樂(lè)麗琴，賀素霞，吳 亮 ，秦世超

（黃河科技學(xué)院 信 息工程學(xué)院，河南 鄭 州 4 50063）

隨著高校不斷擴(kuò)招，人數(shù)急劇增加，自習(xí)室、圖書館成了各學(xué)校緊缺的資源，尤其自習(xí)室座位緊張，課外時(shí)間經(jīng)經(jīng)?？吹綄W(xué)生穿梭于各樓層僅為找個(gè)自習(xí)室座位。自習(xí)室人數(shù)分布不均，一些自習(xí)室人滿為患而另一些自習(xí)室卻幾乎無(wú)人自習(xí)。學(xué)生不清楚自習(xí)室是否被占用，也不清楚自習(xí)室當(dāng)前人數(shù)，往往浪費(fèi)大量時(shí)間尋找自習(xí)室。然而目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)針對(duì)高校的此類系統(tǒng)，因此設(shè)計(jì)一套能夠?qū)崟r(shí)顯示自習(xí)室、圖書館人數(shù)，方便管理人員合理管理調(diào)配資源的系統(tǒng)便顯得尤為重要。

基于以上原因，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于紅外傳感器的多功能自習(xí)室、圖書館人數(shù)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)顯示系統(tǒng)。顯示屏幕可以安置于教學(xué)樓自習(xí)室、圖書館的一樓或各個(gè)教室等，屏幕顯示該樓所有教室的使用狀態(tài)[1-2]。而且各樓層自習(xí)室當(dāng)前人數(shù)在一樓大廳大屏幕的動(dòng)態(tài)顯示，為同學(xué)提供一個(gè)更加方便、更加人性化的自習(xí)條件。另外該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)個(gè)自習(xí)室或圖書館人流量的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，管理人員能隨時(shí)從系統(tǒng)調(diào)出歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，方便管理人員總結(jié)每天、每周、每月的人流量規(guī)律，從而更有利于合理管理調(diào)配資源。該系統(tǒng)的語(yǔ)音報(bào)警提示功能，當(dāng)自習(xí)室沒人超過(guò)10分鐘以上沒人時(shí)還能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音報(bào)警提示。日常教學(xué)使用過(guò)程中，每個(gè)教室的狀態(tài)到一定的時(shí)間階段可自動(dòng)轉(zhuǎn)變狀態(tài)顯示。即教室在到達(dá)規(guī)定時(shí)間時(shí)會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)成相應(yīng)的顯示狀態(tài)，系統(tǒng)同時(shí)也具有手動(dòng)查詢教室歷史使用狀態(tài)的功能，教室人數(shù)同時(shí)也進(jìn)行顯示，此時(shí)老師可以通過(guò)查看教室人數(shù)確定當(dāng)堂課該班級(jí)的出勤率。目前尚未發(fā)現(xiàn)此類已被實(shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品，能很好地填補(bǔ)市場(chǎng)空白。

1 系統(tǒng)原理描述

本系統(tǒng)由一個(gè)教學(xué)樓總機(jī)控制系統(tǒng)和n個(gè)自習(xí)室人數(shù)統(tǒng)計(jì)子系統(tǒng)及大屏幕顯示控制系統(tǒng)組成。

1.1 系統(tǒng)功能及其框架圖

統(tǒng)計(jì)教室人數(shù)及顯示教室狀態(tài)：該系統(tǒng)通過(guò)紅外感應(yīng)裝置[3]能準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)每個(gè)教室的人數(shù)，人走進(jìn)教室則計(jì)數(shù)器自動(dòng)增加，反之減少。教室人滿時(shí)進(jìn)行亮燈以及蜂鳴提示，多教室顯示系統(tǒng)通過(guò)總線將教室使用信息傳至主機(jī)，由主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的集中處理，發(fā)送給顯示控制單元進(jìn)行統(tǒng)一顯示，學(xué)生通過(guò)統(tǒng)一的大屏幕，可以一目了然看到教學(xué)樓內(nèi)各個(gè)教室的具體使用情況。整體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 整體設(shè)計(jì)框架Fig.1 Overall design framework

1.2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的硬件部分分為：

1）對(duì)射型紅外傳感器模塊

紅外對(duì)射模塊分為紅外發(fā)射和紅外接受兩個(gè)部分，發(fā)射模塊[4]經(jīng)過(guò)脈沖編碼調(diào)制的脈沖電信號(hào)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的脈沖紅外光信號(hào)，接收模塊在接收到脈沖時(shí)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的脈沖電信號(hào)，主要進(jìn)行紅外信號(hào)的發(fā)射與接收。

2）波形整形模塊

利用滯回比較器將接收到的脈沖電信號(hào)整形，并消除抖動(dòng)以及干擾，防止誤碼。由于紅外模塊輸出的是12 V電平信號(hào)，不能被單片機(jī)直接接收，所以比較器還起到信號(hào)電平轉(zhuǎn)換的作用，輸出標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平。

3）51單片機(jī)從機(jī)模塊

各從機(jī)不停的檢測(cè)各個(gè)自習(xí)室是否有人進(jìn)出。當(dāng)有人通過(guò)時(shí)立即觸發(fā)外部中斷，對(duì)自習(xí)室或圖書館內(nèi)人數(shù)余座進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)緩存區(qū)[5-6]。當(dāng)主機(jī)向從機(jī)發(fā)送地址后，各從機(jī)將接收到的地址同自己的地址進(jìn)行比較，如果地址一致，則向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)。

4）語(yǔ)音模塊

當(dāng)自習(xí)室該鎖門的時(shí)候，語(yǔ)音模塊提前幾分鐘，通知大家盡快離開自習(xí)室或圖書館。防止人被鎖在自習(xí)室里面。

5）電源模塊

電源模塊為系統(tǒng)的供電部分，提供+12 V、+5 V兩組穩(wěn)壓電源。電源包含降壓，整流，濾波，穩(wěn)壓幾部分，采用7805和7812輸出+5 V和+12 V電壓為其他模塊供電。

6）時(shí)鐘系統(tǒng)模塊

時(shí)鐘系統(tǒng)模塊主要為整個(gè)主機(jī)單元系統(tǒng)提供時(shí)間信息。時(shí)鐘單元是達(dá)拉斯公司的DS1302時(shí)鐘芯片提供系統(tǒng)時(shí)鐘，該芯片計(jì)時(shí)準(zhǔn)確，配備冗余電源（電池）可以實(shí)現(xiàn)掉時(shí)鐘繼續(xù)運(yùn)行的功能，而且功耗極低。然后將每天的人流量等信息保存起來(lái)，方便日后查詢，統(tǒng)計(jì)。從而可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與總結(jié)，可以對(duì)自習(xí)室的管理任務(wù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)度。

7）點(diǎn)陣控制單元模塊

點(diǎn)陣顯示使用市場(chǎng)上技術(shù)比較成熟的P10戶外單色點(diǎn)陣屏作為顯示器。由主機(jī)通信獲得需要的狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后驅(qū)動(dòng)顯示屏將數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。使用成熟產(chǎn)品，這樣能節(jié)省很多成本。因?yàn)?位單片機(jī)雖價(jià)格便宜但速度慢，所以使用單片機(jī)來(lái)掃描顯示，在軟件設(shè)計(jì)上會(huì)比較吃力。經(jīng)過(guò)反復(fù)優(yōu)化和修改程序，最終突破了軟件的瓶頸，綜合考慮使用8位單片機(jī)。

8）51單片機(jī)主機(jī)單元模塊

單片機(jī)系統(tǒng)極易受到強(qiáng)電磁場(chǎng)、溫度、濕度等的干擾，在諸多干擾源中，來(lái)自電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、尖脈沖干擾、瞬間斷電對(duì)單片機(jī)的工作是一些很重要的干擾源，它使單片機(jī)不能連續(xù)正常工作。采用上電自動(dòng)復(fù)位電路，使單片機(jī)上電后保持兩種確定的狀態(tài)，要么復(fù)位，要么工作，電源突然出現(xiàn)的短脈沖不會(huì)造成異常狀態(tài)，確保系統(tǒng)正常工作。主機(jī)模塊負(fù)責(zé)收集各組數(shù)據(jù)，并與其各子模塊通信，發(fā)送子模塊需要的相關(guān)數(shù)據(jù)。

9）點(diǎn)陣顯示模塊

定時(shí)切屏，顯示各個(gè)自習(xí)室當(dāng)前有多少人，還剩余多少空座。

10）鍵盤模塊

便于用戶選擇模式，查詢歷史數(shù)據(jù)記錄。鍵盤采用矩陣鍵盤，電路簡(jiǎn)單，按鍵較多，制造成本低廉。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括主機(jī)主程序、數(shù)據(jù)采集從機(jī)主程序、從機(jī)串口中斷服務(wù)程序、主機(jī)通信子程序等。從機(jī)程序如圖2所示，主機(jī)程序如圖3所示。

2 系統(tǒng)可拓展功能

1）煙感報(bào)警系統(tǒng)，感應(yīng)裝置檢測(cè)到火情后，則在終端和教室內(nèi)發(fā)出警報(bào)，并由屏幕顯示出來(lái)，以便于消防員準(zhǔn)確地對(duì)有火情的教室進(jìn)行快速有效的處理。

2）燈光系統(tǒng)，光線較好電燈關(guān)閉或晚上同學(xué)們都自習(xí)完回宿舍后，自習(xí)室人數(shù)顯示為0，由報(bào)警裝置向終端進(jìn)行語(yǔ)音提示，遠(yuǎn)程遙控關(guān)閉教室的用電器，可節(jié)省用電。

圖2 從機(jī)程序圖Fig.2 From machine program diagram

圖3 主機(jī)程序圖Fig.3 Host machine program diagram

3 技術(shù)特點(diǎn)與創(chuàng)新性

1）整個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊采用對(duì)射型紅外傳感器，控制處理的單片機(jī)采用的是STC89C52單片機(jī)[7]，此單片機(jī)成本低，穩(wěn)定性好，且能滿足本設(shè)計(jì)方案要求。

2）總體架構(gòu)方案采用模塊化設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)人流檢測(cè)部分、統(tǒng)計(jì)部分、顯示驅(qū)動(dòng)部分相互獨(dú)立利于擴(kuò)展功能。為確保數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，采用大功率紅外對(duì)射傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)通信方式主要有并行數(shù)據(jù)通信與串行數(shù)據(jù)通信兩種?？紤]到串行數(shù)據(jù)通信只需要一對(duì)數(shù)據(jù)傳送線進(jìn)行信息的傳送，所需傳輸線條數(shù)極少，傳送成本較低，特別適用于分級(jí)、分層和分布式控制系統(tǒng)以及遠(yuǎn)距離通信之中，故本設(shè)計(jì)選擇串行數(shù)據(jù)通信。通過(guò)RS-232總線進(jìn)行各從機(jī)與主機(jī)的通信，由單片機(jī)進(jìn)行控制和分析。

3）各監(jiān)測(cè)從機(jī)單元在通過(guò)紅外對(duì)射管采集信號(hào)時(shí)，采用軟件紅外調(diào)制技術(shù)，使整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性大大增強(qiáng)，設(shè)計(jì)靈活、方便，而且成本不高，也適合于在比較惡劣的環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)量。能夠?qū)崿F(xiàn)教室人數(shù)狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示，以及指示燈與蜂鳴器的報(bào)警、語(yǔ)音提示等功能。

4）系統(tǒng)擴(kuò)展接口較多，方便功能擴(kuò)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

該課題完成了多樓層多個(gè)教室人數(shù)統(tǒng)計(jì)及教室狀態(tài)的顯示，并且在實(shí)踐過(guò)程中解決了步速不同、身體寬窄對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，而且能夠進(jìn)行教室的歷史使用數(shù)據(jù)準(zhǔn)確查詢顯示，多教室顯示系統(tǒng)通過(guò)總線將教室使用信息傳至主控MCU單元，由由主控單元經(jīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理集中統(tǒng)一顯示，學(xué)生通過(guò)統(tǒng)一的大屏幕，可以一目了然看到教學(xué)樓圖書館、自習(xí)室內(nèi)各個(gè)教室的具體使用情況，具有很大的使用價(jià)值。歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)掉電不丟失，可隨時(shí)調(diào)出數(shù)據(jù)。

在信息時(shí)代，科技正以其不斷的進(jìn)步與創(chuàng)新來(lái)改變著我們的生活，智能科技重構(gòu)了“人、科技和生活”之間的互動(dòng)聯(lián)系，豐富著生活的內(nèi)涵，改善了人們的生活理念，并不斷創(chuàng)造著智能化的生活體系。那么自習(xí)室、圖書館人數(shù)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)顯示系統(tǒng)現(xiàn)在就可以得到卻又同樣是生活與科技的完美結(jié)合。

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