自習室智能管理系統的開發

韓濤 郭欣平 劉天宇

摘 要：本項目的研究背景是根據學校自習室的使用情況，很多高校自習室資源分配不合理，一個自習室沒有幾個同學，從而造成了大量的資源浪費，將為學校增加了很多負擔。智能占座系統相對于人員集中，范圍較小的圖書館，而智能自習室系統更適應人員分散，范圍較大的自習室。自習室的人數，位置不明確，造成了同學們的時間浪費，還可能打擾正在班里上課的同學。本項目的目的是為了節約資源，有效的利用資源，讓同學們更方便的使用自習室。使用智能自習室系統的同時，使得自習室更有效的利用，達到資源節約的效果。對于國家而言，建設資源節約型的信息化社會。讓資源有效利用，減少人力物力。社會的發展，信息化普遍中國，便利的生活漸入人心。智能自習室系統都可以體現。

關鍵詞：自習室;節能智能;資源節約

引 言

隨著能源的日益緊張，節約工作已在全國各地蓬勃發展起來。相對于商業樓宇，校園里的照明燈較多，教室里的教學設備也比較昂貴，在高校中，學生經常需要在課余的時間實用自習室，雖然有些學校會在教學樓大廳顯示空閑的教室，但那些教師有空余的位置就需要同學們一個一個班級去找，及其不方便。而學校為了滿足學生的學習需要會開放大量的自習室供學生使用，因此存在著不管有沒有人燈都亮著，設備丟失等問題。一個教室的浪費看似很少，但如果全國的自習室加起來，就不敢想象了，浪費及其驚人。針對以上情況，本文基于實現智能自習室的節能，既充分利用了教學資源，降低學校運行費用，又能環保，提高學校的科學管理水準，為學生創造了舒適的學習環境。

1 緒論

1.1 現狀

隨著時代的進步，每個教室都有了WiFi，有很多同學拿著學習的幌子去那里玩游戲，導致了位置不夠坐。有的同學，占著位置不來學習，位置白白浪費。在沒有人的教室里，燈還是亮著的。

1.2 存在的問題及對策

自習室存在結構性緊張，大自習室人滿為患。占座現象嚴重，自習室資源大量浪費。自習室存在一些不文明現象，影響他人學習。“丟書”現象時有發生，安全防范不規范。

采用攝像頭實時計算人數，成本適中，準確度相對來說較高。除此之外，在教室內部安裝麥克風，檢測出教室的安靜程度。同時，采用WiFi或4g（在條件允許的情況下）等通信模塊進行無線傳輸數據，將實時獲得的數據發送給云端。采用LCD液晶模塊，顯示出教室的具體人數。同學們可以登錄手機APP或微信公眾號來獲取自習室的實時信息。繼電器的使用，將在教室無人的情況下關閉電燈、風扇、空調等用電設備。從而達到實現節約資源的目的。

2 系統整理方案設計

2.1 設計出實際可用的智能自習室系統遵循以下幾條原則：

（1）較高的人數計算精確度

（2）較強的抗干擾能力

（3）較好的信息傳輸安全性。

（4）較高的穩定性。

（5）相對低的能量消耗。

2.2 系統結構

系統主要包括主控器、計數攝像頭、測噪麥克風、WiFi傳輸模塊、副控制器、數據存儲器、液晶顯示屏等。

2.2.1 人數統計系統

當有人經過時，攝像頭記錄下數據，并傳輸給主控制器，經算法處理后，測得出入人數。

2.2.2 測噪系統

用三極管將麥克風電流信號放大，將其連接至主控制器，對該電流信號進行 模數轉換，得出噪聲大小。

2.2.3數據傳輸系統

用無線傳輸模塊將測得數據上傳至服務器，并發送給位于教室門口的顯示系統。多個教室的數據分別上傳至服務器，構成數據庫，以便進行總體資源調配

2.2.4顯示系統

教室門口的副控制器接收到主控制器發送的數據后，控制液晶模塊顯示相應數據，以便用戶查看教室使用情況。

2.2.5智能分配系統

建立教室使用情況數據庫，用戶在客戶端即可查詢各個教學樓、各樓層教室使用情況。

2.2.6儲存系統

儲存攝像頭原始數據，以便調用，考試時使用，可有效預防作弊。

2.3 模塊設計方案

2.3.1人數統計

對于攝像頭的通道行人計數，目前有很多解決方案，傳統的方法包括：視頻捕獲、目標提取、目標識別、目標跟蹤、軌跡分析等。

經過綜合對比，最終我們選用軌跡分析法，運用該方法的智能攝像頭精準度更高。該方法原理是根據目標的運動軌跡計算目標運動方向和位移，判斷目標是進入還是離開指定區域，從而對目標進行數目統計。

2.3.2 噪聲測量

在教室內安裝小型麥克風，根據麥克風的工作原理，與單片機配合，自制一個聲級計。

聲級計工作原理

（1）由傳聲器（麥克風）將聲音轉換成電信號，

（2）再由前置放大器變換阻抗，使傳聲器與衰減器匹配。

（3）將放大后的信號與單片機I/O相連，用單片機將放大后的電壓進行數模轉換，從而計算出噪聲等級。

2.3.3 數據傳輸

本項目將采用ESP8266WiFi模塊，該模塊操作簡單，只需要在代碼里簡單的配置好通信參數，就能實現通信了。鑒于學校里普遍使用WiFi，所以優先使用WiFi模塊，在后續條件允許的情況下會考慮加入4g模塊。

這里我們主要用到 “建立TCP連接或注UDP端口號”和”發送數據”兩條指令

在 AT 模式下可以通過串口的 AT 指令對系統參數做配置。指令格式僅為：AT+=＼r＼n

常用的指令為：AT+CIPSTART＼r＼n 或 AT+CIPSEND＼r＼n

2.3.4 LCD顯示

副控制器的WiFi模塊接收到數據后，副控制器將收到數據處理后發送給LCD12864進行顯示，包括人數、噪聲程度等。為方便接線，這里選用串行接法：

2.3.5 儲存系統

首先，選用SD卡進行數據備份儲存，將原始數據儲存到SD卡中。通過移植FATFS文件系統，當SD卡沒有剩余空間可以繼續寫入時，使用flseek函數，對之前存儲的數據進行循環覆蓋，即按照時間順序，將新數據寫入，將最早寫入的數據進行覆蓋，循環如此。需要查看卡內數據時，則將原始數據進行取出，進行處理，得到視頻文件以及教室使用日志。

其次，也可將教室課程安排文件提前錄入SD卡，經主控制器處理后，可方便用戶了解教室內是否正在上課。

3 結論

本項目的研究背景是根據各個高校的自習室使用情況，全國各大高校都有著自習室資源分配不合理的現象，自習室的一部分人占用整個教室，從而造成了大量的資源浪費，不僅影響別人的學習，還為學校增加不必要的經濟負擔。

智能自習室系統不僅人性化、智能化，還為圖書館的管理人員和在校學生提供了便捷，在最大程度上節約資源，有效利用資源，實現資源利用最大化。使得學生在自習室自修學習，不用搶座位，大家一起文明自習。

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