为解决高校教室管理程序繁琐、资源浪费的问题，我们提出了基于图像识别和数据云存储的高校教室管理系统的解决方案。本系统主要包括三个部分:教室人数统计，学生考勤，电气控制。本系统通过OV7725摄像头捕捉教室内图像，运用算法，经K22单片机处理，将人数统计出来，利用ESP8266上传至云端服务器，信息永久存储，且根据摄像头捕捉到的不同图像，计算人数变化，实时更新云端服务器数据。学生通过手机蓝牙和BLE 4.0对接，识别身份进行签到；教师利用RFID刷卡进行签到，同时可以开关多媒体等设备，签到信息将上传至云端服务器。老师和学生可以通过电脑、手机等客户端访问云端服务器，查看签到情况、教室人数等信息。同时，利用光敏、温度等传感器，根据教室内明暗程度、温度以及人数变化和分布情况，由单片机控制电灯的亮度和风扇的转速。本系统能避免学生找自习室和课堂老师点名的麻烦，大大提高了学习效率，同时解决了高校教室电能浪费严重的问题，实现了高校教室管理的智能化、节能化、信息化、人性化。
主要考虑到高校教室资源不足，学生找自习室困难,课堂管理程序繁琐，资源浪费严重等问题，我们提出了基于图像识别和数据云存储的高校教室管理系统的解决方案。因此，本系统主要采取信息化管理，智能化管理，尽可能方便学生，减少教师管理的工作量并节约资源。 为解决高校教室资源不足，学生找自习室困难的问题，提出了教室信息网络公开化的解决方案。利用摄像头采集教室信息，经单片机处理，上传至云端服务器，并及时更新数据，学生通过客户进行访问。这样学生就能通过最随身的手机和电脑就能及时了解教教室信息，省时省力。 为解决课堂管理程序繁琐的问题，我们提出了自动化，智能化师生考勤的解决方案。利用手机蓝牙和BLE 4.0对接，与数据库进行匹配，识别身份进行签到；教师利用RFID刷卡进行签到，同时可以开关多媒体等设备，签到信息将上传至云端服务器。老师可以通过电脑、手机等客户端访问云端服务器，查看签到情况。这样通过自动化签到代替了人工点名，大大节约了教师和学生的上课时间，教师的教学效率和学生的学习效率得到了大幅度提高。 为解决高校浪费资源严重的问题，我们提出了智能化、人性化节电的解决方案。利用温度、光敏传感器感知教室环境，结合摄像头识别的人数变化和分布情况，通过单片机控制电灯亮度和风扇转速等。这样通过智能控制电器代替人工控制，随时感知教室环境，并做出相应变化，提高了控制的灵活性，大大节约了资源
(1)核心单片机的论证与选择 单片机是系统的核心控制模块，主要进行数据的处理，所以单片机的选择至关重要。单片机不仅要能够保证系统的正常运行，还要有较高的性能。参考方案如下： 方案一：IAP15F2K61S2。8位CPU，处理速度相对较慢，此单片机内置8路10位AD转换，价格较低，并具有较低的功耗。 方案二：STM32F103。32位CPU，存储量大，ARM的ROM和RAM远远大于51单片机，2个12位的us级的A/D转换器[1]（16通道），双采样和保持能力，性能颇高，但是价格相对较高，功耗偏高。 方案三：MK22FN1M0VLL12。32位CPU，单片机运算速度快，其AD采集的数据稳定并且准确。此款单片机的功耗较低：电源管理控制具有内部电压调节器；在检测到低电压时能够进行有效的上电复位；低电压检测保护等特性，价格适中。 综合以上三种方案，决定采用IAP15F2K61S2和MK22FN1M0VLL12两种单片机对不同的模块进行控制。 (2)人数采集方式的论证与选择 人数采集方式的选择至关重要，以符合目的为标准进行选择。选择方案如下： 方案一：红外对管模块。红外对管模块对环境光线适应能力强，可通过电位器旋钮调节检测距离，有效距离范围 2～30cm，工作电压为3.3V-5V。该传感器的探测距离可以通过电位器调节、具有干扰小、便于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于流水线计数等众多场合。 方案二：OV7725摄像头[5]。功耗低，5V低压供电，80mA电流；应用面广，不论是高速的STM32,K60还是低速的51，MSP430，AVR 均可以采集图像；可配置，可通过IO 随意配置摄像头寄存器；硬件连接简单，MCU 可以与摄像头直接连接，无需信号分离和AD 转化，非常方便；成像质量好，模拟摄像头成像较好，便于进行图像处理分析。 综合以上两种方案，红外对管在人员众多且有遮挡现象的教室中不能做到准确计数，所以选用功能强大的OV7725摄像头。 (3)数据传输方式的论证与选择 数据传输是本作品的重要组成部分。传输方式选择方案如下： 方案一：NRF2401。NRF2401是单片射频收发芯片，工作在2.4～2.5GHz ISM频段[3]，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，多种低功率工作模式。其DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。NRF2401适用于多种无线通信的场合。 方案二：Wi-Fi模块。Wi-Fi模块不仅具有数据传输功能，还能够与网络进行连接，能够将数据直接发送到指定位置。在此基础上，Wi-Fi模块的功耗也比较低，适合用于低功耗设备中。 方案三：BLE 4.0模块。BLE 4.0模块具有极低的功耗，价格也非常低，2.4GHz的频段全球开放，而且主流手机都配有蓝牙模块，和系统的设计思路较吻合。 方案四：ZigBee模块。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议[4]，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率，可以嵌入各种设备，并且支持无限扩展。 综合以上四种方案，Wi-Fi数据传输更加稳定，BLE 4.0适合本系统的设计思路，更加适合在实际生活中应用，故选Wi-Fi模块、BLE 4.0模块和ZigBee模块。 (4)显示模块的论证与选择 在系统中，需要及时的将采集到教室的人数实时显示出来。所以在选择显示模块时，应以功耗高低为标准进行考量。参考方案如下： 方案一：LCD液晶。LCD液晶显示需要背景光，显示数据清晰，能够显示数字、字母、汉字等多种符号，具有彩屏功能，但是功耗较大，故排除此方案。 方案二：OLED液晶。OLED不需要背景光，可视度和亮度均高，其次是电压需求低且省电效率高，与此同时，反应速度快，重量轻、厚度薄、构造简单、成本低等优点，并且操作相对比较简单，功耗低，符合现实的需要。 方案三：1602液晶。1602液晶虽然功耗低，但受光线影响较大，在无光的情况下，很难识别液晶显示的数据，并且本实验中要求显示的数据较多，1602液晶不能显示汉字，只能显示简单符号，故排除此方案。 综合以上三种方案，OLED液晶最符合所选题目要求，故选择OLED液晶。 【1】教室人数识别装置主要由五个部分组成：摄像头采集教室图像；单片机图像处理，数据处理；无线模块发送数据；数据上传到云端；PC端，手机端通过访问网页查看教室人数。该装置的主要功能是通过摄像头采集图像，单片机通过摄像头采集到的图像，运用算法，进行图像处理和数据处理，计算教室人数、占座率，通过无线模块发送数据到云端服务器，并将教学管理系统的课表、成绩等数据也上传至云端服务器，云端服务器进行数据保存并实时进行数据更新。学生可以通过PC端或手机端查看教室人数。这样不仅可以对教室进行监控，还可以让学生及时了解教室人数，避免了到处找空闲教室的麻烦。 【2】BLE4.0 蓝牙考勤装置智能考勤装置的主要应用极低功耗的BLE 4.0模块，其和学生的手机蓝牙配对连接，当搜索到手机的广告数据时，模块将发送搜索请求给手机，手机返回扫描响应给该模块。配对之后，将配对信息记录下来，在本系统中，将设备地址即机器编码存储下来并上传至云端。之后将采集到的数据和数据库的数据和摄像头处理的结果进行比对，上后，将最终结果显示在屏幕上，并且上传至网页显示。以此来降低误差率，反应真实的教室人数。服务器端将传回的画面实时写入磁盘存储，以便数据移作他用 【3】教室节能装置由STC89C51芯片作为主控芯片，芯片内部集成了串口，本装置使用ZigBee将摄像头计算的结果传送来的结果直接应用于控制，ZigBee模块具有极低功耗低速率远距离无线通信和自动组网的特点。如果教室有人并且教室的温度达到设定的阈值，则打开相应区域的风扇；如果教室有人并且教室的亮度达到设定阈值，则打开教室内相应区域的灯。以这种分区域开关灯和风扇的方式，能够大幅度节约用电，具有非常灵活的特点。 【4】多媒体设备考勤装置 本装置如上图所示，由STC89C51RC主控芯片、RFID刷卡模块、语音模块、Wi-Fi模块组成。当教师用正确的校园卡刷卡的时候，语音提示“老师您好，上课愉快”，打开多媒体设备，同时将教师的信息传至云端。同时完成多媒体设备的管理和教师身份的确认以及考勤，省去了教师忘拿钥匙的麻烦，节约上课时间。如果所刷的卡不是系统登记的校园卡，则语音提示“您的校园卡不正确，请核实后再刷卡”，多媒体设备不作反应。避免了非工作人员打开多媒体设备，免去了许多不必要的维护工作。 2、关键技术 (1)摄像头图像处理技术 摄像头图像处理[2]采用了基于人头检测的人数统计方法和基于Haar特征的AdaBoost分类器检测的方法，识别误差小，可靠性强 (2)云端数据存储技术 通过Wi-Fi模块将数据传输到服务器，并且网页可以访问服务器的数据，服务器需要账号和密码进行登录，并且数据可以永久保存下来。 (3)网页数据发布技术 服务器存储的数据通过网页发布出来，访问不需要密码，在PC端和手持端都能随时，方便快捷。 (4)智能节电技术 本装置由光敏元件和温度传感器采集教室的光强度和温度数据，通过核心单片机自动分区域控制室内灯的亮度和风扇的转速。 (5) BLE4.0蓝牙识别技术 本装置由5V供电模块，BLE4.0 模块和单片机组成，通过BLE 4.0模块和手机蓝牙匹配，记录反馈回来的设备地址，以分析比较确定学生身份信息，达到考勤的目的。 本作品具有操作简单、使用方便、低功耗以及运行中稳定、可靠的特点，可实现学生快速查找教室，老师刷卡签到，学生智能考勤、电气节能控制等功能，给师生的工作和学习带来了极大的方便。因此，该系统适用于各大高校的教室、图书馆，各大公司的对外服务部大厅、职员办公室等场所。
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发表于 2019-7-27 23:01:48
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