用于沉浸式教學(xué)的智慧教室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王玉香，張喜紅，劉玉梅

(亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能工程系，安徽亳州 236800)

0 引言

沉浸式學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者通過(guò)一定的學(xué)習(xí)環(huán)境、學(xué)習(xí)場(chǎng)景，自發(fā)展現(xiàn)出學(xué)習(xí)需求、激發(fā)出學(xué)習(xí)熱情的一種狀態(tài).沉浸式學(xué)習(xí)場(chǎng)景的創(chuàng)建，為學(xué)習(xí)者提供了現(xiàn)實(shí)的、符合認(rèn)知的、具有關(guān)聯(lián)性和情境性的可交互、可探究的學(xué)習(xí)環(huán)境，幫助學(xué)生克服學(xué)習(xí)阻力，積極投入學(xué)習(xí)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)身心合一、自我導(dǎo)向、自得其樂(lè)的最優(yōu)學(xué)習(xí)體驗(yàn).[1-3]

本文基于沉浸式學(xué)習(xí)的需要，在教室這個(gè)學(xué)生經(jīng)常接觸、使用的場(chǎng)所，利用單片機(jī)設(shè)計(jì)智慧教室監(jiān)控系統(tǒng)，并結(jié)合單片機(jī)、傳感器、液晶、語(yǔ)音等硬件選取和程序設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)知識(shí)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(xué)生在場(chǎng)景體驗(yàn)以及功能引導(dǎo)和任務(wù)的逐步實(shí)現(xiàn)中完成沉浸式學(xué)習(xí)任務(wù)及其相關(guān)學(xué)習(xí)項(xiàng)目，從而對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)知識(shí)和能力、自我探究和學(xué)習(xí)能力、綜合應(yīng)用和創(chuàng)新實(shí)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(shè)計(jì)

針對(duì)教室這個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，可利用單片機(jī)創(chuàng)建為沉浸式教學(xué)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(jī)控制部分、時(shí)鐘、按鍵、光敏、光電、語(yǔ)音、顯示、控?zé)艉蜏貪穸饶K構(gòu)成.該系統(tǒng)可以對(duì)教室里面的溫度和濕度實(shí)時(shí)采集并實(shí)時(shí)顯示，還可以對(duì)時(shí)間實(shí)時(shí)顯示；可以實(shí)現(xiàn)燈的智能控制，通過(guò)光電傳感器檢測(cè)當(dāng)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(dòng)選擇合理的亮燈個(gè)數(shù)，并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)燈的開(kāi)關(guān)控制［4］，從而培養(yǎng)學(xué)生節(jié)能降耗理念.教室燈也可以通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制.遇到傳統(tǒng)節(jié)日時(shí)，語(yǔ)音模塊可以播放簡(jiǎn)單的節(jié)日信息，將思政元素融入播報(bào)內(nèi)容和系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)的全過(guò)程.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 主要模塊設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制模塊

通常的單片機(jī)入門(mén)課程以介紹51 系列為主，這里以STC12C5A60S2 單片機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)屬于51 中的增強(qiáng)系列單片機(jī)，具有低功耗、高速和超強(qiáng)的抗干擾等特點(diǎn)，內(nèi)部自帶的Flash ROM 達(dá)60 K，還集成了MAX810專用的復(fù)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(jià)比較高.

本模塊除單片機(jī)，還包括復(fù)位、時(shí)鐘電路以及供電部分.為便于調(diào)試，采用按鍵復(fù)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(jìn)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(shí)鐘模塊

對(duì)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(zhǔn)數(shù)字信號(hào)的溫濕度，可以檢測(cè)溫度范圍為0 ℃～50 ℃、濕度范圍為面20% RH～90% RH（2 ℃）.檢測(cè)的精確度方面，溫度±2 ℃，濕度±5% RH（在0 ℃～50 ℃時(shí)），在穩(wěn)定、可靠、成本、精度、響應(yīng)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(jī)P1.0腳，單片機(jī)通過(guò)P1.0 腳接收信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸出至LCD12864實(shí)時(shí)顯示.

圖4 溫濕度模塊電路

系統(tǒng)可以顯示時(shí)間，包括年份、月份、日期和時(shí)、分、秒，這里選用DS1302 時(shí)鐘芯片提供時(shí)間信息，采用12 小時(shí)的方式顯示［5］.時(shí)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(jī)的P2.3，I/O 接到P2.2，SCLK 控制接到P2.1.

圖5 時(shí)鐘電路

2.3 液晶顯示模塊

本設(shè)計(jì)中，需要同時(shí)顯示時(shí)間、溫濕度信息.為了對(duì)學(xué)生進(jìn)行思政教育，還設(shè)計(jì)了開(kāi)機(jī)啟動(dòng)畫(huà)面，需要顯示的內(nèi)容涉及漢字、數(shù)字、符號(hào)及圖形，結(jié)合顯示的內(nèi)容，為了使程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、低功耗及價(jià)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(xiě)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(jī)P3.7口，通過(guò)P3.7 輸出低電平，進(jìn)而實(shí)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(yǔ)音模塊

語(yǔ)音播報(bào)目前已廣泛地應(yīng)用于生活和工作的很多場(chǎng)景中.本系統(tǒng)也設(shè)計(jì)了語(yǔ)音播報(bào)功能，可以設(shè)定時(shí)間段播報(bào)歡迎詞，播報(bào)簡(jiǎn)單的節(jié)日信息或者表?yè)P(yáng)語(yǔ)等.設(shè)計(jì)選用了SYN6288 模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，SYN6288 具有功耗低、接口簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、識(shí)別準(zhǔn)確、語(yǔ)音效果好、更智能等特點(diǎn)，通過(guò)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(jī)TXD（P3.1）腳，TXD接單片機(jī)RXD（P3.0）腳，涉及串行通信，這兩個(gè)引腳注意交叉相接、不能接錯(cuò).BUSY 接單片機(jī)P2.6腳，單片機(jī)通過(guò)P2.6 腳檢測(cè)語(yǔ)音模塊工作狀態(tài)，確保語(yǔ)音播報(bào)不被打斷.

圖7 語(yǔ)音模塊

2.5 控?zé)舨糠?/h3>

控?zé)舨糠钟煽責(zé)裟K、按鍵、光敏傳感器和光電傳感器構(gòu)成.通過(guò)按鍵可以選擇控?zé)舻淖詣?dòng)或者手動(dòng)模式，手動(dòng)模式時(shí)，直接通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)燈的開(kāi)關(guān)控制；自動(dòng)模式時(shí)，燈的開(kāi)關(guān)控制由教室人數(shù)和光照度共同決定.

對(duì)光的情況采集通過(guò)選用光敏電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，光照強(qiáng)度的多少及輸出，可通過(guò)調(diào)電位器來(lái)改變.工作時(shí)，光照強(qiáng)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(jìn)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(jī)P2.0，當(dāng)光線亮度小于設(shè)的閾值時(shí)，輸出邏輯“1”；當(dāng)光線亮度等于大于設(shè)的閾值時(shí)，輸出邏輯“0”.單片機(jī)通過(guò)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(duì)教室人數(shù)的監(jiān)測(cè)可以采用熱釋電紅外傳感器［6］，也可以通過(guò)光電傳感器實(shí)現(xiàn).設(shè)計(jì)中我們采用光電傳感器，選用E18-D80NK 漫反射紅外光電開(kāi)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(wú)人為“1”，有人為“0”；可以按照需求調(diào)節(jié)檢測(cè)的距離，具有測(cè)距遠(yuǎn)、精度高、響應(yīng)快、使用方便等特點(diǎn)［7］.傳感器的安裝需要考慮能夠檢測(cè)出人進(jìn)和人出的問(wèn)題，才能得出正確的教室內(nèi)人數(shù)，進(jìn)而為控?zé)籼峁┤藬?shù)依據(jù).為此，在同一門(mén)口，墻內(nèi)面墻外面距地面1.2 m 的位置，安裝2 個(gè)光電開(kāi)關(guān)，且要注意2 個(gè)開(kāi)關(guān)不能間隔太小，能區(qū)別出先后信號(hào).使用前要根據(jù)門(mén)寬調(diào)節(jié)合適的檢測(cè)距離，不能測(cè)到對(duì)面而影響人數(shù)監(jiān)測(cè).使用時(shí)，根據(jù)安裝位置，設(shè)定光電開(kāi)關(guān)A（外）和光電開(kāi)關(guān)B（內(nèi)），當(dāng)檢測(cè)到先A輸出信號(hào)由“1”變?yōu)椤?”，再B輸出信號(hào)由“1”變?yōu)椤?”，說(shuō)明有人進(jìn)入，室內(nèi)人數(shù)加1；若先B 輸出信號(hào)由“1”變?yōu)椤?”，再A 輸出信號(hào)由“1”變?yōu)椤?”，說(shuō)明有人出去，室內(nèi)人數(shù)減1；只有一個(gè)光電開(kāi)關(guān)信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，忽略不計(jì)，原人數(shù)不變.光電傳感器電路如圖9所示，兩個(gè)光電傳感器輸出信號(hào)分別接單片機(jī)P2.5引腳和P2.7引腳.

圖9 光電傳感器電路

按鍵采用獨(dú)立鍵盤(pán)方式，當(dāng)按鍵設(shè)置控?zé)魹槭謩?dòng)控制時(shí)，直接由按鍵控制燈的亮滅；當(dāng)設(shè)置為自動(dòng)控?zé)舴绞綍r(shí)，單片機(jī)將當(dāng)前采集的光照狀態(tài)和人數(shù)情況與事先設(shè)置的閾值相比較，并將控?zé)糁噶顐鹘o控?zé)裟K，由控?zé)裟K控制相應(yīng)燈的亮滅.按鍵電路如圖10 所示，其中K1 是控?zé)裟Ｊ竭x擇鍵，系統(tǒng)上電后，默認(rèn)自動(dòng)控?zé)裟Ｊ剑聪翶1，進(jìn)入手動(dòng)控?zé)裟Ｊ剑辉俅伟聪翶1，退出手動(dòng)模式.教室燈被分為四個(gè)區(qū)域，K2是區(qū)域1控?zé)翩I，K3是區(qū)域1 和2 控?zé)翩I，K4 是區(qū)域1 到3 控?zé)翩I，K5 是區(qū)域1到4控?zé)翩I.

圖10 按鍵電路

控?zé)裟K包括繼電器和燈，繼電器電路如圖11 所示，控?zé)粜盘?hào)通過(guò)單片機(jī)P0 口傳給相應(yīng)繼電器進(jìn)而控制相應(yīng)燈的亮滅，這里用四個(gè)繼電器.

圖11 繼電器電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中將教室的燈劃分成四個(gè)區(qū)域，在程序中設(shè)置人數(shù)閾值.系統(tǒng)初始化后，顯示當(dāng)前的時(shí)間和室內(nèi)溫濕度，并進(jìn)入自動(dòng)控?zé)裟Ｊ剑Y(jié)合當(dāng)前教室人數(shù)和光照度控制燈的狀態(tài).當(dāng)沒(méi)人時(shí)，不管光照度為多少，燈全滅；光線明亮?xí)r，不管室內(nèi)有多少人，燈全滅.默認(rèn)初始狀態(tài)下，室內(nèi)所有燈關(guān)閉，且室內(nèi)無(wú)人.系統(tǒng)運(yùn)行后，實(shí)時(shí)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(shí)）和光線充足（圖8 中D0 輸出“0”時(shí)）兩種情況，設(shè)定教室可容納40人，光線不足時(shí)，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(guò)30人，所有燈全亮.在遇到節(jié)日時(shí)，語(yǔ)音會(huì)播報(bào)節(jié)日信息.主程序流程圖如圖12 所示，其中M 代表教室當(dāng)前人數(shù).

圖12 主程序流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)教室這一學(xué)生學(xué)習(xí)的主要場(chǎng)所，利用STC12C5A60S2 單片機(jī)設(shè)計(jì)了集LCD12864 液晶顯示、語(yǔ)音播報(bào)、智能控?zé)舻裙δ艿闹腔劢淌冶O(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了教室內(nèi)當(dāng)前濕度、教室當(dāng)前溫度以及當(dāng)前時(shí)間的準(zhǔn)確顯示、更新；還能播報(bào)節(jié)日信息，并能根據(jù)教室人數(shù)和光線的情況實(shí)現(xiàn)自動(dòng)手動(dòng)兩種控?zé)裟Ｊ剑囵B(yǎng)節(jié)能環(huán)保降耗意識(shí).通過(guò)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用能力，提高學(xué)生用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的創(chuàng)新意識(shí)、工程意識(shí)，使學(xué)生在使用系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行功能的完善和進(jìn)一步延伸，提高學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)良好的沉浸式學(xué)習(xí)氛圍.通過(guò)在機(jī)電一體化技術(shù)專業(yè)19級(jí)、20級(jí)的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生們展現(xiàn)出了極大學(xué)習(xí)興趣，從單一功能模塊相關(guān)知識(shí)學(xué)習(xí)，到功能模塊應(yīng)用實(shí)踐，逐步擴(kuò)展，直至實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)，由真實(shí)的見(jiàn)、聽(tīng)、控，到主動(dòng)學(xué)、思、探，并且自得其樂(lè)，在此過(guò)程中，學(xué)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(yīng)用有效地提升了學(xué)習(xí)效果.