基于ARM+Linux平台的教室管理终端的设计

胡永华 林裕生

摘要：将现代互联网技术与传统的教室管理模式进行有机结合，构建智能化的教室管理终端，是实现智能教室系统信息采集和控制的关键设备。该文设计的教室管理终端基于Cortex-A8硬件平台及Linux系统构建，可以通过实时检测室内环境亮度及感应室内人体来调节灯光亮度和窗帘开关，并通过人脸识别技术实现考勤管理。

关键词：物联网；智慧教室；ZigBee；人脸识别

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）25-0233-03

1 概述

在物联网等新兴技术创新发展的带动下，教室管理也逐渐呈现出信息化、系统化发展趋势，教室信息化管理水平将直接影响和决定教育资源的利用水平，是教育多样性、丰富性的重要基础。为了充分发挥物联网的技术优势，全面提升教室信息化水平，必须将现代互联网技术与传统的教室管理模式进行有机结合，从而发挥二者融合优势，构建全新的、信息化管理模式，创造一种基于现代物联网技术的信息化管理平台，从而全面提升教室管理效率水平，真正发挥教室资源的综合价值，为师生信息化应用水平的提升创建良好的实践环境。本文研究设计的教室管理终端正是实现该信息系统的关键终端设备。

2 功能需求分析

在进行教室管理终端的设计开发时，需要完成下面几个基本的功能需求：1）传感器的数据采集：实时获取光照数据、温湿度数据及人体感应情况，能够拍摄用于人脸识别和对比的用户图片；2）控制模块：控制LED灯的数量，控制电机的开关程度实现窗帘的自动升降；3）信息显示界面：将采集到的数据实时显示到液晶显示器上，同时进行数据处理；4）考勤管理：输入用户考勤信息，发送指定命令和数据到服务端操作数据库；5）人脸识别：处理从客户端发送的图片，转码为Base64并进行URL格式处理，发送请求数据到指定的API接口，进行人脸识别和对比及人体检测，获取得到API接口返回的图像检测结果并进行解析，发送回客户端。

3 终端的设计

3.1 硬件设计

本文是采用粤嵌公司生产的GEC210开发板进行开发设计的，它是一款高性能的Cortext-A8核心板，采用三星S5PV210作为主处理器，运行主频可高达1GHz，可流畅运行Android、Linux和WinCE6等高级操作系统，基本能满足本次系统设计的需要。硬件整体结构图如图1所示。

模块与GEC210开发板连线的接口方式如下：

1） LED是开发板自带的用户可编程LED，直接与CPU的GPIO相连接，低电平有效（点亮），LED1接GPJ2_0，LED2接GPJ2_1，LED3接GPJ2_2，LED4接GPJ2_3。

2） 免驱摄像头接USB Host（2.0）接口。

3） 人体红外感应传感器为HC-SR501，室外的接KP_ROW2引脚，对应寄存器为GPH3_2。室内的接EINT0引脚，对应寄存器为GPH0_0。

4） 4相5线步进电机接KP_COL0、KP_COL1、KP_COL2和KP_COL3引脚，依次对应寄存器GPH2_0、GPH2_1、GPH2_2和GPH2_3。

5） 温湿度模块（DHT11）接EINT1引脚，对应寄存器GPH0_1。

6） 串口无线组网模块（DL-LN33）接板上的两线串口，主模块接J18串口，后台模块接J22串口。

7） 光照传感器为GY-302，室内的接IIC总线0，对应引脚为I2C_SCL0和I2C_SDA0，对应寄存器GPD1_1和GPD1_0。室外的接GPIO口，使用GPIO模拟IIC，SCL和SDA对应引脚EINT4和EINT3，依次对应寄存器GPH0_4和GPH0_3。

3.2 主线程的设计

主线程流程如图2所示，在主线程的构造函数中完成各功能模块的初始化，而子线程不断获取各传感器模块返回的原始数据，每获取一次完整数据，如果主线程处于空闲，便发信号通知主线程进行数据处理，通过取得的数据，综合判断是否需要开启照明设备、是否进行亮度调节和是否调用考勤管理，同时，更新UI界面各传感器的数据。

3.3 考勤管理设计

考勤管理流程如图3所示，考勤管理线程会开启摄像头对用户脸部图像信息进行采集，具备取消、考勤、注册和注销四种功能。其中人脸识别功能需要根据第三方API接口服务的规定设置请求数据包的格式，包含了api_key用户编号、api_secret用户密码，image_base64经过转码的图片数据，return_attributes请求得到的数据项。这里用到了QUrl类，设置服务接口的链接地址，然后封装请求数据包，用QNetworkAccessManager类将数据包上传给指定的链接地址，请求视觉识别服务，同时连接finished信号，当收到该信号，用QNetworkReply类读取API接口的回复信息，最后使用QJsonDocument类处理接收到的数据，解析得到所需的信息。

3.4 教室亮度调节

教室的亮度调节流程如图4所示，亮度调节主要根据用户设定的舒适光阀值进行设备的调整。亮度太低，先考虑自然光，开启窗帘；窗帘全开，再逐级增加灯光的亮度。亮度太高，先逐级降低灯光亮度；灯光关闭，关闭窗帘。最后，如果设备的配置无法调整舒适的亮度，系统自动修改设定舒适光阀值。

4 终端的实现

4.1 硬件整体实现

在实现了各个子模块的功能之后，需要将子模块集成到整個系统中。其中，部分关键采用了单例模式，例如：开发板上的文件传输模块SndClient类，摄像头模块Camera类和数据获取子线程DataThread类。这都是为了确保这些功能模块只能有一个实例存在。这避免了对共享资源的多重占用，一定程度上也节省了系统资源。

4.2 主程序界面的实现

主程序界面如图6所示，用于显示灯光管理系统各项数据，根据数据判断串口控制后台程序用户也可以在界面上设定舒适光值，系统将运行设备使室内亮度在舒适光值±10的范围内，右边上方文本框显示亮度调整结果。当室内感应不到人体，后台将运行人体识别，发送室内人体情况图片给服务端识别，结果将显示在右下方文本框，右边黑框显示发送的人体图片。

4.3 考勤管理界面的实现

考勤界面负责的是登记用户的进出时间，更新室内人数统计。先获取用户脸部信息，与用户图片库匹配上，才能对数据库进行相应的考勤操作。考勤管理需要调用到摄像头模块Camera类和文件传输模块SndClient类。在界面上实现了考勤、注册和注销。左上方显示摄像头图像信息，左下方显示从服务端返回的执行结果和当前的执行信息。

5 结语

本文研究具体以物联网技术为基础，开发设计了一种针对教室科学管理的专业信息终端，能实时获取室内光照数据、人体感应数据和温湿度数据，并根据相关数据远程调节设备运行，实现物联网技术应用同传统教学资源的有机整合，为广大师生创造最佳课堂教学环境，从而营造良好的教学氛围，为教学效果的提升做出显著贡献。

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【通联编辑：梁书】