樂麗琴，賀素霞，吳 亮 ，秦世超

（黃河科技學院 信 息工程學院，河南 鄭 州 4 50063）

隨著高校不斷擴招，人數(shù)急劇增加，自習室、圖書館成了各學校緊缺的資源，尤其自習室座位緊張，課外時間經(jīng)經(jīng)常看到學生穿梭于各樓層僅為找個自習室座位。自習室人數(shù)分布不均，一些自習室人滿為患而另一些自習室卻幾乎無人自習。學生不清楚自習室是否被占用，也不清楚自習室當前人數(shù)，往往浪費大量時間尋找自習室。然而目前國內尚無針對高校的此類系統(tǒng)，因此設計一套能夠實時顯示自習室、圖書館人數(shù)，方便管理人員合理管理調配資源的系統(tǒng)便顯得尤為重要。

基于以上原因，我們設計了基于紅外傳感器的多功能自習室、圖書館人數(shù)監(jiān)測統(tǒng)計顯示系統(tǒng)。顯示屏幕可以安置于教學樓自習室、圖書館的一樓或各個教室等，屏幕顯示該樓所有教室的使用狀態(tài)[1-2]。而且各樓層自習室當前人數(shù)在一樓大廳大屏幕的動態(tài)顯示，為同學提供一個更加方便、更加人性化的自習條件。另外該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)個自習室或圖書館人流量的自動統(tǒng)計，管理人員能隨時從系統(tǒng)調出歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)，方便管理人員總結每天、每周、每月的人流量規(guī)律，從而更有利于合理管理調配資源。該系統(tǒng)的語音報警提示功能，當自習室沒人超過10分鐘以上沒人時還能實現(xiàn)語音報警提示。日常教學使用過程中，每個教室的狀態(tài)到一定的時間階段可自動轉變狀態(tài)顯示。即教室在到達規(guī)定時間時會自動跳轉成相應的顯示狀態(tài)，系統(tǒng)同時也具有手動查詢教室歷史使用狀態(tài)的功能，教室人數(shù)同時也進行顯示，此時老師可以通過查看教室人數(shù)確定當堂課該班級的出勤率。目前尚未發(fā)現(xiàn)此類已被實際應用的產(chǎn)品，能很好地填補市場空白。

1 系統(tǒng)原理描述

本系統(tǒng)由一個教學樓總機控制系統(tǒng)和n個自習室人數(shù)統(tǒng)計子系統(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)計教室人數(shù)及顯示教室狀態(tài)：該系統(tǒng)通過紅外感應裝置[3]能準確的統(tǒng)計每個教室的人數(shù)，人走進教室則計數(shù)器自動增加，反之減少。教室人滿時進行亮燈以及蜂鳴提示，多教室顯示系統(tǒng)通過總線將教室使用信息傳至主機，由主機進行數(shù)據(jù)的集中處理，發(fā)送給顯示控制單元進行統(tǒng)一顯示，學生通過統(tǒng)一的大屏幕，可以一目了然看到教學樓內各個教室的具體使用情況。整體設計框架如圖1所示。

圖1 整體設計框架Fig.1 Overall design framework

1.2 系統(tǒng)硬件電路設計

整個系統(tǒng)的硬件部分分為：

1）對射型紅外傳感器模塊

紅外對射模塊分為紅外發(fā)射和紅外接受兩個部分，發(fā)射模塊[4]經(jīng)過脈沖編碼調制的脈沖電信號轉化成對應的脈沖紅外光信號，接收模塊在接收到脈沖時將光信號轉換成對應的脈沖電信號，主要進行紅外信號的發(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整形，并消除抖動以及干擾，防止誤碼。由于紅外模塊輸出的是12 V電平信號，不能被單片機直接接收，所以比較器還起到信號電平轉換的作用，輸出標準的TTL電平。

3）51單片機從機模塊

各從機不停的檢測各個自習室是否有人進出。當有人通過時立即觸發(fā)外部中斷，對自習室或圖書館內人數(shù)余座進行數(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]。當主機向從機發(fā)送地址后，各從機將接收到的地址同自己的地址進行比較，如果地址一致，則向主機發(fā)送數(shù)據(jù)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)。

4）語音模塊

當自習室該鎖門的時候，語音模塊提前幾分鐘，通知大家盡快離開自習室或圖書館。防止人被鎖在自習室里面。

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）時鐘系統(tǒng)模塊

時鐘系統(tǒng)模塊主要為整個主機單元系統(tǒng)提供時間信息。時鐘單元是達拉斯公司的DS1302時鐘芯片提供系統(tǒng)時鐘，該芯片計時準確，配備冗余電源（電池）可以實現(xiàn)掉時鐘繼續(xù)運行的功能，而且功耗極低。然后將每天的人流量等信息保存起來，方便日后查詢，統(tǒng)計。從而可以對歷史數(shù)據(jù)進行分析與總結，可以對自習室的管理任務進行適當?shù)恼{度。

7）點陣控制單元模塊

點陣顯示使用市場上技術比較成熟的P10戶外單色點陣屏作為顯示器。由主機通信獲得需要的狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后驅動顯示屏將數(shù)據(jù)顯示出來。使用成熟產(chǎn)品，這樣能節(jié)省很多成本。因為8位單片機雖價格便宜但速度慢，所以使用單片機來掃描顯示，在軟件設計上會比較吃力。經(jīng)過反復優(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。

8）51單片機主機單元模塊

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

9）點陣顯示模塊

定時切屏，顯示各個自習室當前有多少人，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，電路簡單，按鍵較多，制造成本低廉。

1.3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計包括主機主程序、數(shù)據(jù)采集從機主程序、從機串口中斷服務程序、主機通信子程序等。從機程序如圖2所示，主機程序如圖3所示。

2 系統(tǒng)可拓展功能

1）煙感報警系統(tǒng)，感應裝置檢測到火情后，則在終端和教室內發(fā)出警報，并由屏幕顯示出來，以便于消防員準確地對有火情的教室進行快速有效的處理。

2）燈光系統(tǒng)，光線較好電燈關閉或晚上同學們都自習完回宿舍后，自習室人數(shù)顯示為0，由報警裝置向終端進行語音提示，遠程遙控關閉教室的用電器，可節(jié)省用電。

圖2 從機程序圖Fig.2 From machine program diagram

圖3 主機程序圖Fig.3 Host machine program diagram

3 技術特點與創(chuàng)新性

1）整個數(shù)據(jù)采集模塊采用對射型紅外傳感器，控制處理的單片機采用的是STC89C52單片機[7]，此單片機成本低，穩(wěn)定性好，且能滿足本設計方案要求。

2）總體架構方案采用模塊化設計思想，系統(tǒng)人流檢測部分、統(tǒng)計部分、顯示驅動部分相互獨立利于擴展功能。為確保數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和準確性，采用大功率紅外對射傳感器進行數(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。考慮到串行數(shù)據(jù)通信只需要一對數(shù)據(jù)傳送線進行信息的傳送，所需傳輸線條數(shù)極少，傳送成本較低，特別適用于分級、分層和分布式控制系統(tǒng)以及遠距離通信之中，故本設計選擇串行數(shù)據(jù)通信。通過RS-232總線進行各從機與主機的通信，由單片機進行控制和分析。

3）各監(jiān)測從機單元在通過紅外對射管采集信號時，采用軟件紅外調制技術，使整個系統(tǒng)的抗干擾性大大增強，設計靈活、方便，而且成本不高，也適合于在比較惡劣的環(huán)境下進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)測量。能夠實現(xiàn)教室人數(shù)狀態(tài)的實時顯示，以及指示燈與蜂鳴器的報警、語音提示等功能。

4）系統(tǒng)擴展接口較多，方便功能擴展。

4 結束語

該課題完成了多樓層多個教室人數(shù)統(tǒng)計及教室狀態(tài)的顯示，并且在實踐過程中解決了步速不同、身體寬窄對檢測結果的影響，而且能夠進行教室的歷史使用數(shù)據(jù)準確查詢顯示，多教室顯示系統(tǒng)通過總線將教室使用信息傳至主控MCU單元，由由主控單元經(jīng)進行數(shù)據(jù)處理集中統(tǒng)一顯示，學生通過統(tǒng)一的大屏幕，可以一目了然看到教學樓圖書館、自習室內各個教室的具體使用情況，具有很大的使用價值。歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)掉電不丟失，可隨時調出數(shù)據(jù)。

在信息時代，科技正以其不斷的進步與創(chuàng)新來改變著我們的生活，智能科技重構了“人、科技和生活”之間的互動聯(lián)系，豐富著生活的內涵，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。那么自習室、圖書館人數(shù)監(jiān)測統(tǒng)計顯示系統(tǒng)現(xiàn)在就可以得到卻又同樣是生活與科技的完美結合。

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