单位文秘网 2022-02-19 08:10:40 点击: 次
信息监控技术领域内,嵌入式远程监控系统已成为重要的技术方向。促使教室的管理向网络化、智能化方向发展。
1 系统的总体设计
1.1 系统原理
本文智能教室监控系统主要由硬件监控和上位机监控(主要由PHP开发)构成,硬件监控系统负责检测PM2.5、温湿度、二氧化碳浓度及光照强度等环境数据,再将其上传到监控平台;设定空调状态、处理显示室内环境及监测门窗关闭情况等功能则由上位机监控平台负责完成。具体监控过程为:由传感器完成环境信息的测量,再由硬件监控系统将其汇总并上传到数据库,最后在网页端显示出来,通过监控平台教室管理者能够控制教室内的空调,提高对教室的自动监控水平,保证良好的室内环境及安全[1]。
1.2 硬件设计
系统主要由环境信息采集、红外遥控、无线通信、电源及液晶显示等模块构成,环境信息采集与主控模块主要通过传感器完成对环境(包括温湿度、光照、甲醛、二氧化碳、PM2.5等)的监测功能,总体框架如图1所示。
2 系统主要功能模块设计
2.1 信息采集与主控制模块
该模块主要功能在于对教室内温湿度、光照强度、PM2.5浓度等进行测量,本文系统单片机采用基于Coretex-M3内核的STM32F103型(意法半导体公司生产,32位ARM芯片系列),该系列中ZET6为高容量芯片(拥有144引脚),主频为72MHz的SRAM(64kB)具有地址线26位和数据宽度16位,单片机USART1接口连接SIM900通信模块,USART2连接红外遥控模块,PM2.5传感器同USART4接口相连,甲醛传感器则连接UART5接口,发难度低,准确率高;二氧化碳传感器采用MG811,同引脚PA1相连(设置为A/D功能),因其输出阻抗较大而难以在STM32单片机中直接接入,通过添加阻抗变换电路降低输出阻抗至可测量的范围;温湿度传感器采用复合传感器DHT21(已校准数字信号输出)同具备普通I/O口的PG11相连接,其所输出的数字信号为格式为40位,其中湿度和温度数据各16 bit,外加8 bit校验,具体的温度和湿度信息通过单片机处理后完成对应结果的计算;光照传感器采用BH1750FVI同具备普通I/O口的PB10,PB11相连接,光照传感器采用IIC总线通信协议,无需单片机进行转换,输出为数字量数据。具体电路如图2所示[2]。
2.2 电源模块及红外遥控模块
作为DC-DC转换芯片,TPS5430的转换效率较高,输入电压范围在5.5 V-36 V范围内均可,开关电源输入的12 V电压通过采用TPS5430作为稳压芯片转换为5 V电压。
系统通过红外遥控对教室内空调进行控制,可实现对外编码的学习功能,单片机对红外遥控模块的控制(包括IC的参数设置,初始化及信号发射)主要采用USART串口方式实现,该模块采用载波学习型,内部集成的高性能MCU可以对不同载波频率进行学习,识别出编码格式,在E2PROM中即可存储红外编码,降低了系统开发的难度。
2.3 无线通信模块
该模块与主控制板分离,主要构成部分为PIC单片机和SIM900A,SIM900与单片机以及单片机与主控单元进行通信时需通过串口完成,为提高信号远距离传输的质量和效率,将单片机的TTL电平采用电平转换芯片(MAX233、SP3232)转换为232电平,具体结构如图3所示。
将硬件部分采集到的环境信息以GPRS上网的方式上传到监控平台,通过该模块还能够将教室内的教学状况(学生出勤情况及课堂表现及教师授课情况)及门窗状态传送至红外遥控模块,从而能够对教室内人数进行统计,远程控制教室内的教学秩序等情况,该模块会以短信提醒的方式将异常的教学秩序等信息发送给学校教室及教师等相关管理者,辅助其做出合理的预案[3]。
3 软件设计
软件设计主要注重关键模块功能的实现,主控制器模块的功能实现:主要包括采集环境信息及发送红外遥控指令;学习存储及发送红外编码則需通过红外遥控模块实现;无线遥控模块负责实现数据传输过程,此外为提高数据传输中的准确率,将CRC校验加入到了监控平台程序设计中。
3.1 主控制模块的实现
为确保教室内的环境处于合理范围内,该部分主要包含与无线传输模块及红外遥控模块的通信、传感器驱动与处理,及结果显示等,程序的开发平台采用Keil uVision4,编写程序时使用C语言完成,主控制单元程序流程如图4所示。
各教室内环境信息的获取通过传感器完成测量,然后通过无线通信模块传送至监控平台,监控平台关键事件情况发出相应的控制指令,并发送红外编码。
3.2 无线通信模块的实现
对各教室环境进行远程监控时,远程服务器的IP地址通过网页浏览进行访问实现各教室信息的通信过程,在局域网内为避免与其他主机产生冲突阻碍通信的正常进行,需确保各教室的mac地址和IP地址的唯一性[4],主机IP设置程序如下:
3.3 监控平台的程序设计
作为脚本语言的一种PHP因具备良好的兼容性、高效的运行效率以及强大的数据库支持等优势而得以迅速发展,通过PHP对监控平台的设计开发,实现了管理人员对教室内的环境质量状况实时检测和调整,监控系统主要由设定空调信息、接收与存储数据、发送与显示环境信息构成,监控平台程序流程如图5所示。
方便管理人员对教室内环境质量状况进行实时掌握,通过比对数据库中的环境信息,可实现自动控制教室内的环境,从而使其保持在合理范围内[5]。
4 系统检测
为检测本文智能教室监控系统的实际应用情况,在硬件设备安装完成后通过系统在某学校的实际安装使用进行测试,检测结果表明教室内温湿度、PM2.5浓度、光照等信息的实时观察通过实时数据显示界面即可实现,监控平台实时数据显示结果如表1所示。
教室管理人员据此可对教室内环境变化进行实时监控,对教室内的温度还可以通过空调的远程控制进行调节,方便快捷,能够准确地检测测试图像中人头,极大的方便了课堂秩序的维护,此外还能够以短信报警的方式将不正常的教室内环境及门窗状态等信息发送给学校教室相关管理者,辅助其做出合理的控制预案,极大的方便了师生的学习,有助于高校的信息化、数字化和智能化建设。
5 总结
本文主要对智能教室环境监控系统进行设计,对教室内环境的实时检测及远程控制通过智能传感器技术及监控平台的应用实现,系统通过校园网采用STM32单片机及传感器,通过网络平台发送红外遥控编码对二氧化碳浓度、温湿度、光照传及甲醛、PM2.5等指标进行实时和监控,判别门窗关闭等,通过串口实现远距离通信,数据传输过程中的校验模块提高了传输的质量和效率,通过PHP语言的使用使监控平台能够提供直观的监测控制效果,从而实现对教室内环境状况的智能检测及防盗报警等功能,方便升级、执行机构扩展,测试结果表明系统能够满足实时监控教室环境的需求,提升了教室的运行效率及管理水平,确保了教室安全,有助于高校的信息化、数字化和智能化建设。
参考文献
[1] 周志武,王树勇.高职院校应用教学状态监控系统的实践与反思[J].广东交通职业技术学院学报, 2017(3):117-119.
[2] 王树勇,辛雅莉,周志武.加强课堂教学过程监控,促进课堂教学质量提高[J].广东水利电力职业技术学院学报,2017(1):59-62.
[3] 曹佃国,张逸群,陈威.智能啤酒桶物联网监控系统的设计[J].电子技术, 2016(9):44-47.
[4] 葛耿育.基于STC89C52的LCD12864液晶串并行显示设计[J].遵义师范学院学报,2016(5):98-101.
[5] 李枝琴.宋勐翔.王慧锋.基于6LoWPAN的教室灯光监控系统设计[J].华中科技大学学报(自然科学版),2016(s1):210-214.
(收稿日期:2018.09.25)
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