戴舒詣，景素婷，夏佳樂，楊越，瞿志成
（蘇州大學(xué) 物理與光電·能源學(xué)部，江蘇 蘇州 215000）
摘要：介紹了一種基于現(xiàn)有圖書館刷卡選座系統(tǒng)，由STC15系列單片機(jī)、NRF24L01型WiFi通信模塊、LED 顯示和HC-SR501型紅外傳感器實(shí)現(xiàn)的圖書館智能座位管理系統(tǒng)。其通過紅外傳感及時(shí)監(jiān)控圖書館座位的使用情況，同時(shí)利用單片機(jī)對(duì)座位閑置時(shí)長進(jìn)行計(jì)時(shí)，并對(duì)惡意占用的座位重新分配。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了圖書館座位的全智能化管理,為解決高校圖書館“座位荒”問題提供了一種新的方案。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；座位管理；紅外傳感器；圖書館；無線通信
中圖分類號(hào)：TN399文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674 7720.2016.23.029
引用格式：戴舒詣，景素婷，夏佳樂，等. 基于紅外傳感及IC卡終端的座位管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35（23）：100-102.
0引言
隨著學(xué)習(xí)節(jié)奏的不斷加快，高校惡意占座現(xiàn)象日益加劇，尤其是在期中期末考試以及考研前期，由于占座導(dǎo)致的不必要沖突尤為嚴(yán)重。目前的座位管理系統(tǒng)多為刷卡選座的模式，一旦刷卡，系統(tǒng)就認(rèn)為該座位已經(jīng)有人，雖然在一定程度上實(shí)現(xiàn)了人座對(duì)應(yīng)，但是對(duì)于惡意占座和長時(shí)間離開不刷退的現(xiàn)象，難以從根本上解決。
為了消除此類不文明現(xiàn)象，提高座位資源的利用率，給學(xué)生們提供一個(gè)良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，本文介紹了一個(gè)基于紅外傳感的座位管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)與現(xiàn)有刷卡系統(tǒng)相結(jié)合，在座位上安裝一個(gè)基于紅外傳感器的圖書館占座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端，可有效識(shí)別座位上是否有人以及累計(jì)離開時(shí)間，并將座位狀態(tài)信號(hào)發(fā)至圖書館刷卡選座系統(tǒng)，有效避免“人走座留”的惡意占座現(xiàn)象，從而保證資源得到合理的利用。
1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
由于圖書館空間大，人員流動(dòng)復(fù)雜，很難對(duì)個(gè)體進(jìn)行長時(shí)間、大范圍、有效的監(jiān)測(cè)，因此本文介紹的系統(tǒng)需要多個(gè)有針對(duì)性的模塊結(jié)合以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能。本文預(yù)設(shè)該系統(tǒng)基本功能如圖1所示。一旦有學(xué)生刷卡選座，相應(yīng)座位上的LED燈亮，以顯示座位正被使用。如果學(xué)生是惡意占座，座位在預(yù)設(shè)等待時(shí)間（預(yù)設(shè)30 min）之內(nèi)無人使用，LED燈則會(huì)熄滅，同時(shí)刷卡系統(tǒng)迅速釋放該座位，該座可被其他學(xué)生刷卡使用。如果學(xué)生在座位預(yù)留時(shí)間內(nèi)使用了座位，系統(tǒng)中的座位則將保持被使用狀態(tài)。
在實(shí)際應(yīng)用中，圖書館占座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端選擇安裝在桌子邊沿底面，以此實(shí)現(xiàn)單個(gè)終端對(duì)單座的監(jiān)測(cè)，并且不受非監(jiān)測(cè)座位的影響。
2總體硬件設(shè)計(jì)
本文介紹的圖書館座位管理系統(tǒng)基于現(xiàn)有的圖書館刷卡選座系統(tǒng)，由圖書館占座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、通信模塊幾個(gè)主要部分構(gòu)成。其中，圖書館占座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器模塊和檢測(cè)計(jì)時(shí)模塊組成。
如圖2所示，圖書館占座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由以STC15W4 K48S4單片機(jī)為核心的檢測(cè)計(jì)時(shí)模塊、HCSR501型紅外傳感器的傳感器模塊和LED組成。單片機(jī)的中斷引腳與紅外傳感器HCSR501連接并通過I/O口控制LED的開關(guān)。圖書館刷卡選座系統(tǒng)中的中心管理計(jì)算機(jī)通過搭載在單片機(jī)上的NRF24L01型WiFi模塊與STC15單片機(jī)進(jìn)行無線信息交互，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圖書館座位的實(shí)時(shí)管理［1］。
2.1傳感器模塊
2.1.1功能要求以及器件選型
為能精確判斷圖書館座位的使用情況，本文選用傳感器模塊對(duì)座位上是否有人進(jìn)行非接觸且實(shí)時(shí)性的監(jiān)測(cè)。該器件是系統(tǒng)的核心傳感器，應(yīng)根據(jù)具體使用環(huán)境和工作模式綜合進(jìn)行選擇。首先，要保證一定的感應(yīng)角度和作用距離，但又不能過大，避免路過的人引起誤觸發(fā)；其次，應(yīng)針對(duì)人進(jìn)入座位和離開座位的特殊工況；第三，應(yīng)滿足實(shí)際的環(huán)境溫度要求。
綜上所述，本文選用HCSR501普通型人體紅外感應(yīng)模塊。其感應(yīng)角度（可調(diào)）<100°錐角，感應(yīng)距離(可調(diào))符合功能要求，在所需溫度范圍內(nèi)都可正常工作且對(duì)人體活動(dòng)感應(yīng)較為靈敏。
2.1.2工作方式
HCSR501普通型人體紅外感應(yīng)模塊的紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，當(dāng)人進(jìn)入座位或者離開座位時(shí)，傳感頭感應(yīng)到溫度變化后，會(huì)失去電荷平衡而向外釋放電荷，因而在其經(jīng)后續(xù)電路檢測(cè)時(shí)就能產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)。
當(dāng)有人在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)活動(dòng)時(shí)，該模塊輸出引腳會(huì)產(chǎn)生一個(gè)上升沿跳變，并延時(shí)一定時(shí)間（延時(shí)時(shí)間通過旋鈕調(diào)節(jié)可至最長時(shí)間200 s），此后產(chǎn)生一個(gè)下降沿跳變，檢測(cè)計(jì)時(shí)系統(tǒng)通過對(duì)此信號(hào)變化的識(shí)別來確定座位的使用情況［2］。
2.2檢測(cè)計(jì)時(shí)模塊
2.2.1功能要求以及器件選型
檢測(cè)計(jì)時(shí)模塊選用單片機(jī)作為核心部件。由于紅外傳感模塊產(chǎn)生的電信號(hào)需要進(jìn)行一定的處理，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)座位使用情況的識(shí)別，因此檢測(cè)計(jì)時(shí)模塊需要滿足以下功能要求：（1）對(duì)傳感器輸出信號(hào)的采集判斷；（2）對(duì)人離開時(shí)間計(jì)時(shí)并進(jìn)行判別；（3）對(duì)WiFi模塊工作模式進(jìn)行配置［2］。
基于以上要求，該系統(tǒng)檢測(cè)計(jì)時(shí)模塊核心選用STC公司的STC15W4K48S4型單片機(jī)。該單片機(jī)具有寬電壓范圍，不需要任何轉(zhuǎn)換芯片，集成了更多SRAM(4 K)，有定時(shí)器0、定時(shí)器1、 定時(shí)器2、 定時(shí)器3和定時(shí)器4，可進(jìn)行定時(shí)計(jì)時(shí)操作［3］；有SPI (可用作主模式/從模式)，能夠?qū)iFi模塊工作模式進(jìn)行配置［4］。
2.2.2工作方式
本文描述的檢測(cè)計(jì)時(shí)模塊的電路原理如圖3所示，HCSR501紅外傳感器輸出引腳與單片機(jī)中斷引腳P3.0腳直接相連，傳感器輸出的電信號(hào)由單片機(jī)檢測(cè)。當(dāng)座位被占，外部中斷0檢測(cè)到下降沿跳變，單片機(jī)進(jìn)入倒計(jì)時(shí)30 min。P1.0腳接入LED電路，當(dāng)座位被占，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LED亮［5］。
2.3通信模塊
圖書館占座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般與圖書館刷卡選座系統(tǒng)有一定距離。為實(shí)現(xiàn)兩系統(tǒng)之間的信息交互以及系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)管座位的功能，一般選用WiFi模塊或者藍(lán)牙等無線傳輸通信模塊。WiFi通信比藍(lán)牙通信容量大，并且在需要較遠(yuǎn)距離的信息傳輸上更有優(yōu)勢(shì)，因此本文選擇NRF24L01型WiFi模塊作為通信模塊。
該模塊能夠與各種單片機(jī)芯片連接，達(dá)成無線數(shù)據(jù)的傳送工作。其電流消耗低，工作電壓在1.9 V~3.6 V，有多個(gè)頻道可以選擇。在與單片機(jī)連接工作時(shí)，可以通過SPI總線來對(duì)單片機(jī)寫入數(shù)據(jù)。在進(jìn)行傳輸工作時(shí)，NRF24L01型WiFi模塊有4種工作模式，數(shù)據(jù)發(fā)送傳輸率最快可達(dá)2 Mb／s，同時(shí)該模塊可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的雙向通信，通信距離可在300~800 m，因此該模塊符合系統(tǒng)功能要求［6］。
本文描述系統(tǒng)通過SPI配置Enhanced shockurst TM收發(fā)模式。該模塊在此種模式下使用片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)低速從微控制器送入，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)抗干擾能力強(qiáng)［7］。
3軟件部分
單片機(jī)若要實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外傳感器的控制以及計(jì)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，其需要一個(gè)穩(wěn)定完善的軟件編程。本文根據(jù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能和傳感器與單片機(jī)相結(jié)合的硬件電路，進(jìn)行了相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，采用了匯編語言，并且經(jīng)過調(diào)試運(yùn)行，成功實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。軟件程序流程圖如圖4。
圖4中，傳感器的信號(hào)由單片機(jī)的外部中斷0接收，為了在計(jì)時(shí)期間可以重復(fù)觸發(fā)中斷，特別將定時(shí)程序放在中斷服務(wù)程序外。其中中斷服務(wù)程序的功能為重新計(jì)時(shí)。
4圖書館占座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)物與工作狀態(tài)
圖書館占座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖如圖5。
在圖書館真實(shí)環(huán)境中，圖書館占座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要受工作距離、感應(yīng)角度、工作溫度以及感應(yīng)時(shí)間的影響，為對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性做進(jìn)一步評(píng)估，本文對(duì)占座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端的性能進(jìn)行了一定的測(cè)試。如表1所示。
根據(jù)表1測(cè)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)際應(yīng)用中圖書館占座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端能夠在所要求的檢測(cè)距離、感應(yīng)角度以及工作溫度范圍內(nèi)正常工作。
5結(jié)束語
本文闡述了基于紅外傳感及IC卡終端的圖書館智能座位管理系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。其采用HCSR501普通型人體紅外感應(yīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)座位使用情況無接觸實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能，運(yùn)用STC15W4K48S4型單片機(jī)達(dá)到了對(duì)座位閑置時(shí)間的計(jì)時(shí)目的，同時(shí)使用NRF24L01型WiFi通信模塊實(shí)現(xiàn)了圖書館刷卡選座系統(tǒng)與占座監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息交互。通過這些模塊和元器件的結(jié)合，以及對(duì)占座監(jiān)測(cè)終端的實(shí)際工作調(diào)試，證明了本文介紹的圖書館智能座位管理系統(tǒng)較好地完成了對(duì)座位全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和管理的功能。
參考文獻(xiàn)
［1］ 周國棟,王新赤,卞樹檀.基于時(shí)分多址的圖書館座位管理系統(tǒng)［J］.電子工程師,2008,34(7):77-80.
?。?］ 淦元柳,宋斌,王曉飛，等.紅外探測(cè)與應(yīng)用分析［J］. 紅外與激光工程,2007，36(S2)：62-66.
?。?］ 杜波.基于單片機(jī)及CAN技術(shù)的圖書館自習(xí)室座位管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.情報(bào)探索,2003(3):62-63.
?。?］ 劉大杰,劉金鵬,孫小菡.基于單片機(jī)和紅外接近開關(guān)的圖書館座位管理系統(tǒng)［J］.電子工程師,2006,32(5)：73-75.
［5］ 張俊謨.單片機(jī)中級(jí)教程(原理與應(yīng)用)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.
?。?］ 徐安,陳耀,李玲玲.單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京:北京希望電子出版社,2003.
［7］ 睢丙東,魏澤鼎.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)與實(shí)例［M］.北京:電子工業(yè)出版社,2005.