用于沉浸式教学的智慧教室监控系统设计

王玉香，张喜红，刘玉梅

(亳州职业技术学院智能工程系，安徽亳州 236800)

0 引言

沉浸式学习是学习者通过一定的学习环境、学习场景，自发展现出学习需求、激发出学习热情的一种状态.沉浸式学习场景的创建，为学习者提供了现实的、符合认知的、具有关联性和情境性的可交互、可探究的学习环境，帮助学生克服学习阻力，积极投入学习任务，实现身心合一、自我导向、自得其乐的最优学习体验.[1-3]

本文基于沉浸式学习的需要，在教室这个学生经常接触、使用的场所，利用单片机设计智慧教室监控系统，并结合单片机、传感器、液晶、语音等硬件选取和程序设计等基础知识和基本技能，将节能降耗理念和传统节日教育融入系统功能，能让学生在场景体验以及功能引导和任务的逐步实现中完成沉浸式学习任务及其相关学习项目，从而对学生基础知识和能力、自我探究和学习能力、综合应用和创新实践能力、综合素养和综合能力的培养都有极大的帮助.

1 系统整体设计

针对教室这个应用场景，可利用单片机创建为沉浸式教学使用的智慧教室监控系统，其主要结构如图1所示.系统由单片机控制部分、时钟、按键、光敏、光电、语音、显示、控灯和温湿度模块构成.该系统可以对教室里面的温度和湿度实时采集并实时显示，还可以对时间实时显示；可以实现灯的智能控制，通过光电传感器检测当前教室人数，利用光敏传感器采集光照度，根据教室人数和光照度自动选择合理的亮灯个数，并自动实现灯的开关控制［4］，从而培养学生节能降耗理念.教室灯也可以通过按键实现手动控制.遇到传统节日时，语音模块可以播放简单的节日信息，将思政元素融入播报内容和系统设计及实现的全过程.

图1 系统结构框图

2 主要模块设计

2.1 单片机控制模块

通常的单片机入门课程以介绍51 系列为主，这里以STC12C5A60S2 单片机设计为例，芯片的引脚如图2所示.

图2 STC12C5A60S2的引脚的结构图

STC12C5A60S2 单片机属于51 中的增强系列单片机，具有低功耗、高速和超强的抗干扰等特点，内部自带的Flash ROM 达60 K，还集成了MAX810专用的复位电路，提供两路PWM 等资源，工作电压为5.5 V～3.3 V，代码可以与8051兼容，相较而言，性价比较高.

本模块除单片机，还包括复位、时钟电路以及供电部分.为便于调试，采用按键复位.这里供电的部分提供了3.3 V、5 V 两种大小的电压，其中的3.3 V 的电压选用SPX1117-3.3 将输入的电压进行转换获得，电路图如图3所示.

图3 电源转换电路

2.2 温、湿度模块和时钟模块

对温度和湿度的采集利用DHT11 传感器，这是一种数字传感器，可以输出已校准数字信号的温湿度，可以检测温度范围为0 ℃～50 ℃、湿度范围为面20% RH～90% RH（2 ℃）.检测的精确度方面，温度±2 ℃，湿度±5% RH（在0 ℃～50 ℃时），在稳定、可靠、成本、精度、响应等方面都很好.温湿度模块电路如图4所示，其中VCC接3.3～5 V电源，GND 直接外接地，温湿度以数字量形式经DATA输出，DATA 接单片机P1.0脚，单片机通过P1.0 脚接收信号，经转换后输出至LCD12864实时显示.

图4 温湿度模块电路

系统可以显示时间，包括年份、月份、日期和时、分、秒，这里选用DS1302 时钟芯片提供时间信息，采用12 小时的方式显示［5］.时钟电路如图5 所示，其中的VCC 可以接5 V 或者3.3 V 都可以，RST这里接到单片机的P2.3，I/O 接到P2.2，SCLK 控制接到P2.1.

图5 时钟电路

2.3 液晶显示模块

本设计中，需要同时显示时间、温湿度信息.为了对学生进行思政教育，还设计了开机启动画面，需要显示的内容涉及汉字、数字、符号及图形，结合显示的内容，为了使程序设计简洁、低功耗及价格便宜，选取LCD12864 作为显示屏.为了保证口线资源的最大利用，LCD12864 采用串行方式控制.其中，使能控制E 接P3.4，读写控制R/W 接P3.6，寄存器选择RS 接P3.5.串并方式选择接口PSB 接单片机P3.7口，通过P3.7 输出低电平，进而实现串行方式的选择；如果不考虑使用并行方式，PSB也可以直接接地.电路如图6所示.

图6 显示LCD12864液晶电路

2.4 语音模块

语音播报目前已广泛地应用于生活和工作的很多场景中.本系统也设计了语音播报功能，可以设定时间段播报欢迎词，播报简单的节日信息或者表扬语等.设计选用了SYN6288 模块来实现，SYN6288 具有功耗低、接口简单、性价比高、识别准确、语音效果好、更智能等特点，通过串行通信方式工作，并且是异步通信.模块连接如图7所示，VCC接5V电源，GND直接接地，RXD接单片机TXD（P3.1）脚，TXD接单片机RXD（P3.0）脚，涉及串行通信，这两个引脚注意交叉相接、不能接错.BUSY 接单片机P2.6脚，单片机通过P2.6 脚检测语音模块工作状态，确保语音播报不被打断.

图7 语音模块

2.5 控灯部分

控灯部分由控灯模块、按键、光敏传感器和光电传感器构成.通过按键可以选择控灯的自动或者手动模式，手动模式时，直接通过按键实现灯的开关控制；自动模式时，灯的开关控制由教室人数和光照度共同决定.

对光的情况采集通过选用光敏电阻来实现，光照强度的多少及输出，可通过调电位器来改变.工作时，光照强度越高，电阻值越低；反之，光照度越低，电阻值越高；阻值的变化影响比较器的输入值，进而影响LM393的输出.光敏电路如图8所示.数字量输出D0 接单片机P2.0，当光线亮度小于设的阈值时，输出逻辑“1”；当光线亮度等于大于设的阈值时，输出逻辑“0”.单片机通过P2.0 接收的电平状态，得到环境光照度的变化.

图8 光敏电路

对教室人数的监测可以采用热释电红外传感器［6］，也可以通过光电传感器实现.设计中我们采用光电传感器，选用E18-D80NK 漫反射红外光电开关，这种传感器具备发射和接收功能，输出高低电平，即无人为“1”，有人为“0”；可以按照需求调节检测的距离，具有测距远、精度高、响应快、使用方便等特点［7］.传感器的安装需要考虑能够检测出人进和人出的问题，才能得出正确的教室内人数，进而为控灯提供人数依据.为此，在同一门口，墙内面墙外面距地面1.2 m 的位置，安装2 个光电开关，且要注意2 个开关不能间隔太小，能区别出先后信号.使用前要根据门宽调节合适的检测距离，不能测到对面而影响人数监测.使用时，根据安装位置，设定光电开关A（外）和光电开关B（内），当检测到先A输出信号由“1”变为“0”，再B输出信号由“1”变为“0”，说明有人进入，室内人数加1；若先B 输出信号由“1”变为“0”，再A 输出信号由“1”变为“0”，说明有人出去，室内人数减1；只有一个光电开关信号发生变化时，忽略不计，原人数不变.光电传感器电路如图9所示，两个光电传感器输出信号分别接单片机P2.5引脚和P2.7引脚.

图9 光电传感器电路

按键采用独立键盘方式，当按键设置控灯为手动控制时，直接由按键控制灯的亮灭；当设置为自动控灯方式时，单片机将当前采集的光照状态和人数情况与事先设置的阈值相比较，并将控灯指令传给控灯模块，由控灯模块控制相应灯的亮灭.按键电路如图10 所示，其中K1 是控灯模式选择键，系统上电后，默认自动控灯模式，按下K1，进入手动控灯模式；再次按下K1，退出手动模式.教室灯被分为四个区域，K2是区域1控灯键，K3是区域1 和2 控灯键，K4 是区域1 到3 控灯键，K5 是区域1到4控灯键.

图10 按键电路

控灯模块包括继电器和灯，继电器电路如图11 所示，控灯信号通过单片机P0 口传给相应继电器进而控制相应灯的亮灭，这里用四个继电器.

图11 继电器电路

3 系统软件设计

设计中将教室的灯划分成四个区域，在程序中设置人数阈值.系统初始化后，显示当前的时间和室内温湿度，并进入自动控灯模式，结合当前教室人数和光照度控制灯的状态.当没人时，不管光照度为多少，灯全灭；光线明亮时，不管室内有多少人，灯全灭.默认初始状态下，室内所有灯关闭，且室内无人.系统运行后，实时根据人数和光照度的变化，调整亮灯状态.光照度分光线不足（图8中D0 输出“1”时）和光线充足（图8 中D0 输出“0”时）两种情况，设定教室可容纳40人，光线不足时，人数在10 以内，1 区灯亮；人数在10～20，1 区和2 区灯亮；人数在20～30，1 区2 区3 区灯亮；超过30人，所有灯全亮.在遇到节日时，语音会播报节日信息.主程序流程图如图12 所示，其中M 代表教室当前人数.

图12 主程序流程图

4 结语

针对教室这一学生学习的主要场所，利用STC12C5A60S2 单片机设计了集LCD12864 液晶显示、语音播报、智能控灯等功能的智慧教室监控系统，实现了教室内当前湿度、教室当前温度以及当前时间的准确显示、更新；还能播报节日信息，并能根据教室人数和光线的情况实现自动手动两种控灯模式，培养节能环保降耗意识.通过该系统的设计和使用，培养学生学以致用能力，提高学生用所学知识解决实际问题的创新意识、工程意识，使学生在使用系统基础上进行功能的完善和进一步延伸，提高学习兴趣，为学生创设良好的沉浸式学习氛围.通过在机电一体化技术专业19级、20级的教学实践，学生们展现出了极大学习兴趣，从单一功能模块相关知识学习，到功能模块应用实践，逐步扩展，直至实现整个系统，由真实的见、听、控，到主动学、思、探，并且自得其乐，在此过程中，学生也展现出了极大的探索欲和精益求精、勇于克服困难的精神品质，系统的应用有效地提升了学习效果.