基于STM32的智能照明和簽到系統(tǒng)設計

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)能夠通過自動感應人員走動狀態(tài)以決定是否開啟燈具以及開啟燈具的數量，在保證基礎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)

能源及與之相關的環(huán)境是全世界各國最為關注的熱點，對我國來說，由于人口基數大，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LED照明燈具由于國內的消費水平參差不齊、產品自身還存在諸多技術問題有待進一步完善，在當下室內照明仍以熒光燈為主，因此校園用電節(jié)能減排任務亟待解決[1]。同時，簽到、點名作為高?？疾閷W生出勤率的主要方式，通常需占據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，國內教室的照明控制大多采用手動開關，即使加強管理，仍出現忘記關燈的情況，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，都應該利用自然光，節(jié)約用電。為解決上述問題，實現教室照明智能化、人性化控制，設計智能照明控制系統(tǒng)，針對學生考勤的現狀，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)實現一卡通簽到、PC上位機監(jiān)控等功能。

1? ? 基于STM32的系統(tǒng)設計

1.1? 系統(tǒng)硬件設計

本設計主要運用STM32單片機進行開發(fā)。根據系統(tǒng)功能的設計需求，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部分構成;通過物聯網技術真實集成各種智能控制設備的智慧教室進行功能展示和實訓，實現教室環(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、執(zhí)行器、無線通信技術，展現嵌入式系統(tǒng)在智能家居上的應用技術。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客戶端及網關，其中PC客戶端與網關通過以太網通信。

（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簽到，且教室門只在上課時間打開，系統(tǒng)確保教室使用權限不會被濫用。

（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，并根據上課需要變換學習燈光場景。

（3）網關。網關連接以太網絡和所有的教室控制端，實現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、打卡模塊和網關組成，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

根據系統(tǒng)硬件總統(tǒng)設計方案，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

本設計采用無線射頻識別技術（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)獲取相應的數據，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，實現無感簽到。教師PC端能夠以互聯網為媒介獲取人員簽到匯總信息。該技術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、電源轉換模塊、串口模塊、晶振復位模塊以及收發(fā)電路天線。

2? ? 系統(tǒng)設計優(yōu)勢

本設計是智能照明系統(tǒng)和無感簽到系統(tǒng)組成的一個聯動系統(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。在照明基礎上，能通過遠程監(jiān)測并控制各個教室燈具的開關，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閉，避免長明燈現象。還能合理根據教室人數決定開幾盞燈，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，并保存到數據庫中，方便老師統(tǒng)計人數。

（4）一定程度上督促了學生按時到課，提高了到課率。

本設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，本設計將會應用于更多的教學環(huán)境。

3? ? 結語

本文將教室智能照明系統(tǒng)與無感簽到系統(tǒng)的結合，客戶針對高等?？茖W校，未來將會對產品進行完善和升級，結合BIM技術可以更加直觀地了解教室內的情況，用戶可通過相應終端對其實時監(jiān)測與控制，實現更加智能化的功能、網絡化、人性化。

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