一套教室人數(shù)智能統(tǒng)計(jì)與顯示系統(tǒng)的研制

張海潮++馬風(fēng)玲++鄭伯明++蔡占秀++邱召運(yùn)

摘 要 為提高學(xué)生的按時(shí)到課率，幫助教師了解學(xué)生的到課情況，以及改善教室的學(xué)習(xí)環(huán)境，基于微控器設(shè)計(jì)教室人數(shù)智能統(tǒng)計(jì)與顯示系統(tǒng)。對(duì)該系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行闡述，并介紹傳感系統(tǒng)和計(jì)量原理。結(jié)果表明，該系統(tǒng)的考勤功能顯著提高了學(xué)生的按時(shí)到課率，系統(tǒng)的空余座位顯示功能方便了學(xué)生尋找自習(xí)教室。

關(guān)鍵詞 教室人數(shù)智能統(tǒng)計(jì)與顯示系統(tǒng)；考勤；微控器；傳感器

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2016）24-0040-03

Research of An Intelligent Counting and Display System for Classroom//ZHANG Haichao， MA Fengling， ZHENG Boming， CAI Zhanxiu， QIU Zhaoyun

Abstract In order to improve the rate of students to class on time， help teachers to understand the situation and improve the learning environment of the classroom， an Intelligent Counting and Display System based on the mircro-controller for classroom is designed. The

function， structure and working principle of the system are described，

and the sensing system and measurement principle are introduced emphatically. The results show that the systems attendance function significantly improves the rate of students to class on time， and the function of system to display spare seats is convenient for student to look for self-study classroom.

Key words intelligent counting and display system for classroom； attendance； mircro controller； sensor

1 引言

考勤方法主要有點(diǎn)名、簽到、IC卡刷卡、指紋識(shí)別[1]和人臉圖像識(shí)別[2]。分析發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的點(diǎn)名和簽到的考勤方法耗時(shí)且不方便；IC刷卡考勤的缺點(diǎn)在于可由他人代替考勤；較為先進(jìn)的指紋掃描考勤可靠性較高，但指紋掃描速度相對(duì)較慢；先進(jìn)的人臉圖像識(shí)別考勤系統(tǒng)需要配備計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)相對(duì)龐大，造價(jià)相對(duì)高昂。

顯然，上述考勤方法均不適于課間間隔只有10分鐘的教室考勤。針對(duì)此問(wèn)題，基于微控器并采用雙調(diào)制頻率雙光路的可逆計(jì)量傳感器，研制一套教室人數(shù)智能化統(tǒng)計(jì)與顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、快速考勤的目的。考慮到學(xué)校的學(xué)習(xí)環(huán)境情況，該系統(tǒng)具有人數(shù)統(tǒng)計(jì)、剩余座位統(tǒng)計(jì)、日歷時(shí)間顯示等功能，能實(shí)時(shí)、直觀顯示多種有用信息，且操作方便，節(jié)省時(shí)間，造價(jià)低廉，避免了上述考勤方法的缺點(diǎn)，對(duì)于提高學(xué)生的到課率，增強(qiáng)教師的授課效果[3]以及改善教室的學(xué)習(xí)環(huán)境，具有實(shí)際價(jià)值。

2 教室人數(shù)智能統(tǒng)計(jì)與顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

統(tǒng)計(jì)與顯示系統(tǒng)的功能 教室人數(shù)智能統(tǒng)計(jì)與顯示系統(tǒng)的主要功能是課堂考勤，能夠?qū)Τ鋈虢淌业娜藛T進(jìn)行智能化統(tǒng)計(jì)。下課后，為方便學(xué)生尋找有空位的自習(xí)教室，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有剩余座位統(tǒng)計(jì)功能；為防止上課期間被打擾，設(shè)計(jì)有上課提醒功能；為便于教師掌控授課時(shí)間，設(shè)計(jì)有日歷、時(shí)間顯示等功能。

用于考勤的人數(shù)統(tǒng)計(jì)功能包括按時(shí)到課人數(shù)統(tǒng)計(jì)和自習(xí)時(shí)室內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計(jì)功能?？记诠δ鼙阌诮處煂?duì)到課人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，督促學(xué)生準(zhǔn)時(shí)上課，提高學(xué)生的上課積極性。日歷、時(shí)間顯示功能包括日歷顯示、課堂剩余時(shí)間顯示、課間剩余時(shí)間顯示和“正在上課”顯示等功能，能夠提醒教師掌握授課時(shí)間，避免拖堂而影響學(xué)生的生活與學(xué)習(xí)?！罢谏险n”和剩余座位統(tǒng)計(jì)功能則有利于提醒和告知尋找自習(xí)教室的學(xué)生，無(wú)須開(kāi)門(mén)就清楚教室內(nèi)有無(wú)空余座位、是否正在上課，避免對(duì)上課和自習(xí)帶來(lái)的干擾，對(duì)于改善教學(xué)和學(xué)習(xí)環(huán)境、營(yíng)造良好的學(xué)習(xí)氛圍具有重要意義。

統(tǒng)計(jì)與顯示系統(tǒng)的構(gòu)成 圖1為教室人數(shù)智能統(tǒng)計(jì)與顯示系統(tǒng)的整體構(gòu)成框圖。該系統(tǒng)主要由微控器系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、時(shí)鐘系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、鍵盤(pán)系統(tǒng)等部分組成。其中微控器系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)[4]為核心設(shè)計(jì)，單片機(jī)內(nèi)建有程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、用戶EEPROM、程序監(jiān)控系統(tǒng)、上電復(fù)位等系統(tǒng)資源，僅通過(guò)I2C總線擴(kuò)展一片時(shí)鐘芯片，其他I/O口通過(guò)連接器與其他系統(tǒng)連接，大大簡(jiǎn)化微控器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。傳感器系統(tǒng)由紅外發(fā)射電路和接收電路構(gòu)成，對(duì)進(jìn)出教室人員信息進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)兩個(gè)I/O口線輸入微控器系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。微控器還分時(shí)掃描時(shí)鐘系統(tǒng)和鍵盤(pán)輸入系統(tǒng)，并將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和時(shí)鐘計(jì)時(shí)等信息輸出到顯示系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。鍵盤(pán)輸入系統(tǒng)則用于控制操作、時(shí)鐘校準(zhǔn)、密碼輸入和系統(tǒng)設(shè)置。

統(tǒng)計(jì)計(jì)量的準(zhǔn)確性主要取決于傳感器系統(tǒng)，為此采用自主設(shè)計(jì)的雙頻雙通道可逆計(jì)量傳感器[5]。為方便觀察，顯示系統(tǒng)由室內(nèi)顯示器和室外顯示器構(gòu)成，兩顯示器顯示的信息不盡相同，其中室內(nèi)顯示器主要用于考勤和計(jì)時(shí)，而室外顯示器主要用于告知室外人員教室內(nèi)部的狀態(tài)。

統(tǒng)計(jì)與顯示系統(tǒng)的工作過(guò)程 接通電源后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行初始化，并進(jìn)入系統(tǒng)運(yùn)行主程序，依次循環(huán)執(zhí)行程序流程：讀取相關(guān)數(shù)據(jù)→刷新顯示數(shù)據(jù)→查詢傳感器狀態(tài)→掃描鍵盤(pán)狀態(tài)→返回主程序。其中讀取的數(shù)據(jù)包含考勤數(shù)據(jù)、剩余座位數(shù)據(jù)和時(shí)鐘計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)，并送顯示緩沖區(qū)，供顯示程序刷新顯示。系統(tǒng)檢測(cè)到傳感器系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，微控器將根據(jù)傳感器的狀態(tài)做相應(yīng)運(yùn)算處理，即確認(rèn)人員進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，則室內(nèi)人員數(shù)加1，剩余座位數(shù)減1，然后返回主程序并將考勤結(jié)果送室內(nèi)顯示器，剩余座位數(shù)送室外顯示器。同時(shí)，兩顯示器的時(shí)間窗口顯示時(shí)鐘數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)檢測(cè)到鍵盤(pán)輸入的“上課”指令時(shí)，系統(tǒng)將停止考勤功能并自動(dòng)減1以修正考勤數(shù)據(jù)，時(shí)間顯示自動(dòng)進(jìn)入課堂授課倒計(jì)時(shí)工作狀態(tài)，并點(diǎn)亮室外顯示器的“正在上課”指示，提醒室外人員請(qǐng)勿打擾。倒計(jì)時(shí)時(shí)間設(shè)置為兩段：一節(jié)課時(shí)間和課間休息時(shí)間。倒計(jì)時(shí)完畢，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入考勤狀態(tài)。教師下課后可手動(dòng)取消“上課”指令，否則系統(tǒng)將根據(jù)預(yù)設(shè)的作息時(shí)間表自動(dòng)取消“正在上課”狀態(tài)。

3 雙調(diào)制頻率雙光路可逆計(jì)量傳感器設(shè)計(jì)

應(yīng)用通用光電傳感器存在的問(wèn)題 教室人數(shù)智能化統(tǒng)計(jì)與顯示系統(tǒng)項(xiàng)目研究過(guò)程中曾采用兩個(gè)通用的單頻單光路透射式紅外光電傳感器[6]實(shí)現(xiàn)可逆計(jì)量檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，受安裝位置限制且檢測(cè)距離又相對(duì)較遠(yuǎn)，當(dāng)兩個(gè)傳感器的間隔距離較近時(shí)，傳感器會(huì)出現(xiàn)誤檢測(cè)。分析造成誤檢測(cè)的原因有兩個(gè)方面：當(dāng)紅外接收器位于同一側(cè)時(shí)，由于光線散射，來(lái)自任一紅外發(fā)射器的光線都會(huì)照射到兩個(gè)接收器上，接收器分辨不出是哪個(gè)光路被遮擋；當(dāng)接收器位于兩側(cè)時(shí)，上述問(wèn)題得到克服，但又出現(xiàn)新的問(wèn)題，即當(dāng)人體的反射光投射到兩側(cè)的接收器時(shí)，兩傳感器也會(huì)出現(xiàn)串?dāng)_現(xiàn)象并造成誤檢測(cè)。因此，必須根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)紅外傳感器進(jìn)行革新設(shè)計(jì)，以提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。

基于單片機(jī)和紅外接收模組設(shè)計(jì)雙調(diào)制頻率雙光路可逆計(jì)量傳感器[7]，包括紅外發(fā)射電路、紅外接收和控制電路?？赡嬗?jì)量紅外傳感器系統(tǒng)由兩組透射式光電傳感器構(gòu)成，為避免環(huán)境光干擾和傳感器間的串?dāng)_，傳感器采用雙調(diào)制頻率紅外光技術(shù)。因此，傳感器具有雙光路、雙調(diào)制頻率的技術(shù)特征。通過(guò)交替發(fā)射不同頻率的調(diào)制光，并分時(shí)檢測(cè)人體遮斷光路的次序，實(shí)現(xiàn)對(duì)出入教室人員的方向檢測(cè)，因此，傳感器還具有輸出可逆計(jì)量信息的特征。革新設(shè)計(jì)的傳感器為微控器控制系統(tǒng)提供了可靠的人員出入教室的信息，保障了系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。傳感器尺寸小巧，方便安裝和應(yīng)用。

雙調(diào)制頻率雙光路可逆計(jì)量傳感器構(gòu)成 圖2為雙調(diào)制頻率雙光路可逆計(jì)量傳感器的電路原理圖。圖2中紅外發(fā)光二極管L1、L2和限流電阻R1、R2構(gòu)成紅外發(fā)射電路，紅外光電接收模組IR38、IR56構(gòu)成紅外接收電路，其中L1與IM56構(gòu)成一透射式檢測(cè)光路A，IR56的中心接收頻率為56 kHz；L2與IR38構(gòu)成另一紅外檢測(cè)光路B，IR38的中心接收頻率為38 kHz。A、B光路分時(shí)交替工作，即A光路發(fā)射56 KHz調(diào)制光時(shí)，B光路停止發(fā)射；B光路發(fā)射38 KHz調(diào)制光時(shí)，A光路停止發(fā)射。因此，任一時(shí)刻只有一個(gè)接收器能夠正常接收，具有光路的識(shí)別作用，從而避免兩光路的串?dāng)_，并且能夠分辨出哪個(gè)光路被遮斷。

A、B光路的工作由單片機(jī)STC15F104E控制，其為一8引腳的小尺寸單片機(jī)，具有6個(gè)可編程I/O口，內(nèi)建系統(tǒng)資源豐富，適于傳感器的小型化設(shè)計(jì)。A光路由P3.3口驅(qū)動(dòng)，接收信號(hào)輸入到單片機(jī)P3.1口；B光路由P3.2口驅(qū)動(dòng)，接收信號(hào)輸入到單片機(jī)P3.0口；驅(qū)動(dòng)信號(hào)由單片機(jī)的軟件系統(tǒng)產(chǎn)生；接收信號(hào)經(jīng)軟件系統(tǒng)行邏輯運(yùn)算后經(jīng)P3.4、P3.5輸出可逆計(jì)量信號(hào)，經(jīng)J1接口輸入教室人數(shù)智能化統(tǒng)計(jì)與顯示系統(tǒng)。

可逆計(jì)量傳感器調(diào)制頻率選擇 設(shè)傳感器發(fā)射f1和f2兩個(gè)頻率的紅外脈沖光信號(hào)，接收電路采用兩個(gè)中心頻率分別為f1和f2的光電接收模組作為光信號(hào)檢測(cè)元件，與紅外發(fā)射電路構(gòu)成A、B檢測(cè)光路。當(dāng)兩光路距離較近，A、B光路同時(shí)工作時(shí)，A、B光路必然會(huì)產(chǎn)生信號(hào)疊加，若f1≠f2，盡管接收器件具有選頻功能，也無(wú)法識(shí)別哪個(gè)光脈沖信號(hào)是來(lái)自哪個(gè)光路；A、B光路分時(shí)交替工作時(shí)，若f1=f2，雖然A、B光路不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)疊加，但由于光外光散射，兩個(gè)接收器會(huì)同時(shí)接收到光脈沖信號(hào)，接收器也不能識(shí)別光路A、B。

要想識(shí)別A、B光路，應(yīng)選擇f1≠f2，且應(yīng)分時(shí)交替工作模式。根據(jù)連續(xù)脈沖的傅里葉變換，兩倍頻信號(hào)幅度相對(duì)較高[8]，當(dāng)2倍頻等于接收器的中心頻率時(shí)，中心頻率較高的接收器會(huì)對(duì)2倍頻信號(hào)進(jìn)行誤解調(diào)。因此，當(dāng)2f1=f2或2f2=f1時(shí)，亦可能產(chǎn)生光信號(hào)間的串?dāng)_。為了增加A、B光路的辨識(shí)度，應(yīng)選取頻率2f1>f2或2f2>f1。根據(jù)紅外接收器件的性能參數(shù)，優(yōu)選的頻率分別為f1=38 kHz，f2=56 kHz。

實(shí)驗(yàn)證明，傳感器克服了兩光路間的串?dāng)_現(xiàn)象，簡(jiǎn)化了應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的安裝。

4 系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果

系統(tǒng)安裝與調(diào)試 圖3是室外顯示器效果圖，圖4是室內(nèi)顯示器效果圖。顯示器采用共陽(yáng)LED數(shù)碼管設(shè)計(jì)，室外顯示器的“正在上課”提示狀態(tài)采用LED背光板顯示。兩顯示器的顯示格式相同，其中“空位數(shù)”與“倒計(jì)時(shí)”采用公共顯示窗，顯示何種數(shù)據(jù)由LED指示燈表示，上課時(shí)顯示倒計(jì)時(shí)，下課后或考勤期間顯示剩余座位數(shù)，室內(nèi)與室外的時(shí)鐘顯示窗數(shù)據(jù)相同。室內(nèi)顯示器安裝在室內(nèi)門(mén)口一側(cè)，高度以方便操作鍵盤(pán)為準(zhǔn)；室外顯示器安裝在室外墻壁上，安裝高度以觀察方便為準(zhǔn)。

傳感器的兩路發(fā)射和兩路接收分別采用一體化小型設(shè)計(jì)，安裝簡(jiǎn)便。實(shí)驗(yàn)證明，檢測(cè)人的肩部以上部位可以避免手臂對(duì)測(cè)量的影響，綜合考慮人員的身高情況后，將傳感器安裝在教室門(mén)口兩側(cè)距地面約1.5米高的位置，按照A光路在外、B光路在內(nèi)的約定，兩光路水平安裝傳感器。

系統(tǒng)在考勤和下課工作狀態(tài)時(shí)，有人進(jìn)入教室，顯示器的室內(nèi)人數(shù)加“1”，同時(shí)顯示器的空位數(shù)減“1”，時(shí)鐘顯示窗顯示時(shí)間。啟動(dòng)“上課”后，自動(dòng)停止考勤功能，點(diǎn)亮室外顯示器的“正在上課，請(qǐng)勿打擾”顯示區(qū)，并啟動(dòng)倒計(jì)時(shí)功能。室內(nèi)顯示器的鍵盤(pán)系統(tǒng)用來(lái)設(shè)置每個(gè)教室座位總數(shù)、作息時(shí)間和校準(zhǔn)時(shí)鐘；微控器電路系統(tǒng)和電源系統(tǒng)安裝在室內(nèi)顯示器內(nèi)。

系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果 表1、表2是該系統(tǒng)應(yīng)用前后連續(xù)4個(gè)周的考勤統(tǒng)計(jì)情況。未使用該系統(tǒng)時(shí)，請(qǐng)假、曠課人數(shù)平均每天7人以上；使用該系統(tǒng)后，每天最多僅為4人，遲到人數(shù)也由使用該系統(tǒng)前的平均每天9～11人降為0～5人，準(zhǔn)時(shí)到課率大大提高。上課和自習(xí)期間被打擾次數(shù)由原來(lái)的平均每天10次以上降為5次以下。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，使用教室人數(shù)智能統(tǒng)計(jì)與顯示系統(tǒng)后，學(xué)生的到課情況顯著改善，被打擾的次數(shù)明顯降低，為現(xiàn)代化辦學(xué)提供了一套先進(jìn)的教學(xué)管理設(shè)備。

5 結(jié)束語(yǔ)

革新設(shè)計(jì)的雙調(diào)制頻率雙光路可逆計(jì)量傳感器，避免了環(huán)境光干擾和傳感器間的串?dāng)_，為微控器系統(tǒng)提供了可靠的出入教室人員的信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)考勤功能，提高了準(zhǔn)時(shí)到課率和教學(xué)質(zhì)量。剩余座位統(tǒng)計(jì)和免打擾提醒功能，方便了學(xué)生尋找空余座位，提高了自修學(xué)習(xí)的效率，改善了學(xué)習(xí)環(huán)境。系統(tǒng)的多信息統(tǒng)計(jì)和顯示功能不僅方便了授課教師掌控教學(xué)環(huán)節(jié)，而且有利于提高學(xué)校的教學(xué)水平和管理水平。

參考文獻(xiàn)

[1]章通，陳金玉.網(wǎng)絡(luò)指紋考勤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2011，28（2）：73-75.

[2]葉繼華，陳亞慧.基于LBPT方法的彩色人臉圖像識(shí)別[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2016，28（1）：160-166.

[3]吳鋼，于光磊.各類(lèi)高校學(xué)生評(píng)價(jià)教師課堂教學(xué)的調(diào)查研究[J].高校教育管理，2012，6（1）：80-85.

[4]STC89C52系列單片機(jī)器件手冊(cè)[EB/OL].http：//www.stcmcu.

com/datasheet/STC89C52.pdf.

[5]馬風(fēng)玲，張海潮，鄭伯明，等.雙路雙頻可逆計(jì)量紅外傳感器[P].中國(guó)專利：ZL201520980827.3，2016-04-06.

[6]馮笑笑，胡佳娟，吳偏偏，等.紅外光電傳感器的性能分析與應(yīng)用[J].蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)：工科版，2012，32（1）：11-14.

[7]邱召運(yùn)，李述香，等.基于紅外接收模組的智能光電開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)[J].傳感器世界，2009，15（1）：29-32.

[8]鄭戟明，曹玉茹，等.分?jǐn)?shù)傅里葉變換在圖像加密中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29（11）：44-47.