基本信息
- 項目名稱：
- 基于zigbee的教室信息管理防盜系統(tǒng)
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本項目主要是針對目前高校教學樓教室的電能資源浪費嚴重，教室資源利用不合理，教學樓安全監(jiān)控不足的現(xiàn)狀，設(shè)計了基于zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的智能教室信息管理系統(tǒng)，以達到節(jié)約電能、實現(xiàn)高校教室資源的合理使用，以及改善教學樓安全性的目的。
- 詳細介紹：
- 摘 要 本項目主要是針對目前高校教學樓教室的電能資源浪費嚴重，教室資源利用不合理，教學樓安全監(jiān)控不足的現(xiàn)狀，設(shè)計了基于zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的智能教室信息管理系統(tǒng)，以達到節(jié)約電能、實現(xiàn)高校教室資源的合理使用，以及改善教學樓安全性的目的。 本項目結(jié)合實際需求，將現(xiàn)代通信技術(shù)、信息處理技術(shù)、控制技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合，設(shè)計了由zigbee無線網(wǎng)絡(luò)、RFID射頻識別系統(tǒng)、教室終端集控系統(tǒng)、聲光報警系統(tǒng)、綜合信息網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和教室遠程無人監(jiān)控系統(tǒng)組成的智能教室信息管理系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)為教室各采集模塊—教室集控中心—zigbee無線網(wǎng)絡(luò)—綜合信息管理中心—互聯(lián)網(wǎng)。該系統(tǒng)通過對教室溫度、教室光照、煙霧濃度、學生人數(shù)及學生基本信息的采集，教室使用狀態(tài)等的監(jiān)控與實時顯示，再遠程傳送到終端進一步上傳至網(wǎng)絡(luò)，達到對教室資源智能信息化管理的目的；加上無人監(jiān)控系統(tǒng)的使用，進一步增強了對教室的安全管理。 與已有的技術(shù)相比，該系統(tǒng)建立的信息采集模型，功能比較齊全，具有友好的操作性和很好的擴展性，方便進一步開發(fā)和完善。而且系統(tǒng)采用zigbee網(wǎng)絡(luò)作為主通信方式，相比于WIFI、藍牙網(wǎng)絡(luò)，有明顯的價格優(yōu)勢、更低的功耗和相當?shù)目煽啃浴? 關(guān)鍵詞： Zigbee網(wǎng)絡(luò) RFID射頻識別技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 綜合信息數(shù)據(jù)管理 人體跟蹤監(jiān)測 Abstract This topic mainly aims at the present universities teaching building classroom the electrical energy resources waste to be serious，the classroom resources use is unreasonable，the realization current collector control and the teaching management is insufficient the present situation，has designed the intelligent classroom management system，realizes the classroom current collector reasonable use，saves the electrical energy as well as the improvement teaching management goal． This article applies the Modern Communication Technology，the information processing technology，the control technique，as well as the network technology，successfully developed the intelligent classroom management system，including the Zigbee wireless network and the RFID radio frequency identification system，the classroom terminal set control system, the annuciator，Comprehensive information network management system, The remote and unmanned surveillance classroom system. Its The overall system is The every acquisition module in classroom-- The classroom sets control center—the Zigbee wireless network-- Integrated information management center--- internet.By Monitoring and real-time displaying the classroom temperature, the classroom illumination, smoke concentration, studying by oneself the student population and students' basic information collection, classroom use state, etc and remote transmission to the terminal ,further uploaded to the network ,the system achieves the purpose of intelligent information management resources. with the addition of the use of unmanned surveillance system, it can further enhance the safety management for classrooms. Compared with existing technology, This system established information acquisition model，whose function relatively complete with friendly operability and good expansibility．It is Convenient to further develop and perfect . And the system uses Zigbee network as the main means of communication, compared with WIFI，bluetooth network, have clear price advantage, lower power consumption and quite reliability. keywords: Zigbee network ,RFID technology，network techniques，comprehensive information data management, Human body tracking monitoring 目 錄 第一章 緒論 4 1.1課題背景 4 1.2研究目的 5 第二章 系統(tǒng)整體設(shè)計方案 6 2.1系統(tǒng)總體組成 6 2.1.1教室檢測控制單元 6 2.1.2中央主機單元 7 2.1.3通信網(wǎng)絡(luò) 7 2.2系統(tǒng)功能實現(xiàn) 7 2.2.1教室檢測控制單元數(shù)據(jù)采集 7 2.2.2教室信息顯示 8 2.2.3用電設(shè)備管理 8 2.2.4火災(zāi)報警及教室無人監(jiān)控 8 2.2.5教室信息統(tǒng)計和發(fā)布 8 第三章 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 9 3.1基本思路 9 3.2系統(tǒng)組成 10 3.2.1系統(tǒng)芯片 10 3.2.2 ds1302時鐘芯片 11 3.2.3 ic射頻卡芯片ZLG500 13 3.2.4 溫度傳感器（用于數(shù)據(jù)采集） 14 3.2.5教室監(jiān)控部分 15 3.2.6 Zigbee模塊 21 3.2.7系統(tǒng)軟件部分 22 第一章 緒論 1.1課題背景 隨著能源的日益緊張，以及燃燒煤炭等資源帶來的社會和環(huán)境問題的日漸突出，黨和國家對節(jié)能工作的重視程度不斷提高，已經(jīng)將其列入《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》，指出能源在國民經(jīng)濟中具有特別重要的戰(zhàn)略地位，我國目前能源供需矛盾尖銳，結(jié)構(gòu)不合理；能源利用效率低；并提出了堅持節(jié)能優(yōu)先，降低能耗的發(fā)展思路。教育部也積極響應(yīng)，提出了“建設(shè)節(jié)約型高校”的口號，高校節(jié)能工作也在全國各地蓬勃開展起來，成立了“中國高校節(jié)能聯(lián)盟”。高校作為培養(yǎng)高素質(zhì)人才的搖籃，提倡節(jié)約的意義也就顯得更加重大而深遠。 但是隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，國家在教學方面投入了大量資金，陸續(xù)建成了一大批配備有先進教學設(shè)施、環(huán)境的中學和各類學校，各大專院校也對教學設(shè)備和教學環(huán)境建設(shè)進行了大力度的投入，為提高教學水平和教學效率創(chuàng)造了良好的條件，但隨之而來的是如何管理和如何充分利用這些資源，充分發(fā)揮它應(yīng)有的功能，同時又盡可能的減少資源的浪費。教室作為高校教學的重要場所，一般采用開放式管理模式為主，學生基本上無固定的班級教室，無固定的座位；而樓層管理人員僅負責衛(wèi)生或保衛(wèi)工作。因此，造成了白天長明燈，晚上無人也開燈，人少燈全開以及在夏天電風扇的無效運行的浪費現(xiàn)象在高校司空見慣。從早晨開放到晚上清場，教室照明燈具一直處于開啟的現(xiàn)象在不少高校中是普遍存在的。雖然教室的用電設(shè)備負荷在整個學校用電負荷中所占的比重不算太大，但是由于它們的數(shù)量眾多，使用時間最長，使得它們在整個學校用電量中所占的比重一直居高不下，從而帶來電力資源的極大浪費。長時間如此也會造成燈具等硬件設(shè)備的過早老化。 近幾年，國內(nèi)很多大專科院校都建立了新校區(qū)，從而大力投入建設(shè)先進的教學設(shè)備和教學環(huán)境等硬件設(shè)施。但對于教室和其他教學設(shè)施甚至實驗室的管理很多都停留在傳統(tǒng)的管理階段。因而造成了電力資源和人力資源的極大浪費。雖然有些高校認識到了這種現(xiàn)象，采取了各種各樣的管理方式，企圖來杜絕這種浪費。但一般都采用人工負責的方法。但始終沒能長久堅持下去，也就沒有取得理想效果。 其次，學生對教學樓教室的利用狀況的未知往往造成有些教室人滿為患，有些教室無人問津的狀況。從而由于管理不當而影響教學資源分配等種種問題。 基于以上種種問題，我們提出了一種方便可靠的智能教室信息管理系統(tǒng)。 1.2研究目的 隨著能源問題加劇，其帶來的社會和環(huán)境問題也日益突出，建設(shè)節(jié)約型高?！逼仍诿冀?；現(xiàn)在是信息化時代，科技發(fā)展日新月異，學校作為培養(yǎng)社會人才的搖籃，更應(yīng)該將信息化全面體現(xiàn)在學生的生活學習中，學校信息化建設(shè)更是意義深遠。 因此針對目前教學資源浪費嚴重并缺乏有效管理和信息傳遞不及時的情況，以節(jié)約資源、加強學校教學智能信息化管理為目的，項目小組設(shè)計開發(fā)了一種低能耗低成本的zigbee技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的教室智能信息管理系統(tǒng)。 本系統(tǒng)應(yīng)用先進的通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動控制技術(shù)以及實用的軟件平臺，具體由zigbee無線網(wǎng)絡(luò)、RFID射頻識別系統(tǒng)、教室終端集控系統(tǒng)、聲光報警系統(tǒng)、綜合信息網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和教室遠程無人監(jiān)控系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)通過對教室溫度、教室光照、煙霧濃度、學生人數(shù)及學生基本信息的采集，教室使用狀態(tài)等的監(jiān)控與實時顯示，再遠程傳送到終端進一步上傳至網(wǎng)絡(luò)，達到對教室資源智能信息化管理的目的；加上無人監(jiān)控系統(tǒng)的使用，進一步增強了對教室的安全管理。 第二章 系統(tǒng)整體設(shè)計方案 2.1系統(tǒng)總體組成 本教室信息管理系統(tǒng)采用基于zigbee協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆植际郊⒖刂葡到y(tǒng)，對學校教學樓教室進行照明燈具的管理、教室學生人數(shù)的統(tǒng)計、火災(zāi)等突發(fā)事件的報警，以及實現(xiàn)教室無人安全監(jiān)控。整個系統(tǒng)采用兩層硬件單元和一級通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，即教室檢測控制單元，中央控制主機單元及zigbee通訊網(wǎng)絡(luò)。教室檢測控制單元的設(shè)計采用的是以51單片機為主的控制系統(tǒng)。中央控制主機單元則是通過編制上位機監(jiān)控程序，實現(xiàn)對教室內(nèi)的教室檢測控制單元所采集到的信息的接收、處理、發(fā)布，從而可以很輕松的對教室用電設(shè)備開關(guān)狀況、室內(nèi)溫度、光照強度、安全情況、學生人數(shù)、上課學生信息等進行實時監(jiān)控和統(tǒng)計，并即時通知相關(guān)人員。對于通訊網(wǎng)絡(luò)部分，在教室檢測控制單元內(nèi)部的傳感器和MCU之間，以及檢測控制單元與總機之間均采用zigbee技術(shù)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)進行通訊。 2.1.1教室檢測控制單元 在每個教室的用電設(shè)備開關(guān)裝置上安裝的教室檢測控制單元是以51單片機為核心的數(shù)據(jù)采集和控制裝置。它的主要任務(wù)是通過各種傳感器以及射頻卡實現(xiàn)對教室內(nèi)溫度、光照強度、安全狀態(tài)、進入教室的學生人數(shù)、學生上課等信息采集、存儲與處理，并可實現(xiàn)對教室內(nèi)照明燈具開關(guān)狀態(tài)檢測和自動控制，自動火災(zāi)報警、手動向中央控制主機單元報告緊急情況等。同時通過串行通訊線與教室外LCD顯示器通訊，并可通過zigbee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與中央控制主機單元通訊。每個教室檢測控制單元都是由數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、人機交互模塊、顯示模塊、電源模塊、通訊模塊等組成。 2.1.2中央主機單元 中央控制主機采用普通PC機，在PC機上配置zigbee接收卡，用于接收各教室檢測控制單元發(fā)送的數(shù)據(jù)。中央控制主機是整個智能教室控制系統(tǒng)的控制和管理中心，其功能是將教室控制單元送來的信號進行處理，按要求控制輸出單元，可自動或手動對各控制裝置發(fā)出指令，并可通過Internet發(fā)布信息。其軟件部分由C#編寫的管理軟件、web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫組成。 2.1.3通信網(wǎng)絡(luò) 通訊網(wǎng)絡(luò)是保證整個教室控制系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，所有的教室檢測控制單元和都連接在通訊網(wǎng)絡(luò)的平臺上，最終與中央主機單元相連。本系統(tǒng)采用低成本、低功耗的近距離無線組網(wǎng)zigbee通訊技術(shù)，實現(xiàn)各傳感器與單片機、教室檢測控制單元與中內(nèi)主機單元的連接。 2.2系統(tǒng)功能實現(xiàn) 本教室控制系統(tǒng)的設(shè)計的目的就是為了實現(xiàn)教室用電設(shè)備的合理使用，節(jié)約能源、火災(zāi)報警以及改善教學管理，提高教室使用效率。在設(shè)計過程中，將整個系統(tǒng)分為了上述的三個部分，系統(tǒng)可以實現(xiàn)的功能則可以概括為以下幾個方面: 2.2.1教室檢測控制單元數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)的底層設(shè)備教室檢測控制單元具有自動定時采集和命令采集兩種模式。自動定時采集就是教室檢測控制單元可以根據(jù)內(nèi)部時鐘設(shè)置對教室進行循環(huán)采集數(shù)據(jù)，命令采集模式是指當教室管理人員發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令后，由中央主機單元通過zigbee通訊網(wǎng)絡(luò)將命令傳送到教室檢測與控制單元，根據(jù)需要采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。 采集數(shù)據(jù)的傳感器有溫度傳感器、光線傳感器、煙霧傳感器、RFID射頻識別器、CCD攝像頭等。 2.2.2教室信息顯示 各傳感器采集教室信息后，發(fā)送給各個教室的MCU，MCU通過串行通訊線將教室情況，如所上課程、所到學生人數(shù)等傳送給LCD顯示器，教師和學生可隨時進行查看。 2.2.3用電設(shè)備管理 光線傳感器將采集到的室內(nèi)光照強度發(fā)送給教室內(nèi)的MCU，MCU再通過zigbee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給中央主機單元，由中央主機單元控制照明燈具開或關(guān)，可設(shè)為自動或手動兩種模式。 2.2.4火災(zāi)報警及教室無人監(jiān)控 煙霧及紅外線傳感器若采集到室內(nèi)有大量的煙霧或出現(xiàn)火光，會即時報告給中央主機，中央主機向報警器發(fā)出報警命令，從而進行聲光報警。 若在某特定時段CCD攝像頭捕捉到有可疑人員進入教室，將對其進行跟蹤并錄像，同時向中央主機報告情況，由管理人員決定是否發(fā)出報警命令。 2.2.5教室信息統(tǒng)計和發(fā)布 各傳感器采集教室信息后，通過zigbee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給中央主機單元，計算機對接收的數(shù)據(jù)進行篩選和分類統(tǒng)計，存入數(shù)據(jù)庫，并將教室安排信息發(fā)布到Internet上，將學生上課統(tǒng)計信息發(fā)送給任課老師，作為任課老師評分依據(jù)。 第三章 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 3.1基本思路 教室信息管理系統(tǒng)由zigbee無線網(wǎng)絡(luò)、RFID射頻識別系統(tǒng)、教室終端集控系統(tǒng)、聲光報警系統(tǒng)、綜合信息網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和教室遠程無人監(jiān)控系統(tǒng)組成。各功能實現(xiàn)方式如下： (1) Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：采集多種傳感器信息（煙霧傳感器，光敏傳感器，紅外傳感器），通過zigbee無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。 (2) RFID射頻識別系統(tǒng)：采集上機學生基本信息，用于學生上機實驗管理。 (3) 教室終端集控系統(tǒng)：由多個zigbee節(jié)點組成，將各節(jié)點（傳感器）得到的數(shù)據(jù)融合處理后，通過zigbee路由中繼節(jié)點發(fā)送到總控制臺，并在本教室外通過液晶屏顯示出本教室的信息。 (4) 聲光報警系統(tǒng)：采用鳴笛或響鈴、報警燈閃爍等方式進行緊急情況報警。 (5) 綜合信息網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)：在多個教學樓之間聯(lián)網(wǎng)組成更高層次、更全面的綜合管理系統(tǒng)，并通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布教室的相關(guān)信息。 (6) 教室遠程無人監(jiān)控系統(tǒng)：利用高性能DSP與CCD攝像頭，通過分析夜晚無人時教室圖像，監(jiān)測并跟蹤人體達到遠程監(jiān)控的目的。 系統(tǒng)框圖 圖3.1 系統(tǒng)總框圖 3.2系統(tǒng)組成 3.2.1系統(tǒng)芯片 考慮到本系統(tǒng)所要求的可靠性高、功耗低、使用方便等特點，我們決定選用51單片機作為芯片。 51單片機是對目前所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機的統(tǒng)稱。該系列單片機的始祖是Intel的8031單片機， 后來隨著Flash rom技術(shù)的發(fā)展，8031單片機取得了長足的進展，成為目前應(yīng)用最廣泛的8位單片機之一，其代表型號是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。目前很多公司都有51系列的兼容機型推出，在目前乃至今后很長的一段時間內(nèi)將占有大量市場。51單片機是基礎(chǔ)入門的一個單片機，還是應(yīng)用最廣泛的一種。特別適合我們使用。 圖3.2 89C51管腳 主要功能有： ?8位CPU ?4kbytes 程序存儲器(ROM) (52為8K) ?256bytes的數(shù)據(jù)存儲器(RAM) （52有384bytes的RAM） ?32條I/O口線 ?111條指令，大部分為單字節(jié)指令 ?21個專用寄存器 ?2個可編程定時/計數(shù)器 ?5個中斷源，2個優(yōu)先級（52有6個） ?一個全雙工串行通信口 ?外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間為64kB ?外部程序存儲器尋址空間為64kB ?邏輯操作位尋址功能 ?雙列直插40PinDIP封裝 ?單一+5V電源供電 ?CPU：由運算和控制邏輯組成，同時還包括中斷系統(tǒng)和部分外部特殊功能寄存器； ?RAM：用以存放可以讀寫的數(shù)據(jù)，如運算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以及欲顯示的數(shù)據(jù)； ?ROM：用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格； ?I/O口：四個8位并行I/O口，既可用作輸入，也可用作輸出； ?T/C：兩個定時/記數(shù)器，既可以工作在定時模式，也可以工作在記數(shù)模式； ?五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)； ?一個全雙工UART（通用異步接收發(fā)送器）的串行I/O口，用于實現(xiàn)單片機之間或單片機與微機之間的串行通信； ?片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，石英晶體和微調(diào)電容需要外接。最高振蕩頻率為12M。 3.2.2 ds1302時鐘芯片 實時時鐘電路DS1302 是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的具有涓細電流充電能力的實時時鐘電路，主要特點是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護電源提供可編程的充電功能，并且可以關(guān)閉充電功能。采用普通32.768kHz晶振。它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個31×8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力。 引腳功能及結(jié)構(gòu) DS1302的引腳排列,其中Vcc1為后備電源，VCC2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當Vcc2大于Vcc1＋0.2V時，Vcc2給DS1302供電。當Vcc2小于Vcc1時，DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。RST是復(fù)位/片選線，通過把RST輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當RST為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對DS1302進行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在Vcc≥2.5V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)，后面有詳細說明。SCLK始終是輸入端。 圖3.3 ds1302引腳圖 DS1302的寄存器 DS1302有12個寄存器，其中有7個寄存器與日歷、時鐘相關(guān)，存放的數(shù)據(jù)位為BCD碼形式。 此外，DS1302 還有年份寄存器、控制寄存器、充電寄存器、時鐘突發(fā)寄存器及與RAM相關(guān)的寄存器等。時鐘突發(fā)寄存器可一次性順序讀寫除充電寄存器外的所有寄存器內(nèi)容。 DS1302與RAM相關(guān)的寄存器分為兩類：一類是單個RAM單元，共31個，每個單元組態(tài)為一個8位的字節(jié)，其命令控制字為C0H～FDH，其中奇數(shù)為讀操作，偶數(shù)為寫操作；另一類為突發(fā)方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性讀寫所有的RAM的31個字節(jié)，命令控制字為FEH(寫)、FFH(讀)。 3.2.3 ic射頻卡芯片ZLG500 圖3.4 ic射頻卡芯片ZLG500 串行接口 ZLG500A 模塊可方便地與任何MCU 進行接口，如下圖所示與MCS51 單片機的典型接口 圖3.5 MCU與ZLG500A串行接口 三線分別為片選SS 時鐘線SCLK 和數(shù)據(jù)線SDATA 主控制器的MCU 和讀卡模塊內(nèi)的MCU ，通過此三線相連三根線上的實際電平是雙方口線狀態(tài)邏輯線與的結(jié)果。 協(xié)議 通信必須先由MCU 發(fā)送命令和數(shù)據(jù)給ZLG500A， ZLG500A 執(zhí)行命令完畢后將命令執(zhí)行的狀態(tài)和響應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)回MCU。 開始通信前收發(fā)雙方必須處于空閑狀態(tài)。ZLG500A的RST有兩種接法：一是接硬件復(fù)位電路，如阻容復(fù)位等。這樣系統(tǒng)上電后必須要等待ZLG500A 復(fù)位結(jié)束。二是接外部MCU的一個I/O 口由MCU 控制復(fù)位。推薦使用第二種方法。這樣在ZLG500 出現(xiàn)異常時可由MCU控制復(fù)位 首先MCU發(fā)出SS下降沿信號然后等待ZLG500A 在SDATA 線上的響應(yīng)。若在50ms 內(nèi)未檢測到此響應(yīng)則退出本次傳輸，將錯誤代碼返回給主程序，由主程序進行錯誤處理。若ZLG500A 正確響應(yīng)則MCU 可將命令和數(shù)據(jù)發(fā)送出去，然后MCU 等待ZLG500A 發(fā)回的狀態(tài)和響應(yīng)數(shù)據(jù)。也即等待SS 線上的下降沿的產(chǎn)生，此時的MCU 可用軟件查詢也可用外部中斷。若在500ms 內(nèi)未檢測到此信號則退出本次傳輸且向主程序報告錯誤代碼。若正確檢測到SS 信號則可接收狀態(tài)和數(shù)據(jù)。 3.2.4 溫度傳感器（用于數(shù)據(jù)采集） 溫度傳感器我們選用DS18B20單線數(shù)字傳感器。 其功能簡介如下： 溫度傳感器是各種傳感器中最常用的一種，早期使用的是模擬溫度傳感器，如熱敏電阻，隨著環(huán)境溫度的變化，他的阻值也發(fā)生線性變化，用處理器采集電阻兩端的電壓，然后根據(jù)某個公式，就可計算出當前環(huán)境的溫度。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代的溫度傳感器已經(jīng)走向數(shù)字化，外形小，接口簡單，廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實踐的各個領(lǐng)域，為我們的生活提供便利。隨著現(xiàn)代儀器的發(fā)展，微型化，集成化，數(shù)字化正成為傳感器發(fā)展的一個重要方向。 美國DALLAS半導(dǎo)體公司推出的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20采用單總線協(xié)議，即與單片機接口僅需占用一個I/O端口，無須任何外部元件，直接將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，以數(shù)字碼方式串行輸出，從而大大簡化了與微處理器的接口。 DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司推出的第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，它具有微型化，低功耗，高性能，抗干擾能力強，易配微處理器等優(yōu)點，可直接將溫度轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號供處理器處理。 圖3.6 DS18B20 引腳 3.2.5 教室監(jiān)控部分 3.2.5.1教室監(jiān)控概述 本模塊硬件平臺以ADI公司的高性能處理器ADSP-BF533為核心。ADSP-BF533是Blackfin系列嵌入式多媒體DSP處理器，融合了Analog Devices/Intel的微信號結(jié)構(gòu)（MSA），雙MAC處理器架構(gòu)使其同時具有DSP的性能和MCU的功能，靈活的DMA結(jié)構(gòu)和高速串行和并行端口（PPI）非常適合于音頻、視頻、通信等方面的應(yīng)用。 本系統(tǒng)分為視頻信號采集、DSP處理和通信三部分構(gòu)成。CCD采集的模擬電視信號經(jīng)視頻解碼器ADV7183轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，通過并行外設(shè)接口PPI以DMA方式存儲到外部SDRAM視頻緩沖區(qū)中。然后由BF533完成數(shù)字圖形處理的任務(wù)，其中包括人體檢測、目標跟蹤等算法。若檢測到人闖入教室 ，則將警告信息通過串口傳給上位機。硬件框圖如圖3.2.5.1所示。 圖 3.7教室監(jiān)控硬件結(jié)構(gòu) 3.2.5.2硬件設(shè)計 ADSP-BF533系統(tǒng)是主要包括電源電路、復(fù)位電路、SDRAM、SPI FLASH存儲器和JTAG接口電路組成。 圖3.8 BF533核心電路 SDRAM(同步動態(tài)隨機存儲器)具有隨機讀寫速度快，寫入數(shù)據(jù)之前不需要進行擦除的特點，在嵌入式系統(tǒng)中成為不可缺少的存儲設(shè)備之一。本系統(tǒng)采用MT48LC32M，其容量為32 MB，最高頻率為133 MHz。ADSP-BF533支持與SDRAM的無縫連接。 圖3.9 SDRAM連接 圖3.10 JTAG接口 ADSP-BF533具有3種引導(dǎo)模式。當上電復(fù)位或者軟件初始化復(fù)位后，處理器采樣復(fù)位配置寄存器BMODE引腳，執(zhí)行引導(dǎo)功能。無論采取何種引導(dǎo)模式，都要從外部存儲器設(shè)備首先讀取一個10個字節(jié)的頭。這個頭指定將被傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)量和存儲器的目的地址。多存儲器模塊可被任何引導(dǎo)次序裝載，一但所有模塊被裝載，程序從L1指令SRAM的起始部分開始執(zhí)行指令。 BMODE2-0 說明 00 從外部16位存儲器執(zhí)行(旁路引導(dǎo)ROM) 01 由8位或16位Flash引導(dǎo) 10 保留 11 由SPI串行EEPROM引導(dǎo) 圖3.11 SPI Flash接口 圖3.12 UART接口 3.2.5.3圖像采集 為滿足實時圖像處理中大量數(shù)據(jù)和高速數(shù)據(jù)傳輸要求，需借助DMA完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移任務(wù)。DMA具有獨立于CPU的后臺批量數(shù)據(jù)傳輸能力，不占用CPU的時鐘周期，使CPU專注于數(shù)據(jù)的計算。為減少處理器等待時間，采用雙乒乓緩沖的方式采集圖像。頻解碼芯片ADV7183將CCD輸入的模擬視頻信號轉(zhuǎn)化為標準的ITU-R601/656格式Y(jié)CrCb 型4:2:2的數(shù)字視頻信號，BF533通過高速串行外設(shè)接口PPI接收。本系統(tǒng)采用的算法都基于灰度圖像，可通過使能PPT_CONTROL的SKIP_EN位，設(shè)置PPI接口只接受Y灰度信號，忽略Cr和Cb信號，從而節(jié)省PPI帶寬。使用PPI接口的2D DMA傳輸方式，將視頻圖像信號存儲到外部SDRAM的第一層視頻緩沖區(qū)中。此時得到的圖像分為1場和2場信號，利用DMA的數(shù)據(jù)重排功能，通過存儲器DMA將第一層視頻緩沖區(qū)中的圖像傳輸?shù)降诙悠古乙曨l緩沖區(qū)中，DMA源地址設(shè)置步進為2，第二層乒乓緩沖區(qū)中即得到 的圖像。 圖3.13 雙乒乓緩沖示意圖 3.2.5.4人體檢測跟蹤算法 系統(tǒng)首先使用幀差法檢測教室狀況，若前后兩幀圖像變化超過一定閾值，表明可能有人進入教室。然后采用Adaboost方法進行人體檢測，若檢測到有人闖入，則將警告信息傳給上位機。算法流程如下圖所示： 圖3.14 算法流程圖 1.幀差法 首先采集兩幅圖片，為增加圖像幀差的效果，使用第N幀和第N+4幀圖像進行幀差，公式為： 圖像的變化為： 將圖像變化 和閾值 比較。若 ，則判斷圖像沒有變化（噪聲影響），教室安全；若 ，則可能有人闖入了教室。 2.眼睛檢測跟蹤算法 Paul Viola和Michael Jones于2001年提出級聯(lián)的Adaboost算法，其算法在速度和魯棒性上有很大優(yōu)勢。Adaboost算法是一種高效的迭代算法，在大量訓(xùn)練樣本（包括正樣本和負樣本）的Haar-like特征中，通過迭代選出最優(yōu)秀的弱分類器，若干弱分類器組成強分類器，然后再將若干強分類器組成級聯(lián)的分類器。Adaboost算法中用到P.Viola提出的基本Haar-like特征如圖3.16，特征值為灰色矩形區(qū)域內(nèi)的灰度值和與白色矩形區(qū)域內(nèi)灰度值和之差。為快速計算Haar-like特征值，P.Viola引入了積分圖，圖中任意一點的（x，y）表示（1,1）到（x，y）所組成的矩形的內(nèi)灰度值之和，即： 其中 是積分圖， 是原始灰度圖像。 積分圖矩形快速計算公式為： 圖3.15 積分圖矩形灰度和計算 圖3.16 Haar-like特征 雖然Adaboost算法的提出是為解決人臉檢測問題，但是Adaboost算法是一個通用算法，在人眼檢測、鼻子檢測和人體檢測等方面也得到了很好的應(yīng)用。 3.2.5.5移植優(yōu)化 本系統(tǒng)使用ADI公司提供的類似OpenCV的圖像處理工具箱，工具箱已針對Blackfin系列處理器做了充分優(yōu)化，內(nèi)含圖像處理任務(wù)級原件，能夠加快視頻分析應(yīng)用的開發(fā)速度。適合視頻監(jiān)控、汽車視覺系統(tǒng)和工業(yè)視覺等應(yīng)用。 Blackfin處理器采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)和分級的存儲器結(jié)構(gòu)。L1存儲器以全速運行，沒有或只有很少的延遲， 但片內(nèi)SRAM的容量有限。為此我們擴展了 的SDRAM，兩層乒乓存儲緩沖區(qū)都置于SDRAM中，但是SDRAM讀寫速度相對L1存儲器慢很多，所以有必要對程序和數(shù)據(jù)做優(yōu)化，以充分利用片內(nèi)L1存儲器。ADSP-BF533通過鏈接描述文件（LDF）管理存儲空間。 3.2.6 Zigbee模塊 3.2.6.1簡介 zigbee概述ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。 3.2.6.2 Zigbee cc2420電路圖 圖3.17 Zigbee cc2420電路圖 3.2.6.3單片機與Zigbee通信程序 void main(void) { // If you are going to send data to a terminal, initialize the UART. ConsoleInit(); // Initialize the hardware - must be done before initializing ZigBee. HardwareInit(); // Initialize the ZigBee Stack.ZigBeeInit(); myStatusFlags.Val = STATUS_FLAGS_INIT; destinationAddress.Val = 0x796F; // Default to first RFD. } 3.2.7 系統(tǒng)軟件部分 一、教室信息管理主界面 圖3.18教室信息管理主界面 客戶端經(jīng)過Zigbee遠程傳送給終端，終端接收后經(jīng)過串口傳給計算機，計算機經(jīng)過處理、統(tǒng)計后顯示。 智能教室信息管理系統(tǒng)終端的功能有： 1、 統(tǒng)計各個教室的光照情況、溫度、人數(shù)、上課情況、多媒體使用情況、安全情況，需要時統(tǒng)計學生個人信息。 2、 根據(jù)所傳來的信息做出相應(yīng)的回應(yīng)，如控制燈亮滅的信號、發(fā)出報警信號等。 3、 將所傳來的信息通過網(wǎng)頁形式傳至網(wǎng)上供教師和學生查詢。 系統(tǒng)終端可將過程或生產(chǎn)中發(fā)生的事件清楚地記錄、顯示出來，完成參數(shù)設(shè)定、操作控制和動態(tài)畫面監(jiān)視的功能。它顯示當前狀態(tài)并按順序記錄，所記錄的數(shù)據(jù)可以全部或有選擇地簡要顯示，亦可編輯、輸出?？山Y(jié)合用戶程序進行信急處理、測量值處理和報表打印。運行時，它具有很強的實時性。 具體優(yōu)勢及操作方法、界面介紹如下： 主界面顯示各個樓的布局，通過點擊進入想要查詢的樓層。界面簡潔、操作簡單。 如點擊信遠則進入如下界面： 圖3.19信遠界面 VB做出的終端界面簡潔明了、操作簡單。 該界面通過表格形式形象、完整的反映了當時教室的具體情況，使用者可以很容易找到想要的信息。如上自習的學生可以容易查到?jīng)]有上課而且人少的教室、教學樓管理人員也容易監(jiān)控各個教室教學資源的使用情況。 若教師要考查學生上課情況則可點擊學生信息欄下的“點擊進入”，界面如下圖所示，在該界面顯示了該教室所有學生的具體信息如學號、班級、姓名以及上機、下機時間。 3.20學生信息界面 二、網(wǎng)頁部分 使用Dreamweaver軟件編寫如下的網(wǎng)頁。其顯示內(nèi)容與上軟件相似，其功能為方便用戶查詢信息。首頁如下： 圖3.21系統(tǒng)網(wǎng)站首頁 其中一棟教學樓的信息網(wǎng)頁如下： 圖3.22信遠頁面 參考文獻 [1] 馮義飛，教室照明智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)合肥工業(yè)大學碩士學位論文，2007,04。 [2] 張麗，基于非接觸式IC卡的智能門禁系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，武漢理工大學，2006,04。 [3] 王海倫 葉冬芬，單片機控制的照明智能控制系統(tǒng)，電氣時代2005年第1期。 [4] 趙本虎 趙國庫，基于單片機的室內(nèi)燈光控制系統(tǒng)設(shè)計江蘇冶金，2004,10。 [5] 李林 趙國庫，基于單片機的教室燈光控制系統(tǒng)設(shè)計，機械與電子，2004,6。 [6] 周燕覃 如賢，教室燈光智能控制系統(tǒng)，西南科技大學學報，2003，05 V01．20 NO．1。 [7] 陳峰.基于Blacldin DSP的數(shù)字圖像處理[M]．北京:電子工業(yè)出版社，2009。 [8] Kinnaird,C．Equalization enhances RS-485 links．2004,2,P71. [9] Hagen，C.J.,Brouwers，G,Reducing software lift-cycle costs by developing configurable soitware,IEEE Aerospace and Electronics Conference,1994,5,P1182一1187. [10] Miehael Chau and Margrit Betke.Real Time Eye Traeking and Blink Deteetion with USB Cameras[J].Boston University Computer Seienee Technical Report,2005(15):123-129.
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 學校教室數(shù)量龐大，人工管理難度大。如上課臨時更換教室不能即時通知，上機課刷卡需要老師督，教室白天開燈浪費電能，夜晚教室安全無法保障，還有學生最關(guān)心的上自習找不到座位等。為了實時自動獲取各個教室的信息，進行統(tǒng)一管理信息發(fā)布，并及時對各種突發(fā)事件做出處理,項目小組設(shè)計開發(fā)了一種低能耗的基于 zigbee 技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教室信息管理系統(tǒng)。
科學性、先進性
- 本項目結(jié)合實際需求，將現(xiàn)代通信技術(shù)、信息處理技術(shù)、控制 技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)對教室的有效管理。既能節(jié)省電 能，又可以通過實時發(fā)布的教室信息讓同學們合理有效利用學習資 源。與已有的技術(shù)相比，該系統(tǒng)建立的信息采集模型，功能比較齊 全，具有友好的操作性和很好的擴展性，方便進一步開發(fā)和完善 系統(tǒng)采用 zigbee 網(wǎng)絡(luò)作為主通信方式，相比于 WIFI、藍牙網(wǎng) 絡(luò)，有明顯的價格優(yōu)勢、更低的功耗和相當?shù)目煽啃?。Zigbee 網(wǎng) 絡(luò)安裝容易，省去了布線的麻煩。 采集數(shù)據(jù)種類多，實時性好。 監(jiān)測設(shè)備可根據(jù)需要隨時連接至其他聯(lián)網(wǎng)計算機，方便夜晚 人狀態(tài)教室監(jiān)控需求。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 暫無技術(shù)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 現(xiàn)場演示 圖片 ?錄像 ?樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 市場分析和經(jīng)濟效益預(yù)測： 基于我國學校等基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量龐大的因素，因此該產(chǎn)品有很廣闊的市場前景，若積極推廣，必定產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益。 使用說明： 學生上自習前可以登錄網(wǎng)站查詢自習室的座位情況。在教室夜晚無人時，可遠程對教室進行安全監(jiān)控。 技術(shù)特點和優(yōu)勢： (1)利用zigbee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)快，可靠性高。(2)通過Internet發(fā)布信息，既方便查閱又有很高時效性。(3)教室管理進一步智能化、信息化，安全性進一步增強。 適應(yīng)范圍： (1)學校教學樓普遍適用。(2)系統(tǒng)經(jīng)過微調(diào)，也可用于辦公樓，寫字間及醫(yī)院病房的統(tǒng)一管理監(jiān)控。 推廣前景： 該系統(tǒng)十分符合現(xiàn)代低能耗低成本高安全性的理念，將會贏得市場與消費者的肯定。
同類課題研究水平概述
- 隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，國家在教學方面投入了大量資金，陸續(xù)建成了一 大批配備有先進教學設(shè)施、環(huán)境的中學和各類學校，各大專院校也對教學設(shè)備和 教學環(huán)境建設(shè)進行了大力度的投入，為提高教學水平和教學效率創(chuàng)造了良好的條 件，但隨之而來的是如何管理和如何充分利用這些資源，充分發(fā)揮它應(yīng)有的功能。 但目前國內(nèi)類似的管理系統(tǒng)真正投入使用的并不多見。 近幾年，國內(nèi)很多大?？圃盒６冀⒘诵滦^(qū)，從而大力投入建設(shè)先進的教 學設(shè)備和教學環(huán)境等硬件設(shè)施。但其正在使用的管理系統(tǒng)幾乎都只涉及成績查詢， 網(wǎng)上選課，圖書館管理等軟件系統(tǒng)。對于教室和其他教學設(shè)施甚至實驗室的管理 很多都停留在傳統(tǒng)的管理階段。雖然幾乎所有的學校都采用一卡通，但幾乎沒有 學校真正的實現(xiàn)“一卡通”。最近，網(wǎng)上出現(xiàn)了很多關(guān)于學校管理的論文，但其只 能適用于某一方面，而且都沒有進入試用階段。 現(xiàn)在有些國內(nèi)公司也做了一些各種管理的系統(tǒng)，但大部分都是軟件系統(tǒng)，與 硬件結(jié)合的系統(tǒng)少之又少。廣州廣嵌電子科技有限公司提出了一種智能實驗室管 理系統(tǒng)的解決方案，軟件和硬件結(jié)合，功能也比較完善。但其只能適用于實驗室， 成本特別高，而且并沒有開發(fā)?，F(xiàn)在已存在的系統(tǒng)有北京同立在線系統(tǒng)集成有限 責任公司開發(fā)了高校實驗室設(shè)備管理系統(tǒng)，其也是針對實驗室，可實現(xiàn)儀器設(shè)備 的授權(quán)使用、運行機時統(tǒng)計、儀器工況在線顯示、使用日志管理、收費管理。但 其使用 GSM 無線傳輸，依賴無線網(wǎng)絡(luò)，而且硬件成本也高。 國外類似系統(tǒng)卻發(fā)展相當成熟，尤其是實驗室管理系統(tǒng)。從全球范圍的使用 情況來看，目前 LIMS 在歐美日本澳洲的發(fā)達國家實驗室廣泛應(yīng)用，安裝 LIMS 的 國外實驗室已經(jīng)上萬家，專門經(jīng)營 LIMS 產(chǎn)品的國外專業(yè)公司也有幾十家，業(yè)績最 突出的公司到現(xiàn)在為止已經(jīng)有千余個應(yīng)用案例。但因為知識產(chǎn)權(quán)和產(chǎn)品性價比的 問題，暫時難以在國內(nèi)使用。 因此由于本系統(tǒng)低成本，適用范圍廣，智能化的特點在國內(nèi)外產(chǎn)品中均具有 創(chuàng)新和競爭力。
