基于WiFi物聯網技術的智慧教室系統分析

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解決方案，是基于WiFi物聯網技術與基于RS-485協議的多機通信技術來實現教室互聯控制，可滿足高校對教學用房的智能高效管理。該系統的功能不僅包括窗簾、風扇、電燈等設備的智能總控，而且還包括環境參數采集、人員數量與分布采集、考勤登記、安防監控等決策控制。本系統與現有教室監控系統的解決方案相比，更顯靈活、便捷與高效，符合現今教學樓宇管理綠色節能的先進理念。

關鍵詞：物聯網;智慧教室;WiFi;單片機;RS-485協議

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

隨著物聯網概念的提出，物聯網技術逐漸成為當前熱門話題之一，眾多國際知名企業紛紛投入到物聯網技術的研究中。與此同時，伴隨著電子技術與無線通信技術的快速發展，“智能家居”、“智慧教室”、“智慧城市”等概念也分別涌現，這也成為了科技發展的趨勢。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，以及沒有實現并網監測和控制等[1]。

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

1 ?系統設計

?本智慧教室系統包括微控制器（Microcontroller Unit;MCU）主控系統，人數統計系統，環境參數采集系統，窗簾控制系統，設備控制系統，人員分布采集系統，射頻卡考勤系統和安防系統，其結構如圖1所示。

MCU主控系統之間主要采用RS-485協議的多機通信方式和I/O口中斷方式進行通信，最終實現主控系統對各子系統的數據處理和對外設驅動模塊的控制。

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

1.1 ?子系統設計及原理

?①MCU主控系統。

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

?②人數統計系統。

?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。

?③環境參數采集系統。

?由溫濕度傳感器AM2302、數字光模塊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，而采集的數據也通過RS485模塊發送到主控系統供決策處理。

?④窗簾控制系統。

?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。該子系統可通過超聲波探測確定窗簾的開關狀態及其所在位置，而且可以控制電機拉上窗簾或打開窗簾。

? ⑤設備控制系統。

?由八路繼電器、RS485模塊和STC89C52單片機構成。該子系統能夠接收主控系統指令，通過繼電器開關用電器實施設備的控制。目前，子系統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。

?由攝像頭、串口轉WiFi模塊和STC89C52單片機構成，該系統通過攝像頭采集教室照片，經上位機軟件處理后經WiFi發送人員分布數據至主控系統。

? ⑦考勤系統。

?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協議發送到人員分布采集子系統，經人員分布采集子系統接收后，身份信息數據經由WiFi模塊發送至計算機上位機。本系統還具備自主編寫的Java軟件，可于上位機的考勤界面統計顯示學生的考勤信息。

⑧安防系統。

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

1.2 ?通信單元設計

?本系統主要通過多機通信實現主控系統與環境參數采集系統、窗簾控制系統、設備控制系統之間的通信。多機通信采用RS-485協議，在硬件上通過RS485模塊實現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，具有遠距離傳輸數據優勢，適合應用于教室、講學廳等大型房間實現數據覆蓋。

2 ?軟件設計

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

2.1 ?下位機軟件設計

2.1.1 ?MCU節點程序設計

?MCU程序設計包括主控系統、環境參數采集系統、窗簾控制系統、設備控制系統、人員分布采集系統、射頻卡考勤系統的程序設計。各子系統主要利用外圍設備實現信息采集與顯示、設備控制和通信功能。主控系統接收各子系統信息進行判斷處理后發送指令讓子系統作出相應處理，實現對教室設備控制管理。

2.1.2 ?基于ARM-LINUX的安防系統軟件設計

?安防系統軟件設計包括嵌入式操作系統平臺的搭建，通過Bootload移植、內核移植以及制作Linux根文件系統，在嵌入式操作系統平臺上安裝Mjpeg-streamer軟件實施視頻監控。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的網絡傳輸到瀏覽器，使得瀏覽器可以瀏覽監控信息，從而實現安防功能。

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;自帶數據庫、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

?在人員分布采集子系統中，計算機可通過攝像頭獲得人員分布區域的數據信息，然后通過Java控制程序實現與主控系統的信息交互。人員分布采集子系統的實現原理圖，如圖2所示。

本子系統采用了自主編寫的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

?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，其特色是具有節能模式，通過讀取人員分布信息數據分布規律，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送控制指令，直接與主控系統通信，實現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數據庫功能，可將采集的學生身份信息與計算機數據庫內的信息進行比對，實施考勤記錄入庫。

3 ?結 ?語

?本方案實現了窗簾、風扇、燈等教室設備的智能控制功能，其中，環境參數信息與人數統計、人員分布信息分別通過對應的子系統傳送至主控系統，供主控系統實現智能控制決策。智能控制決策可根據教室實時使用情況，調節能源供應，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，也可通過安防監控系統監控教室的安全狀態，功能豐富。

此外，由于本方案采用WiFi進行數據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秀發展前景。

參考文獻：

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

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

2009.