自習室、圖書館人數監測統計顯示系統設計

樂麗琴，賀素霞，吳 亮 ，秦世超

（黃河科技學院 信 息工程學院，河南 鄭 州 4 50063）

隨著高校不斷擴招，人數急劇增加，自習室、圖書館成了各學校緊缺的資源，尤其自習室座位緊張，課外時間經經常看到學生穿梭于各樓層僅為找個自習室座位。自習室人數分布不均，一些自習室人滿為患而另一些自習室卻幾乎無人自習。學生不清楚自習室是否被占用，也不清楚自習室當前人數，往往浪費大量時間尋找自習室。然而目前國內尚無針對高校的此類系統，因此設計一套能夠實時顯示自習室、圖書館人數，方便管理人員合理管理調配資源的系統便顯得尤為重要。

基于以上原因，我們設計了基于紅外傳感器的多功能自習室、圖書館人數監測統計顯示系統。顯示屏幕可以安置于教學樓自習室、圖書館的一樓或各個教室等，屏幕顯示該樓所有教室的使用狀態[1-2]。而且各樓層自習室當前人數在一樓大廳大屏幕的動態顯示，為同學提供一個更加方便、更加人性化的自習條件。另外該系統能夠實現個自習室或圖書館人流量的自動統計，管理人員能隨時從系統調出歷史統計數據，方便管理人員總結每天、每周、每月的人流量規律，從而更有利于合理管理調配資源。該系統的語音報警提示功能，當自習室沒人超過10分鐘以上沒人時還能實現語音報警提示。日常教學使用過程中，每個教室的狀態到一定的時間階段可自動轉變狀態顯示。即教室在到達規定時間時會自動跳轉成相應的顯示狀態，系統同時也具有手動查詢教室歷史使用狀態的功能，教室人數同時也進行顯示，此時老師可以通過查看教室人數確定當堂課該班級的出勤率。目前尚未發現此類已被實際應用的產品，能很好地填補市場空白。

1 系統原理描述

本系統由一個教學樓總機控制系統和n個自習室人數統計子系統及大屏幕顯示控制系統組成。

1.1 系統功能及其框架圖

統計教室人數及顯示教室狀態：該系統通過紅外感應裝置[3]能準確的統計每個教室的人數，人走進教室則計數器自動增加，反之減少。教室人滿時進行亮燈以及蜂鳴提示，多教室顯示系統通過總線將教室使用信息傳至主機，由主機進行數據的集中處理，發送給顯示控制單元進行統一顯示，學生通過統一的大屏幕，可以一目了然看到教學樓內各個教室的具體使用情況。整體設計框架如圖1所示。

圖1 整體設計框架Fig.1 Overall design framework

1.2 系統硬件電路設計

整個系統的硬件部分分為：

1）對射型紅外傳感器模塊

紅外對射模塊分為紅外發射和紅外接受兩個部分，發射模塊[4]經過脈沖編碼調制的脈沖電信號轉化成對應的脈沖紅外光信號，接收模塊在接收到脈沖時將光信號轉換成對應的脈沖電信號，主要進行紅外信號的發射與接收。

2）波形整形模塊

利用滯回比較器將接收到的脈沖電信號整形，并消除抖動以及干擾，防止誤碼。由于紅外模塊輸出的是12 V電平信號，不能被單片機直接接收，所以比較器還起到信號電平轉換的作用，輸出標準的TTL電平。

3）51單片機從機模塊

各從機不停的檢測各個自習室是否有人進出。當有人通過時立即觸發外部中斷，對自習室或圖書館內人數余座進行數據處理，然后將數據保存在數據緩存區[5-6]。當主機向從機發送地址后，各從機將接收到的地址同自己的地址進行比較，如果地址一致，則向主機發送數據緩存區的數據。

4）語音模塊

當自習室該鎖門的時候，語音模塊提前幾分鐘，通知大家盡快離開自習室或圖書館。防止人被鎖在自習室里面。

5）電源模塊

電源模塊為系統的供電部分，提供+12 V、+5 V兩組穩壓電源。電源包含降壓，整流，濾波，穩壓幾部分，采用7805和7812輸出+5 V和+12 V電壓為其他模塊供電。

6）時鐘系統模塊

時鐘系統模塊主要為整個主機單元系統提供時間信息。時鐘單元是達拉斯公司的DS1302時鐘芯片提供系統時鐘，該芯片計時準確，配備冗余電源（電池）可以實現掉時鐘繼續運行的功能，而且功耗極低。然后將每天的人流量等信息保存起來，方便日后查詢，統計。從而可以對歷史數據進行分析與總結，可以對自習室的管理任務進行適當的調度。

7）點陣控制單元模塊

點陣顯示使用市場上技術比較成熟的P10戶外單色點陣屏作為顯示器。由主機通信獲得需要的狀態數據，然后驅動顯示屏將數據顯示出來。使用成熟產品，這樣能節省很多成本。因為8位單片機雖價格便宜但速度慢，所以使用單片機來掃描顯示，在軟件設計上會比較吃力。經過反復優化和修改程序，最終突破了軟件的瓶頸，綜合考慮使用8位單片機。

8）51單片機主機單元模塊

單片機系統極易受到強電磁場、溫度、濕度等的干擾，在諸多干擾源中，來自電網電壓的波動、尖脈沖干擾、瞬間斷電對單片機的工作是一些很重要的干擾源，它使單片機不能連續正常工作。采用上電自動復位電路，使單片機上電后保持兩種確定的狀態，要么復位，要么工作，電源突然出現的短脈沖不會造成異常狀態，確保系統正常工作。主機模塊負責收集各組數據，并與其各子模塊通信，發送子模塊需要的相關數據。

9）點陣顯示模塊

定時切屏，顯示各個自習室當前有多少人，還剩余多少空座。

10）鍵盤模塊

便于用戶選擇模式，查詢歷史數據記錄。鍵盤采用矩陣鍵盤，電路簡單，按鍵較多，制造成本低廉。

1.3 系統軟件設計

系統軟件設計包括主機主程序、數據采集從機主程序、從機串口中斷服務程序、主機通信子程序等。從機程序如圖2所示，主機程序如圖3所示。

2 系統可拓展功能

1）煙感報警系統，感應裝置檢測到火情后，則在終端和教室內發出警報，并由屏幕顯示出來，以便于消防員準確地對有火情的教室進行快速有效的處理。

2）燈光系統，光線較好電燈關閉或晚上同學們都自習完回宿舍后，自習室人數顯示為0，由報警裝置向終端進行語音提示，遠程遙控關閉教室的用電器，可節省用電。

圖2 從機程序圖Fig.2 From machine program diagram

圖3 主機程序圖Fig.3 Host machine program diagram

3 技術特點與創新性

1）整個數據采集模塊采用對射型紅外傳感器，控制處理的單片機采用的是STC89C52單片機[7]，此單片機成本低，穩定性好，且能滿足本設計方案要求。

2）總體架構方案采用模塊化設計思想，系統人流檢測部分、統計部分、顯示驅動部分相互獨立利于擴展功能。為確保數據采集的穩定性和準確性，采用大功率紅外對射傳感器進行數據采集。數據通信方式主要有并行數據通信與串行數據通信兩種。考慮到串行數據通信只需要一對數據傳送線進行信息的傳送，所需傳輸線條數極少，傳送成本較低，特別適用于分級、分層和分布式控制系統以及遠距離通信之中，故本設計選擇串行數據通信。通過RS-232總線進行各從機與主機的通信，由單片機進行控制和分析。

3）各監測從機單元在通過紅外對射管采集信號時，采用軟件紅外調制技術，使整個系統的抗干擾性大大增強，設計靈活、方便，而且成本不高，也適合于在比較惡劣的環境下進行現場數據測量。能夠實現教室人數狀態的實時顯示，以及指示燈與蜂鳴器的報警、語音提示等功能。

4）系統擴展接口較多，方便功能擴展。

4 結束語

該課題完成了多樓層多個教室人數統計及教室狀態的顯示，并且在實踐過程中解決了步速不同、身體寬窄對檢測結果的影響，而且能夠進行教室的歷史使用數據準確查詢顯示，多教室顯示系統通過總線將教室使用信息傳至主控MCU單元，由由主控單元經進行數據處理集中統一顯示，學生通過統一的大屏幕，可以一目了然看到教學樓圖書館、自習室內各個教室的具體使用情況，具有很大的使用價值。歷史統計數據掉電不丟失，可隨時調出數據。

在信息時代，科技正以其不斷的進步與創新來改變著我們的生活，智能科技重構了“人、科技和生活”之間的互動聯系，豐富著生活的內涵，改善了人們的生活理念，并不斷創造著智能化的生活體系。那么自習室、圖書館人數監測統計顯示系統現在就可以得到卻又同樣是生活與科技的完美結合。

[1]賀云超，郭麗.基于紅外傳感器的多功能教室狀態監測系統[J].中國科技信息，2012（14）:87-89.

HE Yun-chao，GUO Li.Multi-function classroom state monitoring system based on infrared sensor[J].Science and Technology Information of China，2012（14）:87-89.

[2]鐘鼎，尹媛媛.基于STM32人流量統計監控系統設計 [J].電子設計工程，2011，19（20）:94-96.

ZHONG Ding，YIN Yuan-yuan.Traffic statistics monitoring and control system design based on STM32[J].Electronic Design Engineering，2011，19（20）:94-96.

[3]周官喜，王德興.基于WT588D語音芯片的紅外防盜報警系統[J].電腦知識與技術，2012，8（8）:355-357.

ZHOU Guan-xi，WANG De-xing.Infrared security alarm system based on the WT588D voice chip[J].Computer Knowledge and technology，2012，8（8）:355-357.

[4]肖佳，楊波.基于熱釋電紅外傳感技術的目標定位研究[J].紅外，2011，32（12）：17-22.

XIAO Jia，YANG Bo.Targeting research based on the pyroelectric infrared sensor technology[J].Infrared，2011，32（12）:17-22.

[5]王建鵬，張聰.基于單片機的教室人數統計系統設計[J].民營科技，2011（11）：331-333.

WANG Jian-peng，ZHANG Cong.The classroom number statistics system design based on single chip microcomputer[J].Private Science and Technology，2011（11）:331-333.

[6]沙占友，王彥明，孟志永.單片機外圍電路設計[M].北京:電子工業出版社，2003

[7]周鵬.基于STC89C52單片機的溫度檢測系統設計[J].現代電子技術，2012（22）:10-13.

ZHOU Peng.Design of system temperature detection based on STC89C52 microcontroller[J].Modern Electronics Technique，2012（22）:10-13.