感門禁考勤系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及中央處理器系統(tǒng)6部分構(gòu)成;通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)真實集成各種智能控制設(shè)備的智慧教室進行功能展示和實訓，實現(xiàn)教室環(huán)境燈光智能控制、安防報警，對人員無感考勤、智能監(jiān)控等功能。構(gòu)建一個完整的智慧情景教學環(huán)境，所有部件均采用商業(yè)級;通過智能教室傳感網(wǎng)、執(zhí)行器、無線通信技術(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，便于學生進行操作與實驗[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)通過以太網(wǎng)通信。

（1）教室控制端。教室控制端分布在學校各個教室門口，負責單個教室的管理。走班學生的出勤記錄由教室門口的打卡模塊實現(xiàn)簽到，且教室門只在上課時間打開，系統(tǒng)確保教室使用權(quán)限不會被濫用。

（2）PC客戶端。學校管理中心可以通過PC客戶端對教室進行遠程管理，同時任課老師可通過PC客戶端對學生出勤情況進行記錄，并根據(jù)上課需要變換學習燈光場景。

（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。

主控芯片是整個控制系統(tǒng)的核心，負責控制各外設(shè)和與上位機進行通信。電源模塊為整個系統(tǒng)供電。顯示屏是教室控制端的人機交互界面。打卡模塊對教室、學生身份進行驗證。

1.2? 主控芯片選擇

根據(jù)系統(tǒng)硬件總統(tǒng)設(shè)計方案，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，是一款性價比高、資源豐富、易于擴展高性能嵌入式處理器。

1.3? 射頻識別模塊

本設(shè)計采用無線射頻識別技術(shù)（RFID），在實時采集人員流動中充分運用射頻識別。相比于傳統(tǒng)的打卡簽到，需要將證件放于簽到機器處，該方法能夠持續(xù)獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并能夠準確直接地識別出人員一卡通信息，將所獲取的人員信息上傳至上位機，實現(xiàn)無感簽到。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)的運用能夠大大提高課堂效率。射頻識別模塊包含5個部分：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)計優(yōu)勢

本設(shè)計是智能照明系統(tǒng)和無感簽到系統(tǒng)組成的一個聯(lián)動系統(tǒng)，功能多樣，不是簡單的單一系統(tǒng)，能全方面滿足客戶的需求。具體有以下優(yōu)勢：

（1）提高教室燈具的管理水平。在照明基礎(chǔ)上，能通過遠程監(jiān)測并控制各個教室燈具的開關(guān)，減少了維護人員的工作量。

（2）節(jié)約能源。對無人教室實行遠程關(guān)閉，避免長明燈現(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。

（3）方便老師對學生到課人數(shù)的統(tǒng)計。本系統(tǒng)能在無感情況下讀取進入教室人員的校園卡信息，并保存到數(shù)據(jù)庫中，方便老師統(tǒng)計人數(shù)。

（4）一定程度上督促了學生按時到課，提高了到課率。

本設(shè)計讀取到的人員信息，還可用來分析學生在校期間的基本活動范圍、活動時間、各科的到課率，從而制定合適的教學方式。隨著系統(tǒng)逐步完善，本設(shè)計將會應(yīng)用于更多的教學環(huán)境。

3? ? 結(jié)語

本文將教室智能照明系統(tǒng)與無感簽到系統(tǒng)的結(jié)合，客戶針對高等專科學校，未來將會對產(chǎn)品進行完善和升級，結(jié)合BIM技術(shù)可以更加直觀地了解教室內(nèi)的情況，用戶可通過相應(yīng)終端對其實時監(jiān)測與控制，實現(xiàn)更加智能化的功能、網(wǎng)絡(luò)化、人性化。

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