基于單片機技術(shù)的校園內(nèi)智慧教室系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)摘要將現(xiàn)實經(jīng)歷與相關(guān)調(diào)查研究結(jié)合可知，目前校園內(nèi)的教室智能化進展腳步較為緩慢。例如，教室燈光過度依賴管理人員手動管理，學(xué)生考勤大多依賴?yán)蠋熑斯c名的手段，學(xué)生的自律性較差，需要老師監(jiān)督自習(xí)課的紀(jì)律，所耗的人工成本、時間成本較高，另外，空氣濕度和溫度對人體健康和自身狀態(tài)有很大的影響，學(xué)生在教室內(nèi)的停留時間高達一天中的1/3以上，為了給學(xué)生提供一個更為良好健康的學(xué)習(xí)環(huán)境，有必要對教室的濕度和溫度進行及時的監(jiān)督和控制。同時，隨著教育和經(jīng)濟的發(fā)展，教室物品安全也需要被愈加關(guān)注和重視。本設(shè)計綜合應(yīng)用藍牙通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、RFID技術(shù)設(shè)計了基于單片機技術(shù)的校園內(nèi)智慧教室系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，實現(xiàn)教室的智能化管理，營造避免能源浪費、減輕老師負(fù)擔(dān)、適宜學(xué)生學(xué)習(xí)的氛圍。該系統(tǒng)分為硬件、數(shù)據(jù)監(jiān)測和藍牙通信三大部分，通過RFID模塊實現(xiàn)智能化考勤，并反映相關(guān)數(shù)據(jù)，通過HC-05藍牙模塊在手機和單片機之間建立實時通信，通過噪音檢測模塊實現(xiàn)自習(xí)監(jiān)督功能等。關(guān)鍵字：藍牙智能燈光智能打卡智能自習(xí)目錄TOC\o"1-3"\h\u16449摘要 I152631緒論 1108801.1選題背景 14141.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1211051.3研究意義 1228221.4開發(fā)目標(biāo) 298352系統(tǒng)需求分析 3295982.1功能需求分析 385592.2可行性分析 4313452.2.1社會可行性 581892.2.2技術(shù)可行性 5219762.2.3操作可行性 5225853系統(tǒng)設(shè)計 6243013.1系統(tǒng)整體設(shè)計 6297523.1.1系統(tǒng)功能概述 6325903.1.2系統(tǒng)整體架構(gòu) 6265173.1.3開發(fā)工具 648253.2系統(tǒng)硬件設(shè)計 688893.2.1硬件使用清單 6174783.2.2硬件開發(fā)環(huán)境 765363.2.3各模塊的詳細(xì)介紹 73.3系統(tǒng)軟件設(shè)計80 12282454系統(tǒng)實現(xiàn) 13310045系統(tǒng)測試 17309597總結(jié)與展望 18319827.1功能總結(jié) 18314217.2系統(tǒng)特點 19264657.3展望 191緒論1.1選題背景借助通信手段，將人、物、傳感器、控制器等連接起來，達到網(wǎng)絡(luò)化、智能化效果，我們將稱它為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，它是如今的科技信息化發(fā)展進程中的新型產(chǎn)物，使我們的生活更加安全、便捷、舒適和智能。[參考文獻[1]郝麗萍.物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下信息安全問題的研究[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與參考文獻[1]郝麗萍.物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下信息安全問題的研究[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用,2021(04):4-5.但是，目前大多數(shù)的教室環(huán)境都是由桌椅、黑板以及多媒體設(shè)備組成，幾乎所有的操作都需要教室或者學(xué)生人工進行。在這樣的情況下，極易出現(xiàn)教室無人、燈光卻開啟的問題，導(dǎo)致非必要的能源浪費；教師需要挨個點名確保學(xué)生及時安全進入學(xué)校，會增加教師額外的心理負(fù)擔(dān)和身體負(fù)擔(dān)，同時也可能漏點學(xué)生的名字，無法及時解決學(xué)生安全問題；教師在備課、教學(xué)之外，還需要監(jiān)督學(xué)生安靜自習(xí)，分散教師精力和注意力；教室的溫濕度無法得到有效的監(jiān)測，可能會影響教師和學(xué)生的狀態(tài)[[2]壽喜.空氣濕度與人體健康[N].保健時報,2003-03-20(004).[3][2]壽喜.空氣濕度與人體健康[N].保健時報,2003-03-20(004).[3]閆德生.高校智能教室的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國新通信,2020,22(22):63-64.于鴻瑞,張文振,余小溪,王楠,王奕.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能教室系統(tǒng)[J].電腦編程技巧與維護2020(02):117-120.陳浩,胡兆鵬,楊雨薇,李秀靜.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能教室實現(xiàn)方案[J].信息與電腦(理論版),2020,32(19):182-183.李麗穎,張金花,佘勃,彭靜,張禮睿.基于STM32F103C8T6單片機的電動車智能充電樁計費系統(tǒng)設(shè)計[J].南方農(nóng)機,2020,51(19):30-31+75.唐珍珍.嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[D].哈爾濱理工大學(xué),2014[8]崔斌.基于嵌入式的家居環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].廣西工學(xué)院,2011[9]何紅,余遠波,李春報,許建梅,肖澤豪,馮騫.基于B/S架構(gòu)的智慧教室軟硬件資源管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國醫(yī)學(xué)教育技術(shù),2021,35(02):216-223.[10]閆璽峰.智能教室考勤系統(tǒng)設(shè)計與技術(shù)分析[J].數(shù)碼世界,2019(06):124.[11]朱寧.基于RFID技術(shù)的智慧圖書館應(yīng)用——以中國人民大學(xué)蘇州校區(qū)圖書館為例[J].江蘇科技信息,2020,37(30):13-15.陳淑芳.紅外傳感器在智能教室照明控制中的應(yīng)用[J].光源與照明,2020(11):47-49.[12]張偉楠,孔維賓.基于STC89C52單片機智能教室燈光控制系統(tǒng)設(shè)計[J].長江信息通信2021,34(01):信147-149.[13]何青,馬珂,黃艷麗.基于服務(wù)設(shè)計理念的智慧教室智能燈控系統(tǒng)設(shè)計研究[J].中外建筑，2021(03):141-145.[14]姚靜,李璋,陳廣.基于Proteus和Keil的單片機實驗教學(xué)探究[J].信息通信,2019(09):250-252.[15]張蒙恩,郭萌萌.基于物聯(lián)網(wǎng)的計算機網(wǎng)絡(luò)安全分析[J].電腦知識與技術(shù),2021,17(07):34-35.隨著我們專業(yè)知識的不斷積累，尤其是在學(xué)習(xí)了單片機和傳感器之后，我認(rèn)為可以運用所掌握的知識，動手設(shè)計、制作一個由單片機控制的智慧教室，讓我們的教室變得“智慧”。通過智能化控制系統(tǒng)實現(xiàn)在無人監(jiān)管的情況下達到節(jié)能、高效地利用教室有限資源的目標(biāo)，達到智能照明、自動考勤、智能自習(xí)、環(huán)境溫濕度監(jiān)測、防火防盜的有益效果，方便師生在合理的范圍內(nèi)實現(xiàn)教室的最大化利用，從多方位完善教育環(huán)境。因此，有必要利用所學(xué)知識，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對教室進行改進，使之符合時代、教師和學(xué)生對教育環(huán)境—教室的要求。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前的國內(nèi)外智慧教室，多聚焦于多媒體教學(xué)以及師生互動，如利用電腦、投影儀、教學(xué)一體機等等傳播知識，或者利用一些小程序達到師生互動和測驗學(xué)生的目的。在智慧教室的研究與設(shè)計中，雖然相比以往的設(shè)備，其管理已經(jīng)有所提升，對教學(xué)有極大的幫助，能夠提高學(xué)習(xí)效率、維持良好的學(xué)習(xí)氛圍，但是沒有關(guān)注教師和學(xué)生的日常問題，例如教室燈光在無人的環(huán)境下開啟，造成不必要的能源浪費；通過教師點名對學(xué)生進行考勤、通過教師的監(jiān)督實現(xiàn)安靜自習(xí)，增加了教師的負(fù)擔(dān)，同時也會出現(xiàn)沒有及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生未到達教室等問題；沒有足夠重視教室濕度的實時監(jiān)測，以此來營造適宜的教室環(huán)境等等。部分智慧教室的研究涉及到了相關(guān)燈光控制或?qū)嵉饺藬?shù)統(tǒng)計、環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測等，但是研究聚焦點單一，例如只關(guān)注燈光的開啟和關(guān)閉或者實到人數(shù)的統(tǒng)計，并未綜合考慮到教室燈光、學(xué)生考勤管理、自習(xí)管理、環(huán)境溫濕度實時監(jiān)測以及教室安全等方面。在這種情況下，教室的各項管理十分依賴?yán)蠋煟芾韺嶋H達到的效果與老師本人能力和品質(zhì)密切相關(guān)，沒有利用現(xiàn)有技術(shù)在最大程度上確保學(xué)生的人身安全、減輕教師的負(fù)擔(dān)等。1.3研究意義教室是學(xué)校最為重要的有機結(jié)構(gòu)，是老師傳道授業(yè)、學(xué)生學(xué)習(xí)知識的主要場所，白天學(xué)生們在教室跟隨老師汲取各方面的知識，晚上學(xué)生們在教室溫習(xí)白天學(xué)習(xí)的內(nèi)容、完成布置的作業(yè)、預(yù)習(xí)下次課程的內(nèi)容。因此，教室對教師、學(xué)生的影響不可忽視，需要及時改變教室環(huán)境，滿足教師、學(xué)生對其的需求。可是，無論是小學(xué)還是大學(xué)，我們的教室可以說是一成不變的。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，教育環(huán)境也應(yīng)該跟上經(jīng)濟的腳步，尤其，我國是人口大國，以教育為立國之本，對教育的重視程度極高，那么，有必要營造適宜的教室環(huán)境，減少教師個人對班集體的額外影響，讓學(xué)生擁有更安全的成長環(huán)境、更良好的心理素質(zhì)和更高的學(xué)習(xí)效率。本設(shè)計主要從智能燈光、智能考勤、智能自習(xí)、環(huán)境監(jiān)測等方面出發(fā)，通過單片機技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與處理、藍牙通信技術(shù)實現(xiàn)教室的智能一體化的系統(tǒng)設(shè)計，滿足教師、學(xué)生對教室的需求。本設(shè)計計劃解決現(xiàn)實學(xué)習(xí)生活中老師及教室管理人員對教室智能化管理的需求，通過智能化控制系統(tǒng)實現(xiàn)教室智慧化的目標(biāo)。本設(shè)計如果能推廣至全國的中小學(xué)、大學(xué)教室實現(xiàn)智能化管理是非常有現(xiàn)實意義的。本設(shè)計所能達到的有益效果是減少能源浪費、及時關(guān)注學(xué)生人身安全、減輕教師負(fù)擔(dān)、提高學(xué)生自律能力、營造適宜的學(xué)習(xí)環(huán)境、保護教室安全。1.4開發(fā)目標(biāo)本項目所述的校園內(nèi)智慧教室系統(tǒng)以stm32單片機為核心，通過單片機技術(shù)、傳感器技術(shù)和藍牙技術(shù)的相互配合實現(xiàn)智能控制，達到無人自動關(guān)燈、智能化考勤、智能化自習(xí)、實時環(huán)境監(jiān)測、教室安全監(jiān)測的有益效果。該系統(tǒng)除了具有基本的防火防盜功能外，還利用紅外傳感器實現(xiàn)在無人的情況下自動關(guān)燈；利用RFID技術(shù)、藍牙通信技術(shù)、IC卡實現(xiàn)對學(xué)生信息的管理，進行智能化考勤，并統(tǒng)計學(xué)生考勤信息，教師能夠及時得知學(xué)生考勤情況并做出及時的應(yīng)對；通過聲音傳感器和蜂鳴器監(jiān)督學(xué)生自習(xí)，提高學(xué)生自律能力，減輕教師負(fù)擔(dān)；通過溫濕度傳感器監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境，對教室的溫濕度進行實時監(jiān)測，并及時提醒控制濕度，給老師和學(xué)生帶來更為舒適安全的學(xué)習(xí)環(huán)境。硬件模塊除了單片機、傳感器模塊、藍牙模塊，還有顯示屏。傳感器將所檢測到的實時信息上傳到顯示屏，顯示屏顯示當(dāng)前的時間、溫度、濕度、煙霧濃度值等。該控制系統(tǒng)在檢測到教室內(nèi)在一段時間內(nèi)無人之后，關(guān)閉正在開啟的燈光，減少能源浪費；該控制系統(tǒng)利用RFID讀寫器和藍牙調(diào)試器來刪除、添加、識別學(xué)生身份，在打卡時間內(nèi)，將已錄入的IC卡放置到RFID讀寫器，實現(xiàn)智能化打卡，并通過藍牙技術(shù)統(tǒng)計學(xué)生考勤信息，及時獲知學(xué)生是否到達教室；該控制系統(tǒng)可以實時地檢測室內(nèi)的煙霧濃度時，當(dāng)煙霧濃度達到管理人員所設(shè)的閾值時，開啟蜂鳴器，進行警示;該控制系統(tǒng)可以靈活選擇防盜時間，未在防盜時間內(nèi)不開啟防盜功能，當(dāng)在防盜時間內(nèi)檢測到人體信息時，開啟蜂鳴器，進行警示；該控制系統(tǒng)通過設(shè)置自習(xí)時間，監(jiān)督學(xué)生在自習(xí)時間內(nèi)保持安靜，當(dāng)教室內(nèi)的聲音超過所設(shè)閾值，蜂鳴器進行警示；該控制系統(tǒng)實時監(jiān)測自習(xí)教室內(nèi)溫濕度，并顯示在顯示屏上，當(dāng)管理人員根據(jù)信息對教室進行管理，并且設(shè)置閾值，及時提醒進行濕度的控制；其中，有3個按鈕負(fù)責(zé)設(shè)置、打卡、調(diào)整閾值等模式的切換。利用藍牙調(diào)試器對該系統(tǒng)進行操控，控制操作人員的權(quán)限，避免無關(guān)人員對系統(tǒng)進行調(diào)整，造成一定的損害。具體的，老師或者管理人員需要在藍牙調(diào)試器中輸入密碼才可以進入設(shè)置界面，對相關(guān)閾值和相關(guān)密碼進行調(diào)整；同時與RFID傳感器配合，進行添加學(xué)生、刪除學(xué)生、統(tǒng)計學(xué)生打卡的信息，方便教師及時獲取學(xué)生考勤信息，保護學(xué)生的安全。如果沒有密碼，則不能進入設(shè)置界面和打卡模式。2系統(tǒng)需求分析2.1功能需求分析教室是教育的土壤，孕育無數(shù)學(xué)生。在上學(xué)的日子里，學(xué)生需要獨自或者結(jié)伴去往學(xué)校，從家里或者輔導(dǎo)班到達教室有一定的距離沒有家長和老師的陪伴，因此，需要及時做好學(xué)生的考勤，力求更大限度地保障學(xué)生的人身安全；另外，每個學(xué)生每天待在教室的時間至少有6個小時，而空間的濕度在一定程度上影響教師、學(xué)生的狀態(tài)，教室的環(huán)境對學(xué)生的心理健康和身體健康有一定的影響；部分學(xué)生自律性較差，在自習(xí)課上會喧嘩、吵鬧，影響整體學(xué)習(xí)紀(jì)律；同時，也存在所有人離開教室以后，燈仍然處于開啟狀態(tài)的浪費現(xiàn)象。通過現(xiàn)實的體驗和研究的檢索分析發(fā)現(xiàn)，教師和學(xué)生需要更人性化、更智能化、更方便的軟硬件來輔助每日的工作和學(xué)習(xí)，實現(xiàn)安全、節(jié)能、舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境。為此，本設(shè)計具有以下幾項功能：無人自動關(guān)燈功能：當(dāng)燈光已開啟，教室無人的時間超過管理人員設(shè)定的時間時，則自動關(guān)閉燈光，避免不必要的能耗浪費，達到節(jié)能的效果；智能化考勤功能：每位學(xué)生有對應(yīng)的IC卡，當(dāng)進入考勤時間段時，學(xué)生將自身IC卡放置在RFID讀寫器上，實現(xiàn)打卡，打卡結(jié)束后，藍牙調(diào)試器顯示學(xué)生打卡信息，包括已打卡學(xué)生和未打卡學(xué)生，其中，學(xué)生打卡已打卡信息包括其學(xué)號、姓名和打卡時間，方便教師獲取學(xué)生出勤情況，及時掌握學(xué)生動態(tài)；智能化自習(xí)功能：預(yù)先設(shè)置自習(xí)時間段，當(dāng)處于自習(xí)時間段時，教室內(nèi)聲音較大時，提醒學(xué)生保持安靜，維持良好的自習(xí)氛圍；環(huán)境監(jiān)測功能：實時監(jiān)測教室內(nèi)的溫濕度，當(dāng)濕度不適宜時，及時進行警示，提醒相關(guān)人員采取措施，保證教室擁有適宜的濕度，打造舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境；防火防盜功能：煙霧濃度較大時，可能發(fā)生火災(zāi)，此時發(fā)出警示，此外，設(shè)置非法闖入監(jiān)測時間段，即防盜時間段，當(dāng)系統(tǒng)處于防盜時間段內(nèi)，有人闖入就發(fā)出警示，保護教室物品安全。此外，該系統(tǒng)是從教室管理的角度進行設(shè)計的，擁有管理人員（包括教師）和學(xué)生兩類用戶，其中，管理人員包括教師的部分或者全部權(quán)限和責(zé)任。以下是對管理人員和學(xué)生兩類用戶進行的需求分析：管理人員的需求分析智慧教室系統(tǒng)中的管理人員的職責(zé)是設(shè)置各類參數(shù)，例如進行各個閾值的設(shè)置、時間段的設(shè)置、刪除或添加學(xué)生在考勤系統(tǒng)里的信息、控制考勤的開始與結(jié)束、獲取考勤信息等。管理人員的登錄系統(tǒng)時的需求分析用例圖如圖2-1所示。管理人員的整體需求分析用例圖如圖2-2所示，所述按鍵3為本設(shè)計的第三個按鍵。圖2-1管理人員登陸系統(tǒng)時的需求分析用例圖圖2-2管理人員的整體需求分析用例圖學(xué)生的需求分析學(xué)生通過該系統(tǒng)進行打卡，實現(xiàn)考勤，其需求是將對應(yīng)的IC卡放置到RFID讀寫器上，RFID讀寫器感應(yīng)IC卡信息，將信息上傳到藍牙調(diào)試器上，藍牙調(diào)試器統(tǒng)計打卡信息。學(xué)生的需求分析如圖2-3所示。圖2-3學(xué)生的需求分析用例圖2.2可行性分析本設(shè)計的可行性分析從基于單片機技術(shù)的校園內(nèi)智慧教室系統(tǒng)的社會可行性、技術(shù)可行性、操作可行性三個角度出發(fā)。社會可行性分析以該系統(tǒng)所處的目標(biāo)社會環(huán)境為落腳點，描述本設(shè)計具有社會可行性的相關(guān)原因；技術(shù)可行性分析以該系統(tǒng)所采用的現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展情況為落腳點，描述本設(shè)計具有社會可行性的相關(guān)原因；操作可行性以相關(guān)用戶對于該系統(tǒng)的模擬操作來確定該系統(tǒng)各個功能的設(shè)置、配合是否具有合理性為落腳點，描述本設(shè)計具有操作可行性的相關(guān)原因。2.2.1社會可行性隨著科技和國力的發(fā)展，社會也越來越重視教育環(huán)境和生態(tài)環(huán)境。身處這樣的環(huán)境，學(xué)校竭力提升本校的學(xué)習(xí)氛圍，改善學(xué)習(xí)環(huán)境，同時也積極響應(yīng)生態(tài)措施；教師希望專注于教學(xué)，提升教學(xué)質(zhì)量，減少其他事情對教學(xué)的影響；家長希望孩子有機會獲得、接受高質(zhì)量的教學(xué)，同時也希望孩子在舒適安全的智能化環(huán)境中進行高效率的學(xué)習(xí)；學(xué)生希望考勤更加便捷，不必花費時間關(guān)注教師點名。教室作為提供教育的場所，是不可忽視的客觀存在。本設(shè)計提供了一種基于單片機技術(shù)的校園內(nèi)智慧教室系統(tǒng)，在一定程度上滿足了學(xué)校、教師、家長、學(xué)生對于教育環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的需求，相當(dāng)于滿足了社會的需求，并且該系統(tǒng)可以應(yīng)用在各所學(xué)校。因此，本設(shè)計具有社會可行性。2.2.2技術(shù)可行性本設(shè)計采用的技術(shù)均為較成熟的現(xiàn)有技術(shù)，確保設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)，以STM32F103C8T6單片機為核心，實現(xiàn)與各個傳感器模塊的連接；本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境為keil-uvision5，集源程序和程序調(diào)試于一體，采用C++語言進行開發(fā)，確保系統(tǒng)開發(fā)、調(diào)試的正常進行；藍牙為HC-05模塊，有足夠的資料供學(xué)習(xí)與參考；藍牙調(diào)試器軟件功能強大，幫助用戶實現(xiàn)無線控制、參數(shù)（如密碼）調(diào)整和數(shù)據(jù)反饋的功能；學(xué)生利用IC卡進行打卡，IC卡采用射頻技術(shù)進行通訊，本人在本科期間學(xué)習(xí)過RFID（射頻技術(shù)）相關(guān)課程。因此，本設(shè)計從技術(shù)上來說是可行的。2.2.3操作可行性該系統(tǒng)通過三個按鍵與藍牙調(diào)試器相互配合，實現(xiàn)各個模式的切換，操作方便，簡單易行。按第一個按鍵，進入設(shè)置模式，按第2個按鍵，進入打卡模式，按第三個按鍵，進入自習(xí)模式，同時在設(shè)置模式下，按第一個按鍵為“變換位置”，按第二個按鍵為“加”，按第三個按鍵為“減”，操作簡便；藍牙調(diào)試器所占手機空間少，界面簡潔人性化，易上手，適合管理人員使用；學(xué)生僅需在考勤模式下，將IC卡放置到RFID讀寫器上，即可完成打卡，信息直接上傳到藍牙調(diào)試器。因此操作上是可行的。3系統(tǒng)設(shè)計3.1系統(tǒng)整體設(shè)計3.1.1系統(tǒng)功能概述本系統(tǒng)以STM32F103C8T6單片機為核心，綜合利用各類傳感器、RFID讀寫器以及IC卡，實現(xiàn)智慧教室所具備的功能。其設(shè)計目的是提供一個更加安全、節(jié)能、舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境，減輕教師的負(fù)擔(dān)，方便管理學(xué)生，同時使學(xué)生打卡更為簡單、便捷。該系統(tǒng)除了具有基本的防火防盜的功能，還有無人自動關(guān)燈、智能化考勤、智能化自習(xí)、環(huán)境監(jiān)測等功能。3.1.2系統(tǒng)整體架構(gòu)本系統(tǒng)的硬件部分由主控單元STM32F103C8T6單片機、顯示單元（LCD1602A）、檢測單元(HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊、RFID讀寫卡模塊、聲音傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊DHT11以及煙霧氣敏傳感器模塊MQ-2)、通信單元（HC-05藍牙通信模塊）、提醒單元（蜂鳴器）組成。藍牙調(diào)試器通過通信單元與硬件進行實時通信，實現(xiàn)遠程控制硬件各模塊，構(gòu)成一個完整的基于單片機的智慧教室系統(tǒng)。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1系統(tǒng)整體架構(gòu)3.1.3開發(fā)工具該系統(tǒng)單片機的編程采用的是Keiluvision5開發(fā)軟件，它使用C/C++語言編程進行開發(fā)，支持所有的KeilC51工具，代碼移植性好、功能完善，集成了源代碼編碼、調(diào)試、搜索以及在線模擬仿真等功能。其中，在線仿真功能是指該軟件能夠在沒有硬件的情況下，提供MCU仿真，實時、準(zhǔn)確地監(jiān)控引腳電壓以及內(nèi)部寄存器信號的變化，及時找出代碼中存在的問題，提高代碼運行的成功率，降低系統(tǒng)的開發(fā)成本。藍牙調(diào)試器的功能十分強大，能夠幫助用戶進行無線控制、參數(shù)和閾值的調(diào)整以及數(shù)據(jù)反饋，實現(xiàn)了實時的數(shù)據(jù)交互，確保了各項功能夠正常運行。3.2系統(tǒng)硬件設(shè)計3.2.1硬件使用清單硬件有單片機、傳感器、RFID讀寫器、顯示屏、藍牙通信模塊、蜂鳴器、按鍵、led燈燈，硬件使用清單及具體信息如表3-1所示。表3-SEQ表\*ARABIC1硬件使用清單模塊名稱使用個數(shù)（個）STM32F103C8T6單片機1LCD1602A顯示屏1HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊1RFID讀寫器1聲音傳感器模塊1溫濕度傳感器模塊DHT111煙霧氣敏傳感器模塊MQ-21HC-03藍牙通信模塊1蜂鳴器1按鍵3Led燈43.2.2硬件開發(fā)環(huán)境該系統(tǒng)硬件部分的開發(fā)使用了代碼移植性能非常不錯的Keiluvision5開發(fā)軟件（如圖3-2所示），通過STC-ISP燒錄軟件，將目標(biāo)程序代碼燒錄到硬件中。其中，Keiluvision5是一個可以用于多種開發(fā)板的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。該軟件十分高效，開發(fā)環(huán)境不錯，用戶頁面的窗口管理系統(tǒng)可以組織多個窗口同時進行操作，有效地利用屏幕空間，能夠完全控制窗口的任何地方，提高軟硬件的開發(fā)效率。這款軟件集成了多種組件，主要包括但不限于C代碼編譯器、C++代碼編譯器、宏匯編器以及目標(biāo)代碼到IIEX的轉(zhuǎn)換器。Keil5具備非常強大的編譯功能，其中源代碼編碼、調(diào)試、模板引用和在線模擬仿真等功能是嵌入式軟件開發(fā)必不可少的重要功能，使硬件的開發(fā)和軟件的編譯更為簡單。圖3-2Keiluvision5開發(fā)軟件3.2.3各模塊的詳細(xì)介紹該系統(tǒng)的主控采用基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103C8T6單片機，該單片機是一種具有高性能的CMOS8位單片機，能耗十分低，是開發(fā)經(jīng)常選用的主板，除此之外，該單片機還具有8K字節(jié)的可編程Flash存儲器，其實物圖如圖3-3所示。采用Protel電路圖畫圖軟件來繪制電路圖，其電路圖結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。圖3-3STM32F103C8T6單片機實物圖圖3-4STM32F103C8T6單片機電路圖結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)采用LCD1602顯示屏，第一個界面實時顯示年月日、時間、溫度、濕度、煙霧濃度，如圖3-5所示，便于用戶設(shè)置時間段和閾值使用；該系統(tǒng)的LCD1602模塊的電路圖結(jié)構(gòu)如圖3-6所示，通過按鍵控制可以切換到設(shè)置和進入打卡模式，如圖3-7所示，方便用戶設(shè)置各個功能的閾值和實現(xiàn)考勤功能。圖3-5顯示屏圖3-6LCD1602模塊的電路圖結(jié)構(gòu)圖3-7按鍵HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊（熱釋紅外模塊）是以紅外線技術(shù)為基礎(chǔ)的能夠感應(yīng)人體的模塊，靈敏度高，可靠性強，采用低電壓的工作模式，具有效能低的優(yōu)點。在該設(shè)計中，人體紅外感應(yīng)模塊應(yīng)用在多個功能實現(xiàn)中。在防盜功能中，該模塊在預(yù)設(shè)的特定時間內(nèi)工作，當(dāng)有人非法闖入時，向蜂鳴器發(fā)出即時消息，蜂鳴器在得到消息后進行警示；在無人自動關(guān)燈功能中，該模塊感應(yīng)人體，當(dāng)超過一定時間段沒有檢測到人體時，判斷燈光是否開啟，若led燈開啟，控制led燈關(guān)閉。實物圖如圖3-8所示。圖3-8人體紅外感應(yīng)模塊RFID（射頻技術(shù)）讀寫器模塊是一種應(yīng)用于13.56MHz的非接觸式的通信中的讀寫卡芯片，具有高集成度的特點,與主機間的通信采用SPI模式，有利于減少連線，避免線路故障導(dǎo)致系統(tǒng)故障的問題，并且縮小了PCB板體積，降低硬件成本，該模塊采用Philips

MFRC522原裝芯片，設(shè)計讀卡電路，使用十分方便，成本低廉，適用于開發(fā)設(shè)備、開發(fā)讀卡器等高級應(yīng)用的用戶。在本系統(tǒng)中，該模塊與IC卡配合，進行學(xué)生信息的添加、刪除，此外該模塊應(yīng)用于學(xué)生考勤，檢測到學(xué)生IC卡，在考勤結(jié)束后，通過藍牙通信模塊將學(xué)生的考勤情況上傳至藍牙調(diào)試器中。讀卡器實物圖如圖3-9所示，芯片電路圖如圖3-10所示。圖3-9讀卡器實物圖圖3-10讀卡器芯片電路圖聲音傳感器模塊（噪音檢測模塊）可以實時檢測周圍環(huán)境的聲音強度，當(dāng)外界環(huán)境的聲音強度達不到預(yù)設(shè)的閾值時，聲音傳感器模塊的D0口輸出高電平，當(dāng)外界環(huán)境的聲音強度超出預(yù)設(shè)的閾值時，模塊D0輸出低電平。因此，該模塊可以應(yīng)用于智能化自習(xí)中，當(dāng)外界聲音過大時該模塊控制蜂鳴器進行警示，監(jiān)督學(xué)生自覺自習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生自律性。其實物圖如圖3-11所示。圖3-11聲音傳感器模塊DHT11溫濕度傳感器，能夠?qū)χ車h(huán)境的溫度和濕度進行實時監(jiān)測。因為該傳感器擁有高精度、較強的抗噪能力、體積很小、通信距離較遠等典型的特點，該傳感器是測量室內(nèi)溫濕度的最優(yōu)選擇。在本文設(shè)計的系統(tǒng)中，室內(nèi)環(huán)境的溫濕度是通過該DHT11模塊進行測量的，然后將讀取到的溫濕度值顯示在LCD液晶屏幕上。若該傳感器檢測到的濕度高于預(yù)設(shè)的閾值時，控制蜂鳴器進行警示，確保室內(nèi)環(huán)境濕度適宜。DHT11溫濕度傳感器的實物圖如圖3-12所示，其電路圖結(jié)構(gòu)如圖3-13所示。圖3-12DHT11溫濕度傳感器實物圖圖3-13DHT11溫濕度傳感器電路圖結(jié)構(gòu)煙霧氣敏傳感器模塊MQ-2可以對感測材料的電阻變化進行檢測，能夠檢測多種可燃性氣體和煙霧的濃度，尤其對甲烷具有高敏感性。其實物圖如圖3-14所示。圖3-14MQ-2傳感器模塊人體紅外感應(yīng)模塊（即熱釋紅外模塊）、聲音傳感器模塊（即噪音檢測模塊）以及MQ-2傳感器模塊的電路圖結(jié)構(gòu)如圖3-15所示。圖3-15三個模塊的電路圖結(jié)構(gòu)HC-05藍牙通信模塊主要應(yīng)用在短距離的數(shù)據(jù)無線傳輸領(lǐng)域，可以和藍牙設(shè)備相連接，進行數(shù)據(jù)的上傳，減少線路的連接，避免繁瑣的線路連接導(dǎo)致可能的故障。其實物圖如圖3-16所示，電路圖如圖3-17所示。圖3-16藍牙通信模塊圖3-17藍牙通信模塊電路圖蜂鳴器的結(jié)構(gòu)非常簡單，體積很小，成本低。在本系統(tǒng)中，蜂鳴器接收對應(yīng)的多個傳感器控制信息，當(dāng)需要進行警示時，蜂鳴器就進行發(fā)聲警示。其實物圖如圖3-18所示。圖3-18蜂鳴器發(fā)光二極管led燈泡價格實惠，可應(yīng)用于實驗，代替實際所用的燈具。在本系統(tǒng)中，利用第四個按鈕進行燈泡的開關(guān)控制。圖3-19led燈泡3.3系統(tǒng)軟件設(shè)計本系統(tǒng)并未設(shè)計新的軟件，在既有的藍牙調(diào)試器的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測和管理。打開藍牙調(diào)試器，與藍牙通信模塊進行連接，連接成功后，方可進行通信。此外，點擊設(shè)置按鈕，并不能直接進入設(shè)置，需要在藍牙調(diào)試器中，輸入密碼，驗證管理人員身份，方可進入設(shè)置。4系統(tǒng)實現(xiàn)4.1用戶進入系統(tǒng)的實現(xiàn)點擊第一個按鍵，提示需要驗證身份，才能進入設(shè)置模式，如圖4-1所示。在藍牙調(diào)試器端輸入密碼，驗證成功，如圖4-2所示。圖4-1驗證身份圖4-2驗證成功4.2無人自動關(guān)燈的實現(xiàn)當(dāng)教室內(nèi)無人的時間超過預(yù)設(shè)的時間時，開啟的led燈可以自動關(guān)閉，如圖4-3所示圖4-3無人自動關(guān)燈4.3智能考勤的實現(xiàn)利用智能化措施實現(xiàn)學(xué)生考勤，并統(tǒng)計考勤數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對學(xué)生出勤的監(jiān)督，及時發(fā)現(xiàn)未出勤的學(xué)生?？记谀Ｊ饺鐖D4-4所示，考勤結(jié)束之后，對考勤數(shù)據(jù)的統(tǒng)計如圖4-5所示。同時，該系統(tǒng)可以添加和刪除學(xué)生信息。添加學(xué)生信息如圖4-6所示。圖4-4考勤模式圖4-5考勤數(shù)據(jù)的統(tǒng)計圖4-6添加學(xué)生信息4.4智能自習(xí)的實現(xiàn)按下第三個按鍵，進入自習(xí)模式，當(dāng)聲音過大時，提醒學(xué)生安靜自習(xí)，無需教師過多監(jiān)督,如圖4-6所示。圖4-6自習(xí)模式4.5溫濕度監(jiān)測的實現(xiàn)本系統(tǒng)監(jiān)測溫濕度，便于實現(xiàn)對教室環(huán)境的監(jiān)測和控制，如圖4-7所示，其中，當(dāng)濕度過低時，提醒增加濕度，濕度閾值如圖4-8所示。圖4-7溫濕度監(jiān)測圖4-8濕度閾值4.6防火防盜功能的實現(xiàn)實時監(jiān)測教室內(nèi)的煙霧濃度，煙霧濃度過高時，進行警示，煙霧濃度監(jiān)測如圖4-9所示；在預(yù)設(shè)防盜時間內(nèi)，監(jiān)測是否有人闖入教室，若有人在此期間非法闖入，進行警示，防盜時間的設(shè)置如圖4-10所示。圖4-9煙霧濃度閾值圖4-10防盜時間段設(shè)置5系統(tǒng)測試5.1測試計劃本智慧教室系統(tǒng)的測試計劃采用黑盒測試，觀察測試結(jié)果是否符合預(yù)期。以用戶的角度，對系統(tǒng)的各個功能進行測試，判斷是否適宜用戶使用。首先，測試系統(tǒng)的登錄，觀察溫濕度的監(jiān)測，接著測試系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)在超過閾值時的反應(yīng)，然后測試無人自動關(guān)燈、智能化考勤、智能自習(xí)、防盜功能。5.2測試結(jié)果5.2.1系統(tǒng)登錄測試結(jié)果，如表5-1所示。表5-1系統(tǒng)登錄測試用例表測試案例測試數(shù)據(jù)測試結(jié)果正確的密碼密碼：00000000藍牙調(diào)試器輸出OK，用戶能夠進入系統(tǒng)錯誤的密碼密碼：11111111藍牙調(diào)試器輸出密碼錯誤，用戶不能進入系統(tǒng)錯誤的密碼密碼：00000藍牙調(diào)試器輸出密碼錯誤，用戶不能進入系統(tǒng)5.2.2系統(tǒng)在超過閾值時的反映，如表5-2所示。表5-2超過閾值測試用例表測試案例測試數(shù)據(jù)測試結(jié)果環(huán)境濕度超過閾值15蜂鳴器發(fā)出警示環(huán)境濕度超過閾值17蜂鳴器發(fā)出警示煙霧濃度超過閾值3500蜂鳴器發(fā)出警示煙霧濃度超過閾值4000蜂鳴器發(fā)出警示5.2.3無人自動關(guān)燈測試結(jié)果，如表5-3所示，其中，閾值為5分鐘。表5-3無人自動關(guān)燈測試用例表測試案例測試數(shù)據(jù)測試結(jié)果開啟燈光，所有人離開離開3分鐘led燈保持開啟狀態(tài)開啟燈光，所有人離開離開6分鐘led燈關(guān)閉開啟燈光，所有人離開離開7分鐘led燈關(guān)閉5.2.4智能考勤測試結(jié)果，如表5-4所示。表5-4無人自動關(guān)燈測試用例表測試案例測試數(shù)據(jù)測試結(jié)果進入考勤模式（001號、002號學(xué)生已錄入考勤系統(tǒng)，003號學(xué)生未錄入考勤系統(tǒng)）001號學(xué)生打卡、002號學(xué)生不打卡考勤結(jié)束，調(diào)試器輸出001號學(xué)生打卡信息、002號學(xué)生未打卡進入考勤模式（001號、002號學(xué)生已錄入考勤系統(tǒng)，003號學(xué)生未錄入考勤系統(tǒng)）001號學(xué)生不打卡、002號學(xué)生打卡考勤結(jié)束，調(diào)試器輸出002號學(xué)生打卡信息、001號學(xué)生未打卡進入考勤模式（001號、002號學(xué)生已錄入考勤系統(tǒng)，003號學(xué)生未錄入考勤系統(tǒng)）003號學(xué)生打卡顯示屏顯示“Nofind”5.2.5智能自習(xí)測試結(jié)果，如表5-5所示。表5-5智能自習(xí)