基于STM32的智能照明和签到系统设计

李欣妍 张华 李栋禄 杜薇 童硕

摘   要：为了减少校园用电浪费，提高课堂效率以及便于集中管理，文章提出了适用于高校的智能照明系统和签到系统。照明系统能够通过自动感应人员走动状态以决定是否开启灯具以及开启灯具的数量，在保证基础照明功能的同时杜绝用电浪费，无感签到系统不仅省时省力还提高了课堂效率，方便进行学生管理。

关键词：STM32单片机;智能照明系统;签到系统

能源及与之相关的环境是全世界各国最为关注的热点，对我国来说，由于人口基数大，人均能源资源占有量尤为短缺，极大限制了我国的可持续发展。另一方面，我国仍处在以煤炭为主要使用能源的阶段，能源利用率低，且存在极大的浪费。建筑照明能耗是我国总能耗的重要组成部分，已占总能耗的12%～20%。在大多数校园中，由于教室眾多，常存在人走后灯还亮、人员较少而全部灯亮的情况，长时间的高能用电造成能源的极大浪费。与此同时，室内LED照明灯具由于国内的消费水平参差不齐、产品自身还存在诸多技术问题有待进一步完善，在当下室内照明仍以荧光灯为主，因此校园用电节能减排任务亟待解决[1]。同时，签到、点名作为高校考查学生出勤率的主要方式，通常需占据5～10 min的课堂宝贵时间，也影响教师和学生情绪，严重降低上课效率。若能采取更有效的点名和签到方式，也会受到教师和学生的欢迎[2-4]。

目前，国内教室的照明控制大多采用手动开关，即使加强管理，仍出现忘记关灯的情况，特别是在白天仍然如此，从而造成大量的能源浪费。无论是白天还是晚上，只要自然光可以照明的情况下，都应该利用自然光，节约用电。为解决上述问题，实现教室照明智能化、人性化控制，设计智能照明控制系统，针对学生考勤的现状，可利用学生的校园一卡通进行课堂无感签到，通过该系统实现一卡通签到、PC上位机监控等功能。

1    基于STM32的系统设计

1.1  系统硬件设计

本设计主要运用STM32单片机进行开发。根据系统功能的设计需求，整个智慧教室系统由教学环境监测系统、教室安防系统、教室电气控制系统、无感门禁考勤系统、视频监控系统及中央处理器系统6部分构成;通过物联网技术真实集成各种智能控制设备的智慧教室进行功能展示和实训，实现教室环境灯光智能控制、安防报警，对人员无感考勤、智能监控等功能。构建一个完整的智慧情景教学环境，所有部件均采用商业级;通过智能教室传感网、执行器、无线通信技术，展现嵌入式系统在智能家居上的应用技术。提供固定接口封装，便于学生进行操作与实验[6-11]。本系统与普通智慧教室系统的区别在于智慧教室灯光、考勤控制系统，主要包含教室控制端、PC客户端及网关，其中PC客户端与网关通过以太网通信。

（1）教室控制端。教室控制端分布在学校各个教室门口，负责单个教室的管理。走班学生的出勤记录由教室门口的打卡模块实现签到，且教室门只在上课时间打开，系统确保教室使用权限不会被滥用。

（2）PC客户端。学校管理中心可以通过PC客户端对教室进行远程管理，同时任课老师可通过PC客户端对学生出勤情况进行记录，并根据上课需要变换学习灯光场景。

（3）网关。网关连接以太网络和所有的教室控制端，实现PC客户端与各教室控制端的通信。

系统硬件主要由主控芯片、电源模块、显示屏、打卡模块和网关组成，控制系统硬件框架如图1所示。

主控芯片是整个控制系统的核心，负责控制各外设和与上位机进行通信。电源模块为整个系统供电。显示屏是教室控制端的人机交互界面。打卡模块对教室、学生身份进行验证。

1.2  主控芯片选择

根据系统硬件总统设计方案，控制系统选用STM32F103VCT6作为本系统的主控芯片。其基于Cortex-M3内核，是一款性价比高、资源丰富、易于扩展高性能嵌入式处理器。

1.3  射频识别模块

本设计采用无线射频识别技术（RFID），在实时采集人员流动中充分运用射频识别。相比于传统的打卡签到，需要将证件放于签到机器处，该方法能够持续获取相应的数据，并能够准确直接地识别出人员一卡通信息，将所获取的人员信息上传至上位机，实现无感签到。教师PC端能够以互联网为媒介获取人员签到汇总信息。该技术的运用能够大大提高课堂效率。射频识别模块包含5个部分：处理芯片、电源转换模块、串口模块、晶振复位模块以及收发电路天线。

2    系统设计优势

本设计是智能照明系统和无感签到系统组成的一个联动系统，功能多样，不是简单的单一系统，能全方面满足客户的需求。具体有以下优势：

（1）提高教室灯具的管理水平。在照明基础上，能通过远程监测并控制各个教室灯具的开关，减少了维护人员的工作量。

（2）节约能源。对无人教室实行远程关闭，避免长明灯现象。还能合理根据教室人数决定开几盏灯，避免了能源的浪费。

（3）方便老师对学生到课人数的统计。本系统能在无感情况下读取进入教室人员的校园卡信息，并保存到数据库中，方便老师统计人数。

（4）一定程度上督促了学生按时到课，提高了到课率。

本设计读取到的人员信息，还可用来分析学生在校期间的基本活动范围、活动时间、各科的到课率，从而制定合适的教学方式。随着系统逐步完善，本设计将会应用于更多的教学环境。

3    结语

本文将教室智能照明系统与无感签到系统的结合，客户针对高等专科学校，未来将会对产品进行完善和升级，结合BIM技术可以更加直观地了解教室内的情况，用户可通过相应终端对其实时监测与控制，实现更加智能化的功能、网络化、人性化。

[参考文献]

[1]邱帆，陈诗群.智慧教室及其教学设备管理工作探讨[J].计算机产品与流通，2019（10）：255.

[2]王松禹，王宁.高校智慧教室的设计与实现[J].长春教育学院学报，2019（9）：65-67.

[3]焦勇.探究线上理实一体化教室建设[J].通讯世界，2019（9）：361-362.

[4]吕恋生，杨再明，张凯.智慧教室设计及其对传统教学方式的影响—以中国矿业大学为例[J].现代教育技术，2019（9）：86-92.

[5]张金荣，叶丛如.智慧教室功能建构及其建设思考[J].中国教育技术装备，2019（9）：44-45，54.

[6]贾鹏辉，陈辉，周平义.基于STM32F103VCT6的振弦式传感器数据采集系统[J].仪表技术与传感器，2015（2）：67-70.

[7]王康强，赵相睿，王鑫.基于STM32单片机的智能自行车清洗机器人设计[J].自动化与仪表，2019（6）：49-52.

[8]翟羽佳，刘雨佟，汪凡.基于STM32F103单片机的汽车前照灯智能控制系统的设计与实现[J].科技与创新，2019（7）：54-55.

[9]江中玉，何振鹏，胡锦.基于STM32F103的智能导航避障小车的设计与实现[J].实验科学与技术，2019（3）：29-33.

[10]闫华，戴月真，曹晓慧，等.基于STM32的智能家居设计[J].城市建设理论研究（电子版），2018（14）：146，167.

[11]丛密芳，南敬昌，李久超.RFID低噪声放大器设计与仿真[J].计算机仿真，2011（4）：393-396，401.