基于WiFi物联网技术的智慧教室系统分析

邱焕枝+陈永灿+范潮升+符友烨+徐海涛

摘  要：文章所设计的智慧教室系统解决方案，是基于WiFi物联网技术与基于RS-485协议的多机通信技术来实现教室互联控制，可满足高校对教学用房的智能高效管理。该系统的功能不仅包括窗帘、风扇、电灯等设备的智能总控，而且还包括环境参数采集、人员数量与分布采集、考勤登记、安防监控等决策控制。本系统与现有教室监控系统的解决方案相比，更显灵活、便捷与高效，符合现今教学楼宇管理绿色节能的先进理念。

关键词：物联网;智慧教室;WiFi;单片机;RS-485协议

中图分类号：TN98     文献标识码：A      文章编号：1006-8937（2016）03-0062-02

随着物联网概念的提出，物联网技术逐渐成为当前热门话题之一，众多国际知名企业纷纷投入到物联网技术的研究中。与此同时，伴随着电子技术与无线通信技术的快速发展，“智能家居”、“智慧教室”、“智慧城市”等概念也分别涌现，这也成为了科技发展的趋势。目前针对“智慧教室”的解决方案还存在较多的缺点，主要体现为控制技术不够完善，缺乏高性能的上位机控制软件，人机互动较少，以及没有实现并网监测和控制等[1]。

本文介绍智慧教室的实现方案，体现物联网的三个层次（应用层、网络层、感知层），具有窗帘、风扇、灯光设备控制，教室环境参数采集，人数统计与人员分布采集、考勤登记和安防监控等丰富的功能[2]。本方案还结合物联网技术，以WiFi无线网络实现测量终端的全面覆盖。通过上位机软件，主控系统不仅能够实现人工独立控制设备功能，而且能够实现智能自动控制功能。此外，本系统还可以读取教室内人员的分布信息，接收考勤信息，实现人机交互，充分体现智能化、灵活化和便捷化。

1  系统设计

 本智慧教室系统包括微控制器（Microcontroller Unit;MCU）主控系统，人数统计系统，环境参数采集系统，窗帘控制系统，设备控制系统，人员分布采集系统，射频卡考勤系统和安防系统，其结构如图1所示。

MCU主控系统之间主要采用RS-485协议的多机通信方式和I/O口中断方式进行通信，最终实现主控系统对各子系统的数据处理和对外设驱动模块的控制。

 安防系统则是通过嵌入式系统驱动监控摄像头采集视频信息，嵌入式系统处理并发送到远程服务器终端，由远程服务器实施监控与显示。

1.1  子系统设计及原理

 ①MCU主控系统。

  由12864显示模块，RS485模块和STC89C52单片机构成，通过多机通信实现对子系统信息采集与控制。

 ②人数统计系统。

 由一对超声波探测器、1602液晶显示器、RS485模块和STC89C52单片机构成，能够识别人员进出教室的行为，并将教室在用人数实时显示，同时通过RS485模块将教室是否有人使用的情况通过中断反馈给主控系统。

 ③环境参数采集系统。

 由温湿度传感器AM2302、数字光模块GY-30、1602液晶显示器、RS485模块和STC89C52单片机构成。该子系统可自动采集教室内温湿度、光照度值，并且可实时显示，而采集的数据也通过RS485模块发送到主控系统供决策处理。

 ④窗帘控制系统。

 由电机驱动模块、大功率电机、超声波探测器、RS485模块和STC89C52单片机构成。该子系统可通过超声波探测确定窗帘的开关状态及其所在位置，而且可以控制电机拉上窗帘或打开窗帘。

  ⑤设备控制系统。

 由八路继电器、RS485模块和STC89C52单片机构成。该子系统能够接收主控系统指令，通过继电器开关用电器实施设备的控制。目前，子系统可以进行电灯和风扇的开关控制，也可拓展到其他用电器的开关控制上。

 ⑥人员分布采集系统。

 由摄像头、串口转WiFi模块和STC89C52单片机构成，该系统通过摄像头采集教室照片，经上位机软件处理后经WiFi发送人员分布数据至主控系统。

  ⑦考勤系统。

 由RFID模块、S50感应IC卡和STC12LE5A60S2单片机组成。RFID模块可对S50感应IC卡进行识别，采集IC卡中保存的学生身份信息（如姓名、学号等）后，通过模拟SPI协议发送到人员分布采集子系统，经人员分布采集子系统接收后，身份信息数据经由WiFi模块发送至计算机上位机。本系统还具备自主编写的Java软件，可于上位机的考勤界面统计显示学生的考勤信息。

⑧安防系统。

  由监控摄像头，嵌入式系统，路由器和计算机构成，通过嵌入式系统驱动监控摄像头，将采集、处理后所得到的视频信号通过路由器发送至服务器，服务器端可实时显示监控情况，从而实现远程视频监控功能。

1.2  通信单元设计

 本系统主要通过多机通信实现主控系统与环境参数采集系统、窗帘控制系统、设备控制系统之间的通信。多机通信采用RS-485协议，在硬件上通过RS485模块实现TTL电平与RS-485电平的转换，它采用差分输出和差分输入，使用双绞线设置，具有远距离传输数据优势，适合应用于教室、讲学厅等大型房间实现数据覆盖。

2  软件设计

 系统软件设计包括各子系统中的MCU下位机程序设计、基于ARM-Linux开发的安防系统软件设计，计算机上位机中图像处理算法程序开发和Java软件开发。

2.1  下位机软件设计

2.1.1  MCU节点程序设计

 MCU程序设计包括主控系统、环境参数采集系统、窗帘控制系统、设备控制系统、人员分布采集系统、射频卡考勤系统的程序设计。各子系统主要利用外围设备实现信息采集与显示、设备控制和通信功能。主控系统接收各子系统信息进行判断处理后发送指令让子系统作出相应处理，实现对教室设备控制管理。

2.1.2  基于ARM-LINUX的安防系统软件设计

 安防系统软件设计包括嵌入式操作系统平台的搭建，通过Bootload移植、内核移植以及制作Linux根文件系统，在嵌入式操作系统平台上安装Mjpeg-streamer软件实施视频监控。Mjpeg-streamer是一个开源软件，用于从Webcam摄像头采集Mjpeg图像， 并把采集的图像以流的形式通过基于IP的网络传输到浏览器，使得浏览器可以浏览监控信息，从而实现安防功能。

2.2  上位机软件设计

 上位机软件主要包括两个方面，对教室内人员分布特征进行提取的MATLAB程序;自带数据库、具有GUI人机交互界面的Java控制程序。

2.2.1  MATLAB软件对图像算法处理程序的开发

 在人员分布采集子系统中，计算机可通过摄像头获得人员分布区域的数据信息，然后通过Java控制程序实现与主控系统的信息交互。人员分布采集子系统的实现原理图，如图2所示。

本子系统采用了自主编写的MATLAB程序，主要用于计算机驱动摄像头实时采集教室的室内图片。在实施人员分布特征提取时，计算机需要采集并存储一张教室无人时的图片，然后，MATLAB程序软件可控制摄像头，每隔20 s采集一帧教室人员分布图，与无人图片进行比对，获得特征信息。

特征信息提取需运用的图像处理方法包括：8Bit灰度值转换、均值降噪、加减法运算、二值化等。

2.2.2  Java软件的开发

 本方案还采用了Java语言设计了上位机控制软件。控制软件具有友好的交互操作界面，其特色是具有节能模式，通过读取人员分布信息数据分布规律，对教室内用电设备实施智能化自动控制。控制软件还具有管理员模式，可对用电设备实施管理员独立控制模式。

管理员可通过无线发送控制指令，直接与主控系统通信，实现对教室内用电设备的远程独立控制。

 另外，Java软件还兼有考勤系统数据库功能，可将采集的学生身份信息与计算机数据库内的信息进行比对，实施考勤记录入库。

3  结  语

 本方案实现了窗帘、风扇、灯等教室设备的智能控制功能，其中，环境参数信息与人数统计、人员分布信息分别通过对应的子系统传送至主控系统，供主控系统实现智能控制决策。智能控制决策可根据教室实时使用情况，调节能源供应，努力减少能源的浪费。本方案还具有考勤登记和安防监控功能。管理者可通过考勤登记实时掌握教室的使用情况，也可通过安防监控系统监控教室的安全状态，功能丰富。

此外，由于本方案采用WiFi进行数据传送以及计算机上位机自编程序软件处理，后期还可以在多个方面进行功能扩展，具有较好的实用价值和优秀发展前景。

参考文献：

[1] 刘艳来.物联网技术发展现状及策略分析[J].中国集体经济，2013，（9）.

[2] 韦东山.嵌入式LINUX应用开发完全手册[M].北京：人民邮电出版社，

2009.