基于STM32指纹识别的智能教室系统的研究

余 达，樊 娟，2*，唐昱煊

(1.西北民族大学 电气工程学院，甘肃 兰州 730030；2.西北民族大学 实验中心，甘肃 兰州 730030)

0 引言

当前，国外照明控制研究采用音像、电话、自然采光等技术，达到光源和百叶窗、空调等协调控制.将现场总线技术引入照明控制领域，出现了分布式照明控制系统.但是，这些系统大多定位高端，不适用于教室照明中，且由于教室的分散，采用总线会耗费大量的导线且不经济.

在国内有许多关于教室智能灯光的研究.论文《基于物联网的教室灯光智能调节系统》[1]中提到，根据教室光强和活动人数来控制灯具，以改善“无人灯”的现状；《LED灯智能照明在中小学教室中的应用》[2]中运用四维照明系统调节灯光，使教室灯光强度达到国家标准.现有的研究只是某一个方面单纯的进行研究，没有全面化，且设计的系统造价昂贵，不适合大范围推广.

1 研究意义

随着我国教育规模的逐渐扩大，教育投资力度不断加大，教室数量大幅增加，教室陈设种类多样化，需满足不同需求，教室管理是否科学有效，教学资源是否得到合理利用，有待考究.目前国内很多高校教室普遍存在无人亮灯、灯多人少、白天亮灯现象，更有夜晚人走不熄灯、不关窗及不关空调现象发生，这不仅浪费电且缩短灯具的使用寿命，还增加管理员管理教室的工作量，加之缺乏科学的管理及使用者责任心不强，造成资源的严重浪费[3-4].因此，教室资源的有效利用成为学校急需解决的问题，基于STM32指纹识别的智能教室系统的研究为解决上述问题提供了一种可靠的方案.

2 系统总体介绍

STM32指纹识别智能教室系统总体结构图如图1所示，该系统主要由各种传感器、指纹模块、监控模块、矩阵键盘、ESP8266网络模块、Yeelink云平台、TFTLCD液晶显示屏、音响与麦克风模块、步进电机、舵机模块、继电器模块、STM32微控制器以及上位机等主要模块组成.该系统中，STM32微控制器作为核心部件，控制整个系统的运行，是整个系统的主控.系统的工作原理是：主控通过各种传感器将教室里的各种参数全部采集，进行数据的处理、存储与传输，并在液晶屏上显示；同时控制相关的执行机构对教室里的门窗等进行自动的开与关.指纹模块和监控模块主要是解决师生的考勤问题及通过摄像头监控师生的上课情况，并将监控的数据流通过ESP8266网络模块和总线的方式上传给教务处.

图1 系统结构原理图

3 系统硬件设计

该系统由多种传感器和模块组成.硬件部分主要包括主控模块、云平台网络模块、节能控制模块、自动门窗控制模块、指纹考勤监控模块、矩阵键盘及液晶显示模块、消防报警模块，以下分别对这些模块进行详述.

3.1 主控模块

本系统选用STM32F103ZET6单片机作为主控系统.STM32F103ZET6单片机是一种低功耗、高性能的32位ARM微控制器，由于其功能较为强大、价钱便宜的特点，在众多的微嵌入式控制系统中被广泛应用[5].

STM32单片机作为下位机的中枢以及中转站，具有接受信息及发出信息的功能，能对各种传感器采集上来的数据进行处理，筛选有效信息，做出准确判断，并将命令下达控制执行机构进行相关的操作.

表1 Yeelink创建设备

3.2 云平台网络模块

云平台网络模块主要由ESP8266网络模块和Yeelink云端两个部分组成。WIFI无线传输主要实现多路数据无线远程传输，脱离距离和导线的限制.鉴于学校有众多分散的教室，要想将每个教室里的信息全部采集且有效控制，全用总线控制显得繁琐且投资费用大，采用ESP8266无线传输很好的解决了该问题，且经济实惠易控制.

要完成STM32单片机与Yeelink的数据对接和传递，须在源程序中对该系统每个元件进行配置，其中包括元件的个数和对应的ID以及对APIkey进行申请.APIkey用来对设备、传感器、数据等进行设置，可在Yeelink中的“我的账户设置”中找到自己的APIkey.在Yeelink中创建一个新设备的要点如表1所示，即对该API的一个HTTP POST请求创建一个新的设备.

3.3 节能控制模块

节能控制模块分为照明灯控制模块和温湿度控制模块，主要用于控制教室照明灯和空调的自动开、关，从而节约空载时浪费的电能.

照明灯控制模块主要由照明灯、继电器、人体热释传感器、光敏传感器组成.其中四个人体红外感应传感器分别安装在教室天花板的四个区域，这四个区域将天花板上的照明灯平分为四个区域.光敏传感器用来检测教室里的光照强度，只有当光线不足，且教室天花板上的人体热释传感器检测到教室里某个区域有人时，主控才命令相关的继电器自动将该区域的灯全部点亮，并且实现人走到哪里灯亮到哪里，真正实现人来灯亮，人走灯灭.

温湿度控制模块主要由温湿度传感器、继电器、变频空调组成.本系统选择DHT11传感器[6]，因其有多种优点.温湿度传感器将教室里的温湿度信息采集起来做初步的处理，将该信息上传至主控，当主控通过人体热释红外传感器判断教室里有人并且温度异常时，主控会对控制变频空调的继电器进行动作以调节教室里的温湿度，实现了对教室温度智能化的控制.

3.4 自动门窗控制模块

自动门窗控制模块主要由红外光电传感器、光敏传感器、雨滴传感器、舵机和步进电机组成。将两个红外光电传感器安装在教室门口的上方，用来检测师生们进出教室的方向，当有人进教室或出教室时，主控接受到红外光电传感器的信号，从而向舵机发出命令控制其开门或关门.

雨滴传感器和光敏传感器安装在室外的窗台上.雨滴传感器用来检测室外是否下雨，光敏传感器用来检测教室里的光线强度，即判断白天还是黑夜.在白天，当室外的光线很强时，主控接受到光敏传感器上传来的信号并做出处理从而控制步进电机降下窗帘；若室外光线很暗以及下大雨时，主控接受到光敏传感器和雨滴传感器的信号并做出分析处理后，主控控制步进电机将窗帘升上去，同时控制舵机自动关窗.在晚上，夜深无人时，主控会控制所有的舵机将所有的门窗关闭，同时控制步进电机将窗帘降下来.

3.5 指纹考勤监控模块

指纹考勤监控模块主要包括指纹模块和摄像头监控模块.经过多种指纹识别模块的筛选，本系统选用UART Fingerprint Reader，其价格实惠、性能优良，并结合了商用指纹算法，满足本系统设计的要求[7].指纹模块安装在教室的门口，师生们上课之前进行指纹录入，指纹模块将录好的指纹信息处理后通过串口通讯的方式传给主控，主控一方面将考勤信息传给教室里的PC机，另一方面将考勤信息通过无线传输的方式传给教务管理系统，同时教务管理系统判断是否有人缺勤，并且将处理后的信息返回到主控.

本系统采用Ov6620数字摄像头作为模拟的监控模块，将其安装在教室顶部，对教室情况进行实时监控，后将监控得到数据传回到主控系统，而主控系统再将数据流实时传到教务处，以便教务处随时监管教学情况.

3.6 矩阵键盘及液晶显示模块

本系统的人机交会界面主要是由矩阵键盘和TFTLCD液晶显示模块[8]来实现.矩阵键盘的键盘输入主要用来选择系统的工作模式，更改系统参数.工作模式主要分为自动模式和手动模式两种.自动模式是指教室里的门窗灯以及空调等设施实现自动的开与关以及其参数智能化的调整；手动模式是指教室里相关设施的开与关由手动去操作.系统参数主要指的是温湿度、烟雾浓度、光照强度等阈值的设置以达到系统最佳的工作模式.

因TFTLCD液晶显示屏具有显示质量高、运行快、功耗低以及价格便宜等特点，本设计用它来显示系统中一系列的参数与数据.液晶显示模块的主要功能是接受并显示系统当前工作模式、上课时间、温湿度、室内外光照强度、缺勤人员以及教室里的烟雾浓度，让管理人员对当前参数有具体的了解，以便采取相应的操作.

3.7 烟雾报警模块

烟雾报警模块由主控芯片、烟雾检测模块、报警模块和电源模块四部分组成[9].主控芯片采用低功耗的STM32单片机，烟雾检测模块选择MQ-2型烟雾传感器，MQ-2气体传感器使用的是气敏材料，使用简单的电路可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号.主控每隔一段时间进行一次烟雾检测，通过十位的模数转换将连续4次采集的数据进行处理，取平均值作为检测结果，同时将检测结果与预设报警门限值进行比较，从而由蜂鸣器自动发送预警信息，以便有关部门采取相应的处理措施.

4 系统软件设计

在系统软件部分可分为系统主程序、定时器0中断服务子程序、外部中断指纹考勤服务子程序、系统参数设置子程序、按键扫描子程序、液晶显示子程序、温湿度调节子程序、ESP8266物联网子程序、门窗帘自动控制子程序以及灯光调整子程序等部分.其中主程序部分在完成初始化工作后对各个传感器模块进行参数实时的采集并且做出处理，外部中断子函数判断是否有人进入教室，若有，系统进入指纹考勤子程序，若没有，系统就进入温湿度调节等各种子程序中，并且做出相应的判断与处理，接着通过定时器0中断服务子程序定时更新液晶显示，最后进入ESP8266物联网子程序将所有的信息通过互联网的方式都上传给上位机系统，并且返回上位机对各种数据处理后的反馈信息作用于下位机控制系统，程序流程见图2.

图2 程序流程图

5 结束语

基于STM32指纹识别的智能教室系统能解决师生考勤的问题，通过无线联网云平台将数据上传给学校教务处，教务处获取全校师生的实际出勤情况；系统将缺勤人员显示在显示屏上，免去老师上课点名的麻烦，节约上课时间，提高了上课效率；学校教务处通过监控系统对教室的教学情况进行实时监督，以便学校制定相应的教学管理政策。智能化教室系统对教室里的门窗、照明系统、温控系统实现智能化的控制管理，免去学校师生开关照明灯或空调的麻烦，减少了教室管理人员的工作负担，避免照明灯或空调在无人时运行，这样既节约了电费，还延长了设备的运行寿命，减小了电力系统在高峰运行时的负荷。同时该系统还兼有消防报警的功能，当发生火灾时，系统会发出报警信号，提醒教室里的师生有危险，并且在火灾的初期，该系统还能将教室里火灾情况实时反馈到教务处，这样有助于学校的消防工作，同时也提高了教室的安全性能.该系统满足了最初的设计要求，达到了预期设想的功能，符合当代绿色发展的理念，理应大力推广普及.

[1] 许浩然.基于物联网的教室灯光智能调节系统[J].电子技术与软件程，2016(4)：84-85.

[2] 钟雄，侯洪才，乔庆飞.LED 灯智能照明在中小学教室中的应用[J].照明工程学报，2016(3).

[3] 伍世云，罗江，王益艳，范开敏. 基于单片机的高校教室照明节能智能控制系统的设计[J].电子设计工程，2016，24(23)：180-182.

[4] 崔亮亮，苏延全，党晓婧. 基于单片机的教室智能节能控制系统设计[J].机电工程技术，2012，41(08)：136-138.

[5] 周江.STM32单片机原理及硬件电路设计研究[J]. 数字技术与应用，2015，(11)：1.

[6] 陈建新.DHT11数字温湿度传感器在温室控制系统中的应用[J].山东工业技术，2016，(18)：120.

[7] 刘虹.指纹识别技术应用[J]. 中国新通信，2017，19(13)：102-103.

[8] 沈鎏.基于TFTLCD驱动芯片的显示控制模块设计[D].华南理工大学，2013.

[9] 肖宾宾，涂六梅，龙祖强.基于MSP430单片机的家用烟雾报警器的设计[J].电子技术，2011，38(08)：33-34.