CN203552305U - 高校教室感知管理装置 - Google Patents

Abstract

高校教室感知管理装置根据光检测传感器、红外感应传感器、温度传感器实时采集到的数据，经由单片机对数据进行处理，最后判断教室灯光电路和电风扇电路的开启或关闭，起到了节约资源的效果；另一方面，单片机将该教室的实时情况上传给云端服务器，云端服务器将这些数据分析处理，并给移动客户端提供查询接口，学生们可以通过移动客户端或者教室门口的显示模块了解教室的情况，同时移动客户端可以输入自己所需使用教室的时间段，并提供当前定位数据向云端服务器提出查询请求，云端服务器根据教室课程安排、客户端的定位位置和所需要使用教室的时间段，给出最佳教室推荐。本装置成本低，安装简易，操作方便，实现节约能源，合理分配教室资源的功能。

Description

高校教室感知管理装置

技术领域

本发明技术领域为微型控制系统领域，具体为教室环境自动感知，教室信息移动端显示、移动端和服务器端数据交互和控制教室电路以达到节能目标的领域。

背景技术

目前，就高校而言，普遍存在有些同学跑遍整栋教学楼都难以找到一间可供自习的教室，而另一栋教学楼的每个教室里仅有寥寥几人，在教室自习中途被告知马上有课只能被迫重寻教室，晚上有的教室没有人灯却全都开着，有时天气并不热电风扇却开着，嫌冷的同学并没有主动关电扇而是坐到远离电风扇的座位上。在高校中，大部分高校是免费供电的，从而造成了学生的节约意识薄弱，据不完全统计，每年仅此一项，我国就浪费了上亿度民用电。因为教室信息没有及时共享，而造成的教室资源分配不合理，不仅造成了能源的浪费，同时每天都要花时间找自习教室也浪费了同学们大把可用于学习的宝贵时间。

关于高校教室感知管理装置，目前也有一些研究，但是这些研究到现在都没有在高校中实施，其原因在于：

（1）没有一个统一的信息共享平台，同学们还是需要花时间找自习教室；

（2）没有将各教室连成一个网络，系统只是为单独的某个教室服务，使得学校教室资源分配不均匀，造成巨大浪费；

（3）只能提供当前空闲的教室，一个教室现在可以使用，可能过一会该教室就有课，不切实际；

（4）只是单独的检测光线或者单独的检测温度，系统没有结合教室人数来实施控制；

（5）对教室的人数统计精度不够高；

（6）现有系统价格高昂，高校教室多，一次性投资大，很多高校并不愿意为此投入过大的财力安装这种控制系统；

（7）现有产品安装难度大，需要对教室作较大的改造，而高校教室设施已经成型，做大规模的改造，工程浩大，可行性低；

发明内容

本发明的主要目的在于提供了一种高校教室感知管理装置，这种系统根据光检测传感器、红外感应传感器、温度传感器实时采集到的数据，经由单片机对数据进行处理，最后判断教室灯光电路和电风扇电路的开启或关闭，起到了节约资源的效果，在教室没人、光线足够强、温度不够高的情况下综合判断教室电路的通断，减少浪费；另一方面，单片机将该教室的实时情况上传给云端服务器，云端服务器将这些数据分析处理，结合课表安排情况、客户端的定位位置和所需要使用教室的时间段，给出当前最佳教室推荐，同时给移动客户端提供查询接口，同学们能够了解教室信息并及时找到合适的自习教室，达到教室资源合理分配的功能。

本发明的技术方案为：高校教室感知管理装置由单片机控制模块，云端服务器，移动客户端，显示模块，光检测传感器，红外感应传感器，继电器以及温度传感器组成，光检测传感器和温度传感器安装在教室的中间位置，分别对光线和温度进行实时监测，红外感应传感器安装在门框上检测人员进出以便统计教室内的人数，继电器分别与灯光电路和电风扇电路相连，单片机控制模块和显示模块安装在门口的墙壁上，便于学生查看教室信息，光检测传感器、红外感应传感器和温度传感器将采集到的数据实时传送给单片机控制模块，单片机控制模块对数据分析处理，通过继电器控制灯光电路、电风扇电路的开启或关闭，同时，单片机控制模块将教室实时环境数据上传到云端服务器，云端服务器将这些数据分析处理，并给移动客户端提供查询接口，学生们可以通过移动客户端或者教室门口的显示模块了解教室的情况，同时移动客户端可以输入自己所需使用教室的时间段，并提供当前定位数据，云端服务器根据教室课程安排、客户端的定位位置和所需要使用教室的时间段，给出最佳教室推荐。其特征在于成本低，安装简易，操作方便，实现节约能源、合理分配教室资源的功能。

单片机控制模块1中的单片机为nRF24E1单片机模块中的C51单片机内核，对光检测传感器、红外感应传感器、温度传感器信息进行处理，控制灯光电路、电风扇电路的通断，同时将教室信息通过无线通信方式传送给云端服务器进行统计分析，云端服务器综合分析数据，返回最佳教室推荐，并显示出来。

光检测传感器使用光敏电阻串联电位器。

红外感应传感器由两对红外收发管E3F-5DN1-5L组成，根据红外收发管链路的通断检测到人员的进出，根据两对红外收发管链路的通断顺序先后，可以判断人员是进或者出。

控制灯光电路与电风扇电路开启或关闭的继电器是单相固态继电器SSR-40LA。

对室温进行实时监测的温度传感器为DS18B20温度传感器。

本发明的有益效果为：

1.由于各个模块相互作用，使得各个教室连成一个网络，云端服务器对接收到的教室信息进行分析处理，统筹分配教室；

2.设计的云端服务器给移动客户端提供数据查询接口，同学可以随时随地掌握教室信息，节约时间；

3.云端服务器给出的教室推荐结合了预先输入的课表安排、客户端定位数据和所需使用教室的时间段，使用者能够就近找到一个在该时间段空闲的教室；

4.通过红外感应传感器、光检测传感器和温度传感器感知教室环境，控制教室电路通断，节约能源；

5.本系统安装方便，不需要对教室进行大规模改造；

6.本系统设计巧妙，外观简洁，不需要占用较大空间，操作简易。

附图说明

图1为高校教室感知管理装置的工作原理图。

附图标记说明：1-单片机控制模块；2-云端服务器；3-移动客户端；4-显示模块；5-光检测传感器；6-红外感应传感器；8-湿度传感器；7-继电器；9-继电器。

图2为高校教室感知管理装置的实物安装示意图。

附图标记说明：10-电灯；11-电风扇。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明的整体装置结构如附图1所示，由单片机控制模块1，云端服务器2，移动客户端3，显示模块4，光检测传感器5，红外感应传感器6，温度传感器8和继电器7、9八大模块组成。光检测传感器5、红外感应传感器6、温度传感器8将采集到的数据实时传送给单片机控制模块1，显示模块4将这些信息实时显示出来，单片机控制模块1对数据进行分析处理，通过继电器7、9控制灯光电路、电风扇电路的开启或关闭，同时单片机模块1将这些数据上传到云端服务器2，云端服务器将这些数据分析处理，结合课表安排情况、客户端的定位位置和所需要使用教室的时间段，给出当前最佳教室推荐，同时给移动客户端提供查询接口，同学们能够了解教室信息并及时找到合适的自习教室，达到教室资源合理分配的功能。

附图2是本发明装置的实物安装示意图。

高校教室感知管理装置是结合高校教室现有电路而连接成的一套完整的装置。首先将本系统的光检测传感器和温度传感器安装在教室的中间位置，红外感应传感器安装在教室的门框上，同时将继电器分别串联到灯光电路和电风扇电路的火线上，最后开启控制模块即可完成安装。

当本系统启动后，光检测传感器5、红外感应传感器6、温度传感器8对教室环境进行实时监测，并将实时数据送入单片机控制模块1，初始设置教室内人数为0，通过红外感应传感器中两对红外收发管链路的通断的先后顺序判断人员的进或出，控制模块实时更新教室内的人数，只有教室有人并且教室温度高于设定阈值时，控制模块给继电器输出一个5V电压，通过继电器开启电风扇电路，只有教室有人并且光线低于设定阈值时，控制模块才通过继电器开启灯光电路，不符合上述情况时控制模块通过继电器关闭电风扇或灯光电路，单片机控制模块将该教室的实时情况上传给云端服务器，云端服务器将这些数据分析处理，手机客户端可以上传所需使用教室的时间段和当前定位数据，云端服务器结合课表安排情况，给出当前最佳教室推荐，同时给移动客户端提供查询接口，同学们能够了解教室信息并及时找到合适的自习教室，达到教室资源合理分配的功能。

下面是本发明的具体选材方案。

由于本系统的控制相对比较简单，而且考虑到用户在实施过程中需要进行通信，我们选用nRF24E1作为单片机控制模块1，该模块具有无线通信功能，能够保证教学楼范围内数据的稳定传输。

控制灯光电路与电风扇电路开启或关闭的继电器是单相固态继电器SSR-40LA，继电器输入与输出之间采用光电耦合，通断没有可动接触部件，因此具有工作可靠、开关速度快、无噪音、寿命长、体积小、无火花、耐蚀防爆抗振等特点。

为了实现系统的简单化和降低成本，本系统采用共阴数码管显示当前教室的人数以及云端服务器推荐的当前最佳教室。数码管具有成本低廉，显示清晰和控制简单的优点，本系统使用静态显示方法，不需要BCD译码器。

温度传感器需要对温度变化反应灵敏，经济可靠，我们选择了DS18B20。DS18B20体积小、经济、灵活。可以充分发挥“一线总线”的长处。DS18B20只有3个管脚，分别是ＶＣＣ，ＧＮＤ和数据线，即支持“一线总线”接口，非常适合51单片机的控制。测量温度范围为-55℃～+125℃，在-10～+85℃范围内,精度为±0.5℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

云端服务器2推荐最佳教室时使用距离计算算法与Geohash算法相结合的算法。

距离计算算法抽象为球面两点距离的计算，即已知球面上两点的经纬度，A($radLat1,$radLng1)、B($radLat2,$radLng2)，通过余弦定理以及弧度计算方法，最终推导出来的算式A为：

$s=acos(cos($radLat1)*cos($radLat2)*cos($radLng1-$radLng2)+sin($radLat1)*sin($radLat2))*$R;

目前网上大多使用Google公开的距离计算公式，推导算式B为：

$s=2*asin(sqrt(pow(sin(($radLat1-$radLat2)/2),2)+cos($radLat1)*cos($radLat2)*pow(sin(($radLng1-$radLng2)/2),2)))*$R;

其中：$radLat1、$radLng1、$radLat2、$radLng2单位为弧度；$R为地球半径。

Geohash算法是把二位的经纬度编成一维的字符串，纬度范围(-90,90)平分成两个区间(-90,0)、(0,90)，如果目标纬度位于前一个区间，则编码为0，否则编码为1。然后再将(0,90)分成(0,45),(45,90)两个区间，并依此类推，经度也用同样的方法，然后合并经纬度编码，从高到低，先取一位经度，再取一位纬度得出编码。最后用0-9、b-z（去掉a,i,l,o）这32个字母进行base32编码。例如此时客户端的经纬度编码为wm3yr31d2524，在SQL中，LIKE‘wm3yr3%’即可查询附近的所有地点。

我们首先把各教室的经纬度编码，同时由于各楼层相应的教室经纬度相同，在编码后增加一位表示楼层。服务器在计算最佳教室时，首先从数据库中筛选出符合客户要求的可用教室，再用Geohash算法查询出附近的可用教室，最后对查询出的附近教室进行距离计算得出离使用者最近的教室，对于相同经纬度的情况楼层低的教室优先推荐。距离计算算法与Geohash算法相结合的算法避免单独使用距离计算算法时对每个教室进行测距的大量数据处理，同时精度比单独使用Geohash算法要高。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书其等效物界定。

Claims (6)

1.一种高校教室感知管理装置，其特征在于，包括单片机控制模块（1），云端服务器（2），移动客户端（3），显示模块（4），光检测传感器（5），红外感应传感器（6），继电器（7）、（9）以及温度传感器（8），光检测传感器（5）和温度传感器（8）安装在教室的中间位置，红外感应传感器（6）安装在门框上，继电器（7）、（9）分别与灯光电路和电风扇电路相连，单片机控制模块（1）和显示模块（4）安装在门口的墙壁上，光检测传感器（5）、红外感应传感器（6）和温度传感器（8）与单片机控制模块（1）相连，通过继电器（7）、（9）控制灯光电路、电风扇电路的开启或关闭，通过控制灯光和电风扇电路的通断达到节能的目标，单片机控制模块（1）与云端服务器（2）相连，云端服务器（2）与移动客户端（3）无线连接，交互数据，并提供查询服务接口，学生们可以通过移动客户端（3）或者教室门口的显示模块（4）了解教室的情况。

2.根据权利要求1所述的高校教室感知管理装置，其特征在于：单片机控制模块（1）中的单片机为51单片机中的nRF24E1单片机。

3.根据权利要求1所述的高校教室感知管理装置，其特征在于：光检测传感器（5）使用光敏电阻串联电位器。

4.根据权利要求1所述的高校教室感知管理装置，其特征在于：红外感应传感器（6）使用两对红外收发管E3F-5DN1-5L。

5.根据权利要求1所述的高校教室感知管理装置，其特征在于：控制灯光电路与电风扇电路开启或关闭的继电器（7）、（9）的是单相固态继电器SSR-40LA，继电器输入与输出之间采用光电耦合。

6.根据权利要求1所述的高校教室感知管理装置，其特征在于：对室温进行实时监测的温度传感器（8）为DS18B20温度传感器。

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