基于ARM+Linux平臺(tái)的教室管理終端的設(shè)計(jì)

胡永華 林裕生

摘要：將現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)的教室管理模式進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建智能化的教室管理終端，是實(shí)現(xiàn)智能教室系統(tǒng)信息采集和控制的關(guān)鍵設(shè)備。該文設(shè)計(jì)的教室管理終端基于Cortex-A8硬件平臺(tái)及Linux系統(tǒng)構(gòu)建，可以通過實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境亮度及感應(yīng)室內(nèi)人體來調(diào)節(jié)燈光亮度和窗簾開關(guān)，并通過人臉識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)考勤管理。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智慧教室；ZigBee；人臉識(shí)別

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）25-0233-03

1 概述

在物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的帶動(dòng)下，教室管理也逐漸呈現(xiàn)出信息化、系統(tǒng)化發(fā)展趨勢(shì)，教室信息化管理水平將直接影響和決定教育資源的利用水平，是教育多樣性、豐富性的重要基礎(chǔ)。為了充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，全面提升教室信息化水平，必須將現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)的教室管理模式進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，從而發(fā)揮二者融合優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建全新的、信息化管理模式，創(chuàng)造一種基于現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的信息化管理平臺(tái)，從而全面提升教室管理效率水平，真正發(fā)揮教室資源的綜合價(jià)值，為師生信息化應(yīng)用水平的提升創(chuàng)建良好的實(shí)踐環(huán)境。本文研究設(shè)計(jì)的教室管理終端正是實(shí)現(xiàn)該信息系統(tǒng)的關(guān)鍵終端設(shè)備。

2 功能需求分析

在進(jìn)行教室管理終端的設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，需要完成下面幾個(gè)基本的功能需求：1）傳感器的數(shù)據(jù)采集：實(shí)時(shí)獲取光照數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)及人體感應(yīng)情況，能夠拍攝用于人臉識(shí)別和對(duì)比的用戶圖片；2）控制模塊：控制LED燈的數(shù)量，控制電機(jī)的開關(guān)程度實(shí)現(xiàn)窗簾的自動(dòng)升降；3）信息顯示界面：將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示到液晶顯示器上，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；4）考勤管理：輸入用戶考勤信息，發(fā)送指定命令和數(shù)據(jù)到服務(wù)端操作數(shù)據(jù)庫；5）人臉識(shí)別：處理從客戶端發(fā)送的圖片，轉(zhuǎn)碼為Base64并進(jìn)行URL格式處理，發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)到指定的API接口，進(jìn)行人臉識(shí)別和對(duì)比及人體檢測(cè)，獲取得到API接口返回的圖像檢測(cè)結(jié)果并進(jìn)行解析，發(fā)送回客戶端。

3 終端的設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

本文是采用粵嵌公司生產(chǎn)的GEC210開發(fā)板進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)的，它是一款高性能的Cortext-A8核心板，采用三星S5PV210作為主處理器，運(yùn)行主頻可高達(dá)1GHz，可流暢運(yùn)行Android、Linux和WinCE6等高級(jí)操作系統(tǒng)，基本能滿足本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要。硬件整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

模塊與GEC210開發(fā)板連線的接口方式如下：

1） LED是開發(fā)板自帶的用戶可編程LED，直接與CPU的GPIO相連接，低電平有效（點(diǎn)亮），LED1接GPJ2_0，LED2接GPJ2_1，LED3接GPJ2_2，LED4接GPJ2_3。

2） 免驅(qū)攝像頭接USB Host（2.0）接口。

3） 人體紅外感應(yīng)傳感器為HC-SR501，室外的接KP_ROW2引腳，對(duì)應(yīng)寄存器為GPH3_2。室內(nèi)的接EINT0引腳，對(duì)應(yīng)寄存器為GPH0_0。

4） 4相5線步進(jìn)電機(jī)接KP_COL0、KP_COL1、KP_COL2和KP_COL3引腳，依次對(duì)應(yīng)寄存器GPH2_0、GPH2_1、GPH2_2和GPH2_3。

5） 溫濕度模塊（DHT11）接EINT1引腳，對(duì)應(yīng)寄存器GPH0_1。

6） 串口無線組網(wǎng)模塊（DL-LN33）接板上的兩線串口，主模塊接J18串口，后臺(tái)模塊接J22串口。

7） 光照傳感器為GY-302，室內(nèi)的接IIC總線0，對(duì)應(yīng)引腳為I2C_SCL0和I2C_SDA0，對(duì)應(yīng)寄存器GPD1_1和GPD1_0。室外的接GPIO口，使用GPIO模擬IIC，SCL和SDA對(duì)應(yīng)引腳EINT4和EINT3，依次對(duì)應(yīng)寄存器GPH0_4和GPH0_3。

3.2 主線程的設(shè)計(jì)

主線程流程如圖2所示，在主線程的構(gòu)造函數(shù)中完成各功能模塊的初始化，而子線程不斷獲取各傳感器模塊返回的原始數(shù)據(jù)，每獲取一次完整數(shù)據(jù)，如果主線程處于空閑，便發(fā)信號(hào)通知主線程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過取得的數(shù)據(jù)，綜合判斷是否需要開啟照明設(shè)備、是否進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)和是否調(diào)用考勤管理，同時(shí)，更新UI界面各傳感器的數(shù)據(jù)。

3.3 考勤管理設(shè)計(jì)

考勤管理流程如圖3所示，考勤管理線程會(huì)開啟攝像頭對(duì)用戶臉部圖像信息進(jìn)行采集，具備取消、考勤、注冊(cè)和注銷四種功能。其中人臉識(shí)別功能需要根據(jù)第三方API接口服務(wù)的規(guī)定設(shè)置請(qǐng)求數(shù)據(jù)包的格式，包含了api_key用戶編號(hào)、api_secret用戶密碼，image_base64經(jīng)過轉(zhuǎn)碼的圖片數(shù)據(jù)，return_attributes請(qǐng)求得到的數(shù)據(jù)項(xiàng)。這里用到了QUrl類，設(shè)置服務(wù)接口的鏈接地址，然后封裝請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，用QNetworkAccessManager類將數(shù)據(jù)包上傳給指定的鏈接地址，請(qǐng)求視覺識(shí)別服務(wù)，同時(shí)連接finished信號(hào)，當(dāng)收到該信號(hào)，用QNetworkReply類讀取API接口的回復(fù)信息，最后使用QJsonDocument類處理接收到的數(shù)據(jù)，解析得到所需的信息。

3.4 教室亮度調(diào)節(jié)

教室的亮度調(diào)節(jié)流程如圖4所示，亮度調(diào)節(jié)主要根據(jù)用戶設(shè)定的舒適光閥值進(jìn)行設(shè)備的調(diào)整。亮度太低，先考慮自然光，開啟窗簾；窗簾全開，再逐級(jí)增加燈光的亮度。亮度太高，先逐級(jí)降低燈光亮度；燈光關(guān)閉，關(guān)閉窗簾。最后，如果設(shè)備的配置無法調(diào)整舒適的亮度，系統(tǒng)自動(dòng)修改設(shè)定舒適光閥值。

4 終端的實(shí)現(xiàn)

4.1 硬件整體實(shí)現(xiàn)

在實(shí)現(xiàn)了各個(gè)子模塊的功能之后，需要將子模塊集成到整個(gè)系統(tǒng)中。其中，部分關(guān)鍵采用了單例模式，例如：開發(fā)板上的文件傳輸模塊SndClient類，攝像頭模塊Camera類和數(shù)據(jù)獲取子線程DataThread類。這都是為了確保這些功能模塊只能有一個(gè)實(shí)例存在。這避免了對(duì)共享資源的多重占用，一定程度上也節(jié)省了系統(tǒng)資源。

4.2 主程序界面的實(shí)現(xiàn)

主程序界面如圖6所示，用于顯示燈光管理系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)判斷串口控制后臺(tái)程序用戶也可以在界面上設(shè)定舒適光值，系統(tǒng)將運(yùn)行設(shè)備使室內(nèi)亮度在舒適光值±10的范圍內(nèi)，右邊上方文本框顯示亮度調(diào)整結(jié)果。當(dāng)室內(nèi)感應(yīng)不到人體，后臺(tái)將運(yùn)行人體識(shí)別，發(fā)送室內(nèi)人體情況圖片給服務(wù)端識(shí)別，結(jié)果將顯示在右下方文本框，右邊黑框顯示發(fā)送的人體圖片。

4.3 考勤管理界面的實(shí)現(xiàn)

考勤界面負(fù)責(zé)的是登記用戶的進(jìn)出時(shí)間，更新室內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計(jì)。先獲取用戶臉部信息，與用戶圖片庫匹配上，才能對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行相應(yīng)的考勤操作。考勤管理需要調(diào)用到攝像頭模塊Camera類和文件傳輸模塊SndClient類。在界面上實(shí)現(xiàn)了考勤、注冊(cè)和注銷。左上方顯示攝像頭圖像信息，左下方顯示從服務(wù)端返回的執(zhí)行結(jié)果和當(dāng)前的執(zhí)行信息。

5 結(jié)語

本文研究具體以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)設(shè)計(jì)了一種針對(duì)教室科學(xué)管理的專業(yè)信息終端，能實(shí)時(shí)獲取室內(nèi)光照數(shù)據(jù)、人體感應(yīng)數(shù)據(jù)和溫濕度數(shù)據(jù)，并根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用同傳統(tǒng)教學(xué)資源的有機(jī)整合，為廣大師生創(chuàng)造最佳課堂教學(xué)環(huán)境，從而營(yíng)造良好的教學(xué)氛圍，為教學(xué)效果的提升做出顯著貢獻(xiàn)。

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【通聯(lián)編輯：梁書】