智能教室監控系統實現路徑

云玉屏

(煙臺汽車工程職業學院 機電工程系， 煙臺 265500)

0 引言

隨著數字化校園建設的深入，教室監控系統成為校園管理的有效手段，在高校教學管理中具有重要的實際應用價值，嵌入式網絡技術作為當前的技術熱點，在信息監控技術領域內，嵌入式遠程監控系統已成為重要的技術方向。促使教室的管理向網絡化、智能化方向發展。

1 系統的總體設計

1.1 系統原理

本文智能教室監控系統主要由硬件監控和上位機監控(主要由PHP開發)構成，硬件監控系統負責檢測PM2.5、溫濕度、二氧化碳濃度及光照強度等環境數據，再將其上傳到監控平臺；設定空調狀態、處理顯示室內環境及監測門窗關閉情況等功能則由上位機監控平臺負責完成。具體監控過程為：由傳感器完成環境信息的測量，再由硬件監控系統將其匯總并上傳到數據庫，最后在網頁端顯示出來，通過監控平臺教室管理者能夠控制教室內的空調，提高對教室的自動監控水平，保證良好的室內環境及安全[1]。

1.2 硬件設計

系統主要由環境信息采集、紅外遙控、無線通信、電源及液晶顯示等模塊構成，環境信息采集與主控模塊主要通過傳感器完成對環境(包括溫濕度、光照、甲醛、二氧化碳、PM2.5等)的監測功能，總體框架如圖1所示。

圖1 系統總體框架

2 系統主要功能模塊設計

2.1 信息采集與主控制模塊

該模塊主要功能在于對教室內溫濕度、光照強度、PM2.5濃度等進行測量，本文系統單片機采用基于Coretex-M3內核的STM32F103型(意法半導體公司生產，32位ARM芯片系列)，該系列中ZET6為高容量芯片(擁有144引腳)，主頻為72MHz的SRAM(64kB)具有地址線26位和數據寬度16位，單片機USART1接口連接SIM900通信模塊，USART2連接紅外遙控模塊，PM2.5傳感器同USART4接口相連，甲醛傳感器則連接UART5接口，發難度低，準確率高；二氧化碳傳感器采用MG811，同引腳PA1相連(設置為A/D功能)，因其輸出阻抗較大而難以在STM32單片機中直接接入，通過添加阻抗變換電路降低輸出阻抗至可測量的范圍；溫濕度傳感器采用復合傳感器DHT21(已校準數字信號輸出)同具備普通I/O口的PG11相連接，其所輸出的數字信號為格式為40位，其中濕度和溫度數據各16 bit，外加8 bit校驗，具體的溫度和濕度信息通過單片機處理后完成對應結果的計算；光照傳感器采用BH1750FVI同具備普通I/O口的PB10，PB11相連接，光照傳感器采用IIC總線通信協議，無需單片機進行轉換，輸出為數字量數據。具體電路如圖2所示[2]。

圖2 信息采集電路圖

2.2 電源模塊及紅外遙控模塊

作為DC-DC轉換芯片，TPS5430的轉換效率較高，輸入電壓范圍在5.5 V-36 V范圍內均可，開關電源輸入的12 V電壓通過采用TPS5430作為穩壓芯片轉換為5 V電壓。

系統通過紅外遙控對教室內空調進行控制，可實現對外編碼的學習功能，單片機對紅外遙控模塊的控制(包括IC的參數設置，初始化及信號發射)主要采用USART串口方式實現，該模塊采用載波學習型，內部集成的高性能MCU可以對不同載波頻率進行學習，識別出編碼格式，在E2PROM中即可存儲紅外編碼，降低了系統開發的難度。

2.3 無線通信模塊

該模塊與主控制板分離，主要構成部分為PIC單片機和SIM900A，SIM900與單片機以及單片機與主控單元進行通信時需通過串口完成，為提高信號遠距離傳輸的質量和效率，將單片機的TTL電平采用電平轉換芯片(MAX233、SP3232)轉換為232電平，具體結構如圖3所示。

圖3 無線通信模塊結構圖

將硬件部分采集到的環境信息以GPRS上網的方式上傳到監控平臺，通過該模塊還能夠將教室內的教學狀況(學生出勤情況及課堂表現及教師授課情況)及門窗狀態傳送至紅外遙控模塊，從而能夠對教室內人數進行統計，遠程控制教室內的教學秩序等情況，該模塊會以短信提醒的方式將異常的教學秩序等信息發送給學校教室及教師等相關管理者，輔助其做出合理的預案[3]。

3 軟件設計

軟件設計主要注重關鍵模塊功能的實現，主控制器模塊的功能實現：主要包括采集環境信息及發送紅外遙控指令；學習存儲及發送紅外編碼則需通過紅外遙控模塊實現；無線遙控模塊負責實現數據傳輸過程，此外為提高數據傳輸中的準確率，將CRC校驗加入到了監控平臺程序設計中。

3.1 主控制模塊的實現

為確保教室內的環境處于合理范圍內，該部分主要包含與無線傳輸模塊及紅外遙控模塊的通信、傳感器驅動與處理，及結果顯示等，程序的開發平臺采用Keil uVision4，編寫程序時使用C語言完成，主控制單元程序流程如圖4所示。

圖4 主控制單元程序流程圖

各教室內環境信息的獲取通過傳感器完成測量，然后通過無線通信模塊傳送至監控平臺，監控平臺關鍵事件情況發出相應的控制指令，并發送紅外編碼。

3.2 無線通信模塊的實現

對各教室環境進行遠程監控時，遠程服務器的IP地址通過網頁瀏覽進行訪問實現各教室信息的通信過程，在局域網內為避免與其他主機產生沖突阻礙通信的正常進行，需確保各教室的mac地址和IP地址的唯一性[4]，主機IP設置程序如下：

Static unsigned char mymac[] ={0x54 , 0x55, 0x58, 0x10 , 0x00 , 0x24};

Tatic unsigned char myip[] = {192 , 168 , 1 , 15};

Static char baseur 1 [] = "http : // 192.168.1.15/";

/＊ip地址

Static unsigned int mywwwport = 80 ;/＊tcp/

www監聽端口號，范圍為：1-254＊/

Static unsigned int myudpport = 1200 ; / ＊udp

#define BUFFER _ SIZE 1500

Static unsigned char buf [BUFFER_SIZE + 1];/＊發送數據緩沖區 ＊/

在TCP的發送緩沖區內寫入數據通過函數print _ webpage (unsigned char on _ off)實現，對需要監測的相關信息和動作(包括溫度、PM2.5、燈的開關等)需分別在該函數中完成相應的賦值，然后在此基礎上對cmd進行定義，進而可以依據不同的cmd值實現相應的控制切換過程，從而實現網頁控制的界面，滿足遠程控制的需求，關鍵部分程序如下：

Cmd=analyse_get_url ((char＊)&(buf[dat_p+5]));

If ( cmd ==-1)

{

Plen = fill_tcp_data_P (buf,0,PSTR("HTTP / 1.0401 unauthorized / r /n content—Type:

Text/html "));

Go to sendTCP;

}

If (cmd = = 1) // 用戶程序，調節空調

{

Zt=0x10;//頁面跳轉

Kz(zt);//執行切換

}

3.3 監控平臺的程序設計

作為腳本語言的一種PHP因具備良好的兼容性、高效的運行效率以及強大的數據庫支持等優勢而得以迅速發展，通過PHP對監控平臺的設計開發，實現了管理人員對教室內的環境質量狀況實時檢測和調整，監控系統主要由設定空調信息、接收與存儲數據、發送與顯示環境信息構成，監控平臺程序流程如圖5所示。

圖5 監控平臺程序流程框圖

方便管理人員對教室內環境質量狀況進行實時掌握，通過比對數據庫中的環境信息，可實現自動控制教室內的環境，從而使其保持在合理范圍內[5]。

4 系統檢測

為檢測本文智能教室監控系統的實際應用情況，在硬件設備安裝完成后通過系統在某學校的實際安裝使用進行測試，檢測結果表明教室內溫濕度、PM2.5濃度、光照等信息的實時觀察通過實時數據顯示界面即可實現，監控平臺實時數據顯示結果如表1所示。

表1 監控平臺實時數據顯示

教室管理人員據此可對教室內環境變化進行實時監控，對教室內的溫度還可以通過空調的遠程控制進行調節，方便快捷，能夠準確地檢測測試圖像中人頭,極大的方便了課堂秩序的維護，此外還能夠以短信報警的方式將不正常的教室內環境及門窗狀態等信息發送給學校教室相關管理者，輔助其做出合理的控制預案，極大的方便了師生的學習，有助于高校的信息化、數字化和智能化建設。

5 總結

本文主要對智能教室環境監控系統進行設計，對教室內環境的實時檢測及遠程控制通過智能傳感器技術及監控平臺的應用實現，系統通過校園網采用STM32單片機及傳感器，通過網絡平臺發送紅外遙控編碼對二氧化碳濃度、溫濕度、光照傳及甲醛、PM2.5等指標進行實時和監控，判別門窗關閉等，通過串口實現遠距離通信，數據傳輸過程中的校驗模塊提高了傳輸的質量和效率，通過PHP語言的使用使監控平臺能夠提供直觀的監測控制效果，從而實現對教室內環境狀況的智能檢測及防盜報警等功能，方便升級、執行機構擴展，測試結果表明系統能夠滿足實時監控教室環境的需求，提升了教室的運行效率及管理水平，確保了教室安全，有助于高校的信息化、數字化和智能化建設。