吳曉華 梁哲 林麗君 宋韜 劉同來

摘要：為了對教學(xué)樓中眾多的教室進(jìn)行方便有效的智能管理，方便老師們上課點(diǎn)名及實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)生上課情況，也方便學(xué)生課后找到合適的教室自習(xí)，創(chuàng)作一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能教室管理系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)通過光照強(qiáng)度、溫度、濕度、粉塵濃度等傳感器實(shí)現(xiàn)對教室窗戶、空調(diào)、燈光等的智能監(jiān)控，以及用電器故障檢測，通過ZigBee發(fā)送每間教室用電器是否發(fā)生故障、課室人數(shù)、是否發(fā)生火災(zāi)等信息到每棟教學(xué)樓主控板，從而確定具體哪間教室需要維護(hù)，實(shí)現(xiàn)智能高效管理。通過WiFi模塊，學(xué)生可通過手機(jī)App實(shí)時(shí)查詢每間教室具體人數(shù)，快速找到合適的教室自習(xí)，從而達(dá)到對教學(xué)樓的高效智能化控制管理。

關(guān)鍵詞：ZigBee;教學(xué)樓管理;ESP8266;物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái);自動(dòng)指令

中圖分類號(hào)：TP311.52 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）05-0005-03

1 引言

隨著我國高等素質(zhì)教育的普及推廣，接受高等教育的學(xué)生數(shù)量正在持續(xù)地增加，全國各高校都開始了擴(kuò)建項(xiàng)目，修筑了大批的新課堂，面對這些數(shù)量越來越多的現(xiàn)有課堂和學(xué)習(xí)設(shè)施數(shù)量，如何有效地對現(xiàn)有的課堂和學(xué)習(xí)設(shè)施進(jìn)行有效管理就顯得格外重要[1]。傳統(tǒng)的管理模式存在局限性，需要結(jié)合現(xiàn)有科技水平的新型教學(xué)樓管理系統(tǒng)。目前大多高校的教學(xué)樓管理仍采用傳統(tǒng)的人工管理模式，對于基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室管理系統(tǒng)投入應(yīng)用較少。傳統(tǒng)的教學(xué)樓管理缺乏智能化，增加了人工成本，且僅有監(jiān)控管理系統(tǒng)，缺乏對教室的智能控制，也沒有考勤管理和緊急事件的應(yīng)對功能，更不能給每一個(gè)位師生提供一個(gè)相互交流的平臺(tái)，所以智能教學(xué)樓管理系統(tǒng)有很大的研究發(fā)展前景。

2 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用ZigBee模塊作為管理系統(tǒng)中子系統(tǒng)與主控系統(tǒng)的通信模塊，具有功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、延時(shí)短和數(shù)據(jù)安全的特點(diǎn)[2]，理論上可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)，結(jié)合現(xiàn)有較為成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)該系統(tǒng)具備較高的可行性。以下針對教學(xué)樓管理系統(tǒng)的主要功能進(jìn)行理論分析。

學(xué)生通過指紋識(shí)別模塊與錄入在單片機(jī)中的每個(gè)學(xué)生指紋信息匹配的方式進(jìn)行簽到和教室進(jìn)出口處安裝的紅外檢測裝置，采用兩種檢測方式相結(jié)合的形式實(shí)時(shí)檢測在教室具體學(xué)生人數(shù)，防止已經(jīng)簽到的學(xué)生早退，進(jìn)行二次核對實(shí)現(xiàn)一種快速并且無法代替簽到的點(diǎn)名方式。同時(shí)為查詢自習(xí)教室提高可靠的數(shù)據(jù)支撐。

通過光照強(qiáng)度、溫度、濕度、粉塵等傳感器和電流檢測模塊實(shí)現(xiàn)對教室窗戶、空調(diào)、燈光、溫濕度等的智能控制，以及用電器故障檢測，通過ZigBee發(fā)送每間教室用電器是否發(fā)生故障、人數(shù)、是否發(fā)生火災(zāi)的信息到每棟教學(xué)樓主控板，確定具體哪間教室需要維護(hù)，實(shí)現(xiàn)高效管理。通過WiFi模塊，學(xué)生可通過手機(jī) App 實(shí)時(shí)查詢每間教室具體情況（教室內(nèi)人數(shù)、溫度、光照等），快速找到合適的教室自習(xí)。學(xué)生還能通過手機(jī) App 實(shí)時(shí)更新教室信息情況，方便后勤實(shí)時(shí)進(jìn)行教室維護(hù)，報(bào)修由云端傳送到主控板，實(shí)現(xiàn)對教學(xué)樓的高效管理。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)內(nèi)容為基于ZigBee模塊的教學(xué)樓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。如圖1所示為控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，以一間教室的控制子系統(tǒng)為例。包括數(shù)據(jù)收集模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、子系統(tǒng)控制中心、無線通信模塊以及控制系統(tǒng)的主控制中心和軟件App構(gòu)成。其中數(shù)據(jù)收集模塊有粉塵傳感器、溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、指紋識(shí)別模塊等組成，構(gòu)成教室控制所需信息的收集裝置，便于子系統(tǒng)控制板對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，針對不同的環(huán)境變量進(jìn)行合理的控制，從而達(dá)到適宜教學(xué)活動(dòng)的教室環(huán)境。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括舵機(jī)、OLED顯示屏和紅外發(fā)射器。無線通信模塊由ZigBee模塊和WiFi模塊組成，負(fù)責(zé)信息傳輸和主控板和子系統(tǒng)之間的指令傳輸。主控板以及子系統(tǒng)控制中心使用STM32F103C8T6控制芯片來實(shí)現(xiàn)控制目的。

3.2 從機(jī)程序設(shè)計(jì)

從機(jī)的主要功能是環(huán)境信息的收集和自動(dòng)指令的執(zhí)行。包括多個(gè)傳感器的初始化和STM32外設(shè)初始化，如光照強(qiáng)度傳感器、溫濕度傳感器、指紋識(shí)別模塊、粉塵傳感器、OLED屏幕、ADC、IIC、PWM和USART。其中ADC外設(shè)用于讀取粉塵濃度數(shù)值，IIC則是與OLED和光照強(qiáng)度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，USART連接ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互。PWM用于控制舵機(jī)執(zhí)行。多個(gè)外設(shè)和傳感器根據(jù)設(shè)置的閾值和邏輯執(zhí)行相應(yīng)的自動(dòng)指令[3-4]，實(shí)現(xiàn)對教室的智能化管理。

3.3 主機(jī)程序設(shè)計(jì)

主機(jī)程序主要實(shí)現(xiàn)的功能為接收從機(jī)數(shù)據(jù)并分析數(shù)據(jù)以及連接物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上傳數(shù)據(jù)。初始化USART1用于打印數(shù)據(jù)測試信息方便程序的調(diào)試測試，USART2用于與ZigBee模塊通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收，初始化通用定時(shí)器TIM實(shí)現(xiàn)程序的精確延時(shí)功能，按鍵用來作為配置上網(wǎng)的觸發(fā)條件。因?yàn)橹鳈C(jī)需要實(shí)時(shí)接收從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)更新上較為頻繁，普通的數(shù)組緩存區(qū)在達(dá)到緩存容量時(shí)會(huì)將最新的數(shù)據(jù)舍棄從而造成數(shù)據(jù)的失真，使用環(huán)形隊(duì)列緩存區(qū)則是達(dá)到緩存容量時(shí)舍棄最先緩存的數(shù)據(jù)保證最新接收的數(shù)據(jù)的完整。

3.4 指紋識(shí)別功能程序設(shè)計(jì)

指紋識(shí)別模塊主要用于學(xué)生的上課簽到考勤，系統(tǒng)中設(shè)置了按鍵電路來進(jìn)行指紋識(shí)別模塊的操作，分別對應(yīng)錄入指紋、刪除指紋以及指紋簽到功能。該模塊與MCU之間采用的是串口通信，增加管理員權(quán)限指紋用于錄入和刪除簽到指紋。

4 數(shù)據(jù)發(fā)布功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)布功能采用ESP8266 WiFi模塊[5]可以輕松享受開箱即用的服務(wù)，直接連接網(wǎng)絡(luò)將教室的數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)在手機(jī)App端進(jìn)行查看教室信息。系統(tǒng)中使用的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)為智能云平臺(tái)，一個(gè)智能硬件開發(fā)以及云服務(wù)平臺(tái)。這里需要完成的工作為燒錄gizwits固件，在主機(jī)程序中移植并初始化Gizwits協(xié)議，之后就是對Gizwits協(xié)議中包含的相關(guān)函數(shù)接口進(jìn)行調(diào)用。協(xié)議的初始化函數(shù)如下，其中包含了由于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)延時(shí)功能的定時(shí)器初始化和MCU和WiFi模塊進(jìn)行的連接橋梁——串口通信初始化以及分配內(nèi)存空間。

手機(jī)App連接設(shè)備可以查看主機(jī)上傳的數(shù)據(jù)點(diǎn)信息，如教室的溫濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境數(shù)據(jù)以及學(xué)生的簽到情況。同時(shí)也能在App上進(jìn)行指令的下發(fā)進(jìn)行如教室燈、空調(diào)的控制。

5 實(shí)物制作與系統(tǒng)測試

5.1 實(shí)物制作

使用萬用板作為各個(gè)傳感器模塊以及MCU開發(fā)板的搭建平臺(tái)，在傳感器與萬用板之間的連接方式為先在萬用板上焊接單排母座接插件，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)中用到的傳感器的接口大多為排針可以直接與單排母座連接，在保證連接良好和信號(hào)傳輸穩(wěn)定的前提下，可以提高傳感器的重復(fù)利用效率，不至于因?yàn)橹苯雍附釉谌f用板上造成拆卸煩瑣同時(shí)也方便在模塊出現(xiàn)故障時(shí)的快速更換。

5.2 系統(tǒng)測試

5.2.1 人員進(jìn)出人數(shù)統(tǒng)計(jì)功能調(diào)試

該功能是通過檢查兩個(gè)紅外反射傳感器的輸出電平進(jìn)行判斷，進(jìn)出人數(shù)的增加和減少。這里單獨(dú)連接兩個(gè)紅外反射傳感器進(jìn)行測試，使用數(shù)組記錄不同時(shí)刻的電平狀態(tài)，通過對比不同時(shí)刻的電平情況判斷進(jìn)出的方向，同時(shí)可以通過調(diào)節(jié)模塊的可調(diào)電阻來調(diào)節(jié)測量的有效距離。根據(jù)輸出的測量結(jié)果來看，該模塊的響應(yīng)速度較快，能滿足系統(tǒng)功能的演示需求。

5.2.2 教室環(huán)境數(shù)據(jù)收集測試

通過多次實(shí)地測量數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)對粉塵濃度、環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度等都能穩(wěn)定地測量，且數(shù)據(jù)精度也滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)提出了一種基于ZigBee的教學(xué)樓管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基本上能實(shí)現(xiàn)對教學(xué)樓中眾多教室的智能化管理控制。實(shí)現(xiàn)了對教室環(huán)境數(shù)據(jù)的收集檢測、學(xué)生上課考勤簽到以及自動(dòng)控制指令等功能，通過ZigBee無線通信模塊實(shí)現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)間的數(shù)據(jù)通信，在由主機(jī)連接WiFi將收集到的數(shù)據(jù)信息上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對教室的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，在手機(jī)App上查看教室信息，也方便學(xué)生尋找合適的自習(xí)教室。為高校教學(xué)樓管理或者其他樓宇自動(dòng)化管理提供一種解決方案。下一步將繼續(xù)研究系統(tǒng)的多節(jié)點(diǎn)無線通信數(shù)據(jù)傳輸效率，結(jié)合實(shí)際教學(xué)樓環(huán)境完善系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】

收稿日期：2021-11-08

基金項(xiàng)目：廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目：基于多模態(tài)深度融合的微博情感挖掘（項(xiàng)目編號(hào)：2018GXNSFAA138082）;廣西創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展專項(xiàng)項(xiàng)目：北部灣海洋牧場地理時(shí)空數(shù)據(jù)網(wǎng)格化智慧服務(wù)平臺(tái)研發(fā)與示范應(yīng)用（項(xiàng)目編號(hào)：桂科 AA18118025）

作者簡介：吳曉華（1972—），女，廣西桂林人，工程師，學(xué)士，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)挖掘和大數(shù)據(jù);梁哲（1984—），女，廣西百色人，工程師，學(xué)士，主要研究方向?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)管理;林麗君（1986—），女，河北邢臺(tái)人，助理工程師，學(xué)士，主要研究方向?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)管理、數(shù)據(jù)挖掘和深度學(xué)習(xí);宋韜（1985—），男，廣西桂林人，工程師，學(xué)士，主要研究方向?yàn)檐浖こ?劉同來（1982—），男，江蘇連云港人，通信作者，副教授，高工，博士，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)挖掘和區(qū)塊鏈。