用于沉浸式教學的智慧教室監(jiān)控系統(tǒng)設計

王玉香，張喜紅，劉玉梅

(亳州職業(yè)技術(shù)學院智能工程系，安徽亳州 236800)

0 引言

沉浸式學習是學習者通過一定的學習環(huán)境、學習場景，自發(fā)展現(xiàn)出學習需求、激發(fā)出學習熱情的一種狀態(tài).沉浸式學習場景的創(chuàng)建，為學習者提供了現(xiàn)實的、符合認知的、具有關(guān)聯(lián)性和情境性的可交互、可探究的學習環(huán)境，幫助學生克服學習阻力，積極投入學習任務，實現(xiàn)身心合一、自我導向、自得其樂的最優(yōu)學習體驗.[1-3]

本文基于沉浸式學習的需要，在教室這個學生經(jīng)常接觸、使用的場所，利用單片機設計智慧教室監(jiān)控系統(tǒng)，并結(jié)合單片機、傳感器、液晶、語音等硬件選取和程序設計等基礎(chǔ)知識和基本技能，將節(jié)能降耗理念和傳統(tǒng)節(jié)日教育融入系統(tǒng)功能，能讓學生在場景體驗以及功能引導和任務的逐步實現(xiàn)中完成沉浸式學習任務及其相關(guān)學習項目，從而對學生基礎(chǔ)知識和能力、自我探究和學習能力、綜合應用和創(chuàng)新實踐能力、綜合素養(yǎng)和綜合能力的培養(yǎng)都有極大的幫助.

1 系統(tǒng)整體設計

針對教室這個應用場景，可利用單片機創(chuàng)建為沉浸式教學使用的智慧教室監(jiān)控系統(tǒng)，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示.系統(tǒng)由單片機控制部分、時鐘、按鍵、光敏、光電、語音、顯示、控燈和溫濕度模塊構(gòu)成.該系統(tǒng)可以對教室里面的溫度和濕度實時采集并實時顯示，還可以對時間實時顯示；可以實現(xiàn)燈的智能控制，通過光電傳感器檢測當前教室人數(shù)，利用光敏傳感器采集光照度，根據(jù)教室人數(shù)和光照度自動選擇合理的亮燈個數(shù)，并自動實現(xiàn)燈的開關(guān)控制［4］，從而培養(yǎng)學生節(jié)能降耗理念.教室燈也可以通過按鍵實現(xiàn)手動控制.遇到傳統(tǒng)節(jié)日時，語音模塊可以播放簡單的節(jié)日信息，將思政元素融入播報內(nèi)容和系統(tǒng)設計及實現(xiàn)的全過程.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 主要模塊設計

2.1 單片機控制模塊

通常的單片機入門課程以介紹51 系列為主，這里以STC12C5A60S2 單片機設計為例，芯片的引腳如圖2所示.

圖2 STC12C5A60S2的引腳的結(jié)構(gòu)圖

STC12C5A60S2 單片機屬于51 中的增強系列單片機，具有低功耗、高速和超強的抗干擾等特點，內(nèi)部自帶的Flash ROM 達60 K，還集成了MAX810專用的復位電路，提供兩路PWM 等資源，工作電壓為5.5 V～3.3 V，代碼可以與8051兼容，相較而言，性價比較高.

本模塊除單片機，還包括復位、時鐘電路以及供電部分.為便于調(diào)試，采用按鍵復位.這里供電的部分提供了3.3 V、5 V 兩種大小的電壓，其中的3.3 V 的電壓選用SPX1117-3.3 將輸入的電壓進行轉(zhuǎn)換獲得，電路圖如圖3所示.

圖3 電源轉(zhuǎn)換電路

2.2 溫、濕度模塊和時鐘模塊

對溫度和濕度的采集利用DHT11 傳感器，這是一種數(shù)字傳感器，可以輸出已校準數(shù)字信號的溫濕度，可以檢測溫度范圍為0 ℃～50 ℃、濕度范圍為面20% RH～90% RH（2 ℃）.檢測的精確度方面，溫度±2 ℃，濕度±5% RH（在0 ℃～50 ℃時），在穩(wěn)定、可靠、成本、精度、響應等方面都很好.溫濕度模塊電路如圖4所示，其中VCC接3.3～5 V電源，GND 直接外接地，溫濕度以數(shù)字量形式經(jīng)DATA輸出，DATA 接單片機P1.0腳，單片機通過P1.0 腳接收信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸出至LCD12864實時顯示.

圖4 溫濕度模塊電路

系統(tǒng)可以顯示時間，包括年份、月份、日期和時、分、秒，這里選用DS1302 時鐘芯片提供時間信息，采用12 小時的方式顯示［5］.時鐘電路如圖5 所示，其中的VCC 可以接5 V 或者3.3 V 都可以，RST這里接到單片機的P2.3，I/O 接到P2.2，SCLK 控制接到P2.1.

圖5 時鐘電路

2.3 液晶顯示模塊

本設計中，需要同時顯示時間、溫濕度信息.為了對學生進行思政教育，還設計了開機啟動畫面，需要顯示的內(nèi)容涉及漢字、數(shù)字、符號及圖形，結(jié)合顯示的內(nèi)容，為了使程序設計簡潔、低功耗及價格便宜，選取LCD12864 作為顯示屏.為了保證口線資源的最大利用，LCD12864 采用串行方式控制.其中，使能控制E 接P3.4，讀寫控制R/W 接P3.6，寄存器選擇RS 接P3.5.串并方式選擇接口PSB 接單片機P3.7口，通過P3.7 輸出低電平，進而實現(xiàn)串行方式的選擇；如果不考慮使用并行方式，PSB也可以直接接地.電路如圖6所示.

圖6 顯示LCD12864液晶電路

2.4 語音模塊

語音播報目前已廣泛地應用于生活和工作的很多場景中.本系統(tǒng)也設計了語音播報功能，可以設定時間段播報歡迎詞，播報簡單的節(jié)日信息或者表揚語等.設計選用了SYN6288 模塊來實現(xiàn)，SYN6288 具有功耗低、接口簡單、性價比高、識別準確、語音效果好、更智能等特點，通過串行通信方式工作，并且是異步通信.模塊連接如圖7所示，VCC接5V電源，GND直接接地，RXD接單片機TXD（P3.1）腳，TXD接單片機RXD（P3.0）腳，涉及串行通信，這兩個引腳注意交叉相接、不能接錯.BUSY 接單片機P2.6腳，單片機通過P2.6 腳檢測語音模塊工作狀態(tài)，確保語音播報不被打斷.

圖7 語音模塊

2.5 控燈部分

控燈部分由控燈模塊、按鍵、光敏傳感器和光電傳感器構(gòu)成.通過按鍵可以選擇控燈的自動或者手動模式，手動模式時，直接通過按鍵實現(xiàn)燈的開關(guān)控制；自動模式時，燈的開關(guān)控制由教室人數(shù)和光照度共同決定.

對光的情況采集通過選用光敏電阻來實現(xiàn)，光照強度的多少及輸出，可通過調(diào)電位器來改變.工作時，光照強度越高，電阻值越低；反之，光照度越低，電阻值越高；阻值的變化影響比較器的輸入值，進而影響LM393的輸出.光敏電路如圖8所示.數(shù)字量輸出D0 接單片機P2.0，當光線亮度小于設的閾值時，輸出邏輯“1”；當光線亮度等于大于設的閾值時，輸出邏輯“0”.單片機通過P2.0 接收的電平狀態(tài)，得到環(huán)境光照度的變化.

圖8 光敏電路

對教室人數(shù)的監(jiān)測可以采用熱釋電紅外傳感器［6］，也可以通過光電傳感器實現(xiàn).設計中我們采用光電傳感器，選用E18-D80NK 漫反射紅外光電開關(guān)，這種傳感器具備發(fā)射和接收功能，輸出高低電平，即無人為“1”，有人為“0”；可以按照需求調(diào)節(jié)檢測的距離，具有測距遠、精度高、響應快、使用方便等特點［7］.傳感器的安裝需要考慮能夠檢測出人進和人出的問題，才能得出正確的教室內(nèi)人數(shù)，進而為控燈提供人數(shù)依據(jù).為此，在同一門口，墻內(nèi)面墻外面距地面1.2 m 的位置，安裝2 個光電開關(guān)，且要注意2 個開關(guān)不能間隔太小，能區(qū)別出先后信號.使用前要根據(jù)門寬調(diào)節(jié)合適的檢測距離，不能測到對面而影響人數(shù)監(jiān)測.使用時，根據(jù)安裝位置，設定光電開關(guān)A（外）和光電開關(guān)B（內(nèi)），當檢測到先A輸出信號由“1”變?yōu)椤?”，再B輸出信號由“1”變?yōu)椤?”，說明有人進入，室內(nèi)人數(shù)加1；若先B 輸出信號由“1”變?yōu)椤?”，再A 輸出信號由“1”變?yōu)椤?”，說明有人出去，室內(nèi)人數(shù)減1；只有一個光電開關(guān)信號發(fā)生變化時，忽略不計，原人數(shù)不變.光電傳感器電路如圖9所示，兩個光電傳感器輸出信號分別接單片機P2.5引腳和P2.7引腳.

圖9 光電傳感器電路

按鍵采用獨立鍵盤方式，當按鍵設置控燈為手動控制時，直接由按鍵控制燈的亮滅；當設置為自動控燈方式時，單片機將當前采集的光照狀態(tài)和人數(shù)情況與事先設置的閾值相比較，并將控燈指令傳給控燈模塊，由控燈模塊控制相應燈的亮滅.按鍵電路如圖10 所示，其中K1 是控燈模式選擇鍵，系統(tǒng)上電后，默認自動控燈模式，按下K1，進入手動控燈模式；再次按下K1，退出手動模式.教室燈被分為四個區(qū)域，K2是區(qū)域1控燈鍵，K3是區(qū)域1 和2 控燈鍵，K4 是區(qū)域1 到3 控燈鍵，K5 是區(qū)域1到4控燈鍵.

圖10 按鍵電路

控燈模塊包括繼電器和燈，繼電器電路如圖11 所示，控燈信號通過單片機P0 口傳給相應繼電器進而控制相應燈的亮滅，這里用四個繼電器.

圖11 繼電器電路

3 系統(tǒng)軟件設計

設計中將教室的燈劃分成四個區(qū)域，在程序中設置人數(shù)閾值.系統(tǒng)初始化后，顯示當前的時間和室內(nèi)溫濕度，并進入自動控燈模式，結(jié)合當前教室人數(shù)和光照度控制燈的狀態(tài).當沒人時，不管光照度為多少，燈全滅；光線明亮時，不管室內(nèi)有多少人，燈全滅.默認初始狀態(tài)下，室內(nèi)所有燈關(guān)閉，且室內(nèi)無人.系統(tǒng)運行后，實時根據(jù)人數(shù)和光照度的變化，調(diào)整亮燈狀態(tài).光照度分光線不足（圖8中D0 輸出“1”時）和光線充足（圖8 中D0 輸出“0”時）兩種情況，設定教室可容納40人，光線不足時，人數(shù)在10 以內(nèi)，1 區(qū)燈亮；人數(shù)在10～20，1 區(qū)和2 區(qū)燈亮；人數(shù)在20～30，1 區(qū)2 區(qū)3 區(qū)燈亮；超過30人，所有燈全亮.在遇到節(jié)日時，語音會播報節(jié)日信息.主程序流程圖如圖12 所示，其中M 代表教室當前人數(shù).

圖12 主程序流程圖

4 結(jié)語

針對教室這一學生學習的主要場所，利用STC12C5A60S2 單片機設計了集LCD12864 液晶顯示、語音播報、智能控燈等功能的智慧教室監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了教室內(nèi)當前濕度、教室當前溫度以及當前時間的準確顯示、更新；還能播報節(jié)日信息，并能根據(jù)教室人數(shù)和光線的情況實現(xiàn)自動手動兩種控燈模式，培養(yǎng)節(jié)能環(huán)保降耗意識.通過該系統(tǒng)的設計和使用，培養(yǎng)學生學以致用能力，提高學生用所學知識解決實際問題的創(chuàng)新意識、工程意識，使學生在使用系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行功能的完善和進一步延伸，提高學習興趣，為學生創(chuàng)設良好的沉浸式學習氛圍.通過在機電一體化技術(shù)專業(yè)19級、20級的教學實踐，學生們展現(xiàn)出了極大學習興趣，從單一功能模塊相關(guān)知識學習，到功能模塊應用實踐，逐步擴展，直至實現(xiàn)整個系統(tǒng)，由真實的見、聽、控，到主動學、思、探，并且自得其樂，在此過程中，學生也展現(xiàn)出了極大的探索欲和精益求精、勇于克服困難的精神品質(zhì)，系統(tǒng)的應用有效地提升了學習效果.