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[摘 要]当前，智能化教学日益发展，针对传统的多媒体教室难以满足教学需要这一问题，本文提出了一套智能化教室系统。该系统集STM32技术、传感器技术、红外技术和无线传输技术等于一身，实现了教室光线的智能控制、空气的流通、智能检查出勤人数和智能遥控器的功能，具有广泛的应用前景和使用价值。
[关键词]STM32；智能教室；传感器；红外；无线传输
Wireless Gateway Design for Smart Classroom based on STM32
Qian Xuefei1 Liu Li2 Cao Mengmeng2 Zhang Xueying2 Zhang Yixiang2 Wang Xiaoyang2 Wang Yujing2
Li Xinlei2 Shen Junxia2
（1. International division of China Petroleum Pipeline Bureau Engineering Co.， Ltd.，Langfang 065000，China；2. North China Institute of Aerospace Engineering， Langfang 065000，China）
[Abstract]At present， intelligent teaching is developing day by day. It is difficult to meet the teaching needs of traditional multimedia classrooms， to solve this problem. This paper proposes a set of intelligent classroom system. The system integrates STM32 technology， sensor technology， infrared technology and wireless transmission technology to achieve intelligent control of classroom lighting， air circulation， intelligent inspection of attendance and intelligent remote control functions， and has broad application prospects and use value.
[Keywords]STM32； intelligent classroom； sensor； infrared； wireless transmission
中图分类号：J62 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）08-0121-02
引言
进入21世纪以来，随着信息技术的高速发展，新的教育理念与教学方法正在逐步取代传统的教育方式，社会对于教育的高度重视，使得智能教室成为了新型教育形式和现代化教学手段的产物。所谓智能教室，主要体现在节能环保，智能教学，人性化和智能调节等方面[1-2]。目前，传统的教室中的主要耗能电器为传统日光灯，通过墙壁上的机械式开关控制亮灯的数目，造成了很大的一笔用电花费。另外，教室内人多，通风差，聚集的CO2大大降低了学生的学习效率并且不利于学生的身心健康。传统的检查出勤学生人数的方式都是口头点名，浪费大量的时间与精力[3-4]。因此，本文提出了一種基于STM32的智能教室系统，该系统能够实现教室内用电设备的智能控制和节能，协助老师实现智能教学。
1 智能教室系统的主体框架
本系统以STM32为核心，融合了温湿度传感器，感光传感器，红外热释传感器，CO2传感器和光电传感器等，实现了教室光线的智能控制、空气的流通、智能检查出勤人数和智能遥控器等多种功能，系统主体框架如图1所示。
2 智能教室系统模块设计
该智能教室控制系统主要利用以太网来实现主分控制器的数据传输功能[2]。通过人体红外传感器、温湿度传感器、光敏电阻传感器等多种传感器的信息融合，来决定智能教室各个用电设备的开关。
2.1智能光线控制模块
白天，如果教室内光照充足，满足建筑照明设计标准时，系统会控制教室内所有的日光灯保持关闭状态；相反，如果天气阴暗或者晚上，当教室光照强度不能满足照明要求时，一旦检测到教室内有人，分控制器则会根据实际需要来决策照明方案，保证室内灯光的省电节能，达到“人在灯亮、人走灯灭”的效果。另外，教室的灯光也可以通过蓝牙、红外实现无线控制。这样老师或者教室的管理者就可以根据具体的需要人为控制教室的光线系统。具体教室智能光线控制流程图如图2所示。
2.2智能换气模块
智能换气模块主要由温湿度传感器、CO2传感器，信号采集电路、调理电路以及智能控制电路（电机）等组成。以STM32 单片机为核心器件，通过两种传感器来检测教室环境状况，将传感数据传输到单片机，通过电机电磁锁来远程实现室内门窗的智能开关，进而实现教室内空气的调换，达到通风换气的目的。白天，可以远程控制门窗的打开；晚上，如果教室没有人自习，可以远程控制门窗的关闭。具体的智能换气模块流程图如图3所示。
2.3智能检查出勤人数模块
在教室门口平行放置两个红外避障模块，红外避障模块选用E18-D80NK，可以同时接收和发射光电信号。该模块通过电位器来调节障碍物的检测距离。在能感应到信号的有效范围内，如果无障碍信号，则该模块输出高电平信号，反之，如果检测到信号，则代表有障碍出现，输出的高电平则降为低电平。电平信号传输到单片机，进行信号识别。该模块通过测量学生进出教室的不同方向来计量学生出勤数目。例如，学生在进入教室时，第一个红外避障模块先触发工作，此时第二个红外避障模块则处于空闲状态，继续向前走，跨越第二个红外避障模块，此时，第一个模块处于空闲状态，第二个模块处于触发状态。出门时，状态正好相反，从而实现出勤人数的检测。对触发时间进行检测，当第一个模块触发一定时间内，如果第二个模块还没进行触发，就判定为此人没有踏入教室，而是转身离开，从而提高了统计精度。这样教师就可以清楚的了解教室出勤学生的具体人数，而不用再去浪费时间点名。具体的智能检查出勤人数模块流程图如图4所示。 2.4智能遥控器模块
该模块实现了与计算机之间的通信，通过一个红外接收头来控制计算机的播放与暂停。除此之外，该遥控器利用红外和基于WiFi的无线传输技术，还能精确控制教室的每一个日光灯的亮灭、窗帘的开关以及温湿度的显示等。而且该智能遥控器还加入了激光笔的功能，让老师手拿遥控器即可控制整个教室的电子设备，给老师的授课带来了极大的便利。该智能遥控器的功能结构框图如图5所示。
3 智能教室系统主要功能模块
3.1 嵌入式处理器芯片
基于智能教室控制系统的需求，本设计以STM32F103C8T6最小系统核心板作为设计核心部分。该核心板的PCB图如图6所示。
3.2 DHT11温湿度传感器
DHT11温湿度传感器是一种数字式高稳定性的复合型传感器，能够采集室内温湿度数据，并传输给STM32核心板部分，进而显示在SMC1602A液晶屏上，同时可通过Wi-Fi模块将数据传输到遥控器端，使遥控器上也能查看室内温湿度数据。该传感器模块电路原理图如图7所示。
3.3 Wi-Fi模块
本系统选择了ESP-01 Wi-Fi模块来实现无线网络的建立与连接，从而实现对各个系统模块功能进行远端远程控制管理。该模块功率低，能迅速切换工作模式，实现信号的处理工作。该Wi-Fi模块的电路原理图如图8所示。
3.4 红外传感器模块
本模块采用HC-SR501人体红外传感器，功耗小，隐蔽性好，价格低廉，连接简便，感应灵敏。当系统感应到障碍信号后，在有效时间段内，一直输出高电平信号，但当人走后，电平信号则会发生翻转[7]，该模块的电路原理图如9所示。
4 總结
本文设计的智能教室控制系统是一种集多种功能模块于一体的综合性智能系统。该系统将多种传感器进行融合，以STM32为核心，可实现教室光线的智能控制，室内的通风换气，检测出勤人数等功能，同时智能遥控器可通过wifi模块实现对室内各种电子设备的控制，减少了多余的布线与维护的不便性。在硬软件设计上采用了模块化处理，各个部分功能明确，方便进行调试与维护，具有较强的应用前景和使用价值。
参考文献
[1] 刘艳，张逸群，李腾飞.智能教室环境监控系统设计[J].电子技术，2017，46（05）：38-41+29.
[2] 栾淼，肖正圣，张祥，丁世豪，雷玉霞.智能教室系统的设计与实现[J].电子技术，2016，45（12）：75-82.
[3] 吴锦欢. 智能教室管理系统的研究与设计[D].华侨大学，2016.
[4] 王华，孙海生，王连华，蒋飞.基于ZigBee的智能教室系统的设计与实现[J].电子技术，2016，45（04）：84-87.
作者简介
钱雪飞（1989.12-）男（汉族），河北廊坊人，硕士，助理工程师。研究方向：控制自动化。
基金项目
北华航天工业学院资助项目“教室环境智能监测与控制技术研究”（KY-2017-18）。
[关键词]STM32；智能教室；传感器；红外；无线传输
Wireless Gateway Design for Smart Classroom based on STM32
Qian Xuefei1 Liu Li2 Cao Mengmeng2 Zhang Xueying2 Zhang Yixiang2 Wang Xiaoyang2 Wang Yujing2
Li Xinlei2 Shen Junxia2
（1. International division of China Petroleum Pipeline Bureau Engineering Co.， Ltd.，Langfang 065000，China；2. North China Institute of Aerospace Engineering， Langfang 065000，China）
[Abstract]At present， intelligent teaching is developing day by day. It is difficult to meet the teaching needs of traditional multimedia classrooms， to solve this problem. This paper proposes a set of intelligent classroom system. The system integrates STM32 technology， sensor technology， infrared technology and wireless transmission technology to achieve intelligent control of classroom lighting， air circulation， intelligent inspection of attendance and intelligent remote control functions， and has broad application prospects and use value.
[Keywords]STM32； intelligent classroom； sensor； infrared； wireless transmission
中图分类号：J62 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）08-0121-02
引言
进入21世纪以来，随着信息技术的高速发展，新的教育理念与教学方法正在逐步取代传统的教育方式，社会对于教育的高度重视，使得智能教室成为了新型教育形式和现代化教学手段的产物。所谓智能教室，主要体现在节能环保，智能教学，人性化和智能调节等方面[1-2]。目前，传统的教室中的主要耗能电器为传统日光灯，通过墙壁上的机械式开关控制亮灯的数目，造成了很大的一笔用电花费。另外，教室内人多，通风差，聚集的CO2大大降低了学生的学习效率并且不利于学生的身心健康。传统的检查出勤学生人数的方式都是口头点名，浪费大量的时间与精力[3-4]。因此，本文提出了一種基于STM32的智能教室系统，该系统能够实现教室内用电设备的智能控制和节能，协助老师实现智能教学。
1 智能教室系统的主体框架
本系统以STM32为核心，融合了温湿度传感器，感光传感器，红外热释传感器，CO2传感器和光电传感器等，实现了教室光线的智能控制、空气的流通、智能检查出勤人数和智能遥控器等多种功能，系统主体框架如图1所示。
2 智能教室系统模块设计
该智能教室控制系统主要利用以太网来实现主分控制器的数据传输功能[2]。通过人体红外传感器、温湿度传感器、光敏电阻传感器等多种传感器的信息融合，来决定智能教室各个用电设备的开关。
2.1智能光线控制模块
白天，如果教室内光照充足，满足建筑照明设计标准时，系统会控制教室内所有的日光灯保持关闭状态；相反，如果天气阴暗或者晚上，当教室光照强度不能满足照明要求时，一旦检测到教室内有人，分控制器则会根据实际需要来决策照明方案，保证室内灯光的省电节能，达到“人在灯亮、人走灯灭”的效果。另外，教室的灯光也可以通过蓝牙、红外实现无线控制。这样老师或者教室的管理者就可以根据具体的需要人为控制教室的光线系统。具体教室智能光线控制流程图如图2所示。
2.2智能换气模块
智能换气模块主要由温湿度传感器、CO2传感器，信号采集电路、调理电路以及智能控制电路（电机）等组成。以STM32 单片机为核心器件，通过两种传感器来检测教室环境状况，将传感数据传输到单片机，通过电机电磁锁来远程实现室内门窗的智能开关，进而实现教室内空气的调换，达到通风换气的目的。白天，可以远程控制门窗的打开；晚上，如果教室没有人自习，可以远程控制门窗的关闭。具体的智能换气模块流程图如图3所示。
2.3智能检查出勤人数模块
在教室门口平行放置两个红外避障模块，红外避障模块选用E18-D80NK，可以同时接收和发射光电信号。该模块通过电位器来调节障碍物的检测距离。在能感应到信号的有效范围内，如果无障碍信号，则该模块输出高电平信号，反之，如果检测到信号，则代表有障碍出现，输出的高电平则降为低电平。电平信号传输到单片机，进行信号识别。该模块通过测量学生进出教室的不同方向来计量学生出勤数目。例如，学生在进入教室时，第一个红外避障模块先触发工作，此时第二个红外避障模块则处于空闲状态，继续向前走，跨越第二个红外避障模块，此时，第一个模块处于空闲状态，第二个模块处于触发状态。出门时，状态正好相反，从而实现出勤人数的检测。对触发时间进行检测，当第一个模块触发一定时间内，如果第二个模块还没进行触发，就判定为此人没有踏入教室，而是转身离开，从而提高了统计精度。这样教师就可以清楚的了解教室出勤学生的具体人数，而不用再去浪费时间点名。具体的智能检查出勤人数模块流程图如图4所示。 2.4智能遥控器模块
该模块实现了与计算机之间的通信，通过一个红外接收头来控制计算机的播放与暂停。除此之外，该遥控器利用红外和基于WiFi的无线传输技术，还能精确控制教室的每一个日光灯的亮灭、窗帘的开关以及温湿度的显示等。而且该智能遥控器还加入了激光笔的功能，让老师手拿遥控器即可控制整个教室的电子设备，给老师的授课带来了极大的便利。该智能遥控器的功能结构框图如图5所示。
3 智能教室系统主要功能模块
3.1 嵌入式处理器芯片
基于智能教室控制系统的需求，本设计以STM32F103C8T6最小系统核心板作为设计核心部分。该核心板的PCB图如图6所示。
3.2 DHT11温湿度传感器
DHT11温湿度传感器是一种数字式高稳定性的复合型传感器，能够采集室内温湿度数据，并传输给STM32核心板部分，进而显示在SMC1602A液晶屏上，同时可通过Wi-Fi模块将数据传输到遥控器端，使遥控器上也能查看室内温湿度数据。该传感器模块电路原理图如图7所示。
3.3 Wi-Fi模块
本系统选择了ESP-01 Wi-Fi模块来实现无线网络的建立与连接，从而实现对各个系统模块功能进行远端远程控制管理。该模块功率低，能迅速切换工作模式，实现信号的处理工作。该Wi-Fi模块的电路原理图如图8所示。
3.4 红外传感器模块
本模块采用HC-SR501人体红外传感器，功耗小，隐蔽性好，价格低廉，连接简便，感应灵敏。当系统感应到障碍信号后，在有效时间段内，一直输出高电平信号，但当人走后，电平信号则会发生翻转[7]，该模块的电路原理图如9所示。
4 總结
本文设计的智能教室控制系统是一种集多种功能模块于一体的综合性智能系统。该系统将多种传感器进行融合，以STM32为核心，可实现教室光线的智能控制，室内的通风换气，检测出勤人数等功能，同时智能遥控器可通过wifi模块实现对室内各种电子设备的控制，减少了多余的布线与维护的不便性。在硬软件设计上采用了模块化处理，各个部分功能明确，方便进行调试与维护，具有较强的应用前景和使用价值。
参考文献
[1] 刘艳，张逸群，李腾飞.智能教室环境监控系统设计[J].电子技术，2017，46（05）：38-41+29.
[2] 栾淼，肖正圣，张祥，丁世豪，雷玉霞.智能教室系统的设计与实现[J].电子技术，2016，45（12）：75-82.
[3] 吴锦欢. 智能教室管理系统的研究与设计[D].华侨大学，2016.
[4] 王华，孙海生，王连华，蒋飞.基于ZigBee的智能教室系统的设计与实现[J].电子技术，2016，45（04）：84-87.
作者简介
钱雪飞（1989.12-）男（汉族），河北廊坊人，硕士，助理工程师。研究方向：控制自动化。
基金项目
北华航天工业学院资助项目“教室环境智能监测与控制技术研究”（KY-2017-18）。