基于WiFi物聯(lián)網技術的智慧教室系統(tǒng)分析

邱煥枝+陳永燦+范潮升+符友燁+徐海濤

摘 ?要：文章所設計的智慧教室系統(tǒng)解決方案，是基于WiFi物聯(lián)網技術與基于RS-485協(xié)議的多機通信技術來實現(xiàn)教室互聯(lián)控制，可滿足高校對教學用房的智能高效管理。該系統(tǒng)的功能不僅包括窗簾、風扇、電燈等設備的智能總控，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)今教學樓宇管理綠色節(jié)能的先進理念。

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

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

隨著物聯(lián)網概念的提出，物聯(lián)網技術逐漸成為當前熱門話題之一，眾多國際知名企業(yè)紛紛投入到物聯(lián)網技術的研究中。與此同時，伴隨著電子技術與無線通信技術的快速發(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，主要體現(xiàn)為控制技術不夠完善，缺乏高性能的上位機控制軟件，人機互動較少，以及沒有實現(xiàn)并網監(jiān)測和控制等[1]。

本文介紹智慧教室的實現(xiàn)方案，體現(xiàn)物聯(lián)網的三個層次（應用層、網絡層、感知層），具有窗簾、風扇、燈光設備控制，教室環(huán)境參數(shù)采集，人數(shù)統(tǒng)計與人員分布采集、考勤登記和安防監(jiān)控等豐富的功能[2]。本方案還結合物聯(lián)網技術，以WiFi無線網絡實現(xiàn)測量終端的全面覆蓋。通過上位機軟件，主控系統(tǒng)不僅能夠實現(xiàn)人工獨立控制設備功能，而且能夠實現(xiàn)智能自動控制功能。此外，本系統(tǒng)還可以讀取教室內人員的分布信息，接收考勤信息，實現(xiàn)人機交互，充分體現(xiàn)智能化、靈活化和便捷化。

1 ?系統(tǒng)設計

?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)計系統(tǒng)，環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)，窗簾控制系統(tǒng)，設備控制系統(tǒng)，人員分布采集系統(tǒng)，射頻卡考勤系統(tǒng)和安防系統(tǒng)，其結構如圖1所示。

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

?安防系統(tǒng)則是通過嵌入式系統(tǒng)驅動監(jiān)控攝像頭采集視頻信息，嵌入式系統(tǒng)處理并發(fā)送到遠程服務器終端，由遠程服務器實施監(jiān)控與顯示。

1.1 ?子系統(tǒng)設計及原理

?①MCU主控系統(tǒng)。

? 由12864顯示模塊，RS485模塊和STC89C52單片機構成，通過多機通信實現(xiàn)對子系統(tǒng)信息采集與控制。

?②人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)。

?由一對超聲波探測器、1602液晶顯示器、RS485模塊和STC89C52單片機構成，能夠識別人員進出教室的行為，并將教室在用人數(shù)實時顯示，同時通過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單片機構成。該子系統(tǒng)可自動采集教室內溫濕度、光照度值，并且可實時顯示，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)。

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

? ⑤設備控制系統(tǒng)。

?由八路繼電器、RS485模塊和STC89C52單片機構成。該子系統(tǒng)能夠接收主控系統(tǒng)指令，通過繼電器開關用電器實施設備的控制。目前，子系統(tǒng)可以進行電燈和風扇的開關控制，也可拓展到其他用電器的開關控制上。

?⑥人員分布采集系統(tǒng)。

?由攝像頭、串口轉WiFi模塊和STC89C52單片機構成，該系統(tǒng)通過攝像頭采集教室照片，經上位機軟件處理后經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IC卡和STC12LE5A60S2單片機組成。RFID模塊可對S50感應IC卡進行識別，采集IC卡中保存的學生身份信息（如姓名、學號等）后，通過模擬SPI協(xié)議發(fā)送到人員分布采集子系統(tǒng)，經人員分布采集子系統(tǒng)接收后，身份信息數(shù)據(jù)經由WiFi模塊發(fā)送至計算機上位機。本系統(tǒng)還具備自主編寫的Java軟件，可于上位機的考勤界面統(tǒng)計顯示學生的考勤信息。

⑧安防系統(tǒng)。

? 由監(jiān)控攝像頭，嵌入式系統(tǒng)，路由器和計算機構成，通過嵌入式系統(tǒng)驅動監(jiān)控攝像頭，將采集、處理后所得到的視頻信號通過路由器發(fā)送至服務器，服務器端可實時顯示監(jiān)控情況，從而實現(xiàn)遠程視頻監(jiān)控功能。

1.2 ?通信單元設計

?本系統(tǒng)主要通過多機通信實現(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)、設備控制系統(tǒng)之間的通信。多機通信采用RS-485協(xié)議，在硬件上通過RS485模塊實現(xiàn)TTL電平與RS-485電平的轉換，它采用差分輸出和差分輸入，使用雙絞線設置，具有遠距離傳輸數(shù)據(jù)優(yōu)勢，適合應用于教室、講學廳等大型房間實現(xiàn)數(shù)據(jù)覆蓋。

2 ?軟件設計

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

2.1 ?下位機軟件設計

2.1.1 ?MCU節(jié)點程序設計

?MCU程序設計包括主控系統(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)的程序設計。各子系統(tǒng)主要利用外圍設備實現(xiàn)信息采集與顯示、設備控制和通信功能。主控系統(tǒng)接收各子系統(tǒng)信息進行判斷處理后發(fā)送指令讓子系統(tǒng)作出相應處理，實現(xiàn)對教室設備控制管理。

2.1.2 ?基于ARM-LINUX的安防系統(tǒng)軟件設計

?安防系統(tǒng)軟件設計包括嵌入式操作系統(tǒng)平臺的搭建，通過Bootload移植、內核移植以及制作Linux根文件系統(tǒng)，在嵌入式操作系統(tǒng)平臺上安裝Mjpeg-streamer軟件實施視頻監(jiān)控。Mjpeg-streamer是一個開源軟件，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的網絡傳輸?shù)綖g覽器，使得瀏覽器可以瀏覽監(jiān)控信息，從而實現(xiàn)安防功能。

2.2 ?上位機軟件設計

?上位機軟件主要包括兩個方面，對教室內人員分布特征進行提取的MATLAB程序;自帶數(shù)據(jù)庫、具有GUI人機交互界面的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，計算機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控制程序實現(xiàn)與主控系統(tǒng)的信息交互。人員分布采集子系統(tǒng)的實現(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，主要用于計算機驅動攝像頭實時采集教室的室內圖片。在實施人員分布特征提取時，計算機需要采集并存儲一張教室無人時的圖片，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，與無人圖片進行比對，獲得特征信息。

特征信息提取需運用的圖像處理方法包括：8Bit灰度值轉換、均值降噪、加減法運算、二值化等。

2.2.2 ?Java軟件的開發(fā)

?本方案還采用了Java語言設計了上位機控制軟件。控制軟件具有友好的交互操作界面，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，對教室內用電設備實施智能化自動控制。控制軟件還具有管理員模式，可對用電設備實施管理員獨立控制模式。

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，實現(xiàn)對教室內用電設備的遠程獨立控制。

?另外，Java軟件還兼有考勤系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫功能，可將采集的學生身份信息與計算機數(shù)據(jù)庫內的信息進行比對，實施考勤記錄入庫。

3 ?結 ?語

?本方案實現(xiàn)了窗簾、風扇、燈等教室設備的智能控制功能，其中，環(huán)境參數(shù)信息與人數(shù)統(tǒng)計、人員分布信息分別通過對應的子系統(tǒng)傳送至主控系統(tǒng)，供主控系統(tǒng)實現(xiàn)智能控制決策。智能控制決策可根據(jù)教室實時使用情況，調節(jié)能源供應，努力減少能源的浪費。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時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進行數(shù)據(jù)傳送以及計算機上位機自編程序軟件處理，后期還可以在多個方面進行功能擴展，具有較好的實用價值和優(yōu)秀發(fā)展前景。

參考文獻：

[1] 劉艷來.物聯(lián)網技術發(fā)展現(xiàn)狀及策略分析[J].中國集體經濟，2013，（9）.

[2] 韋東山.嵌入式LINUX應用開發(fā)完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，

2009.