基于北斗定位系統(tǒng)的自習(xí)室座位索引系統(tǒng)研究

陶帥++劉瑞++鄒精龍++劉洪成

文章編號(hào)：2095-6835（2016）17-0010-03

摘 要：自習(xí)室座位索引系統(tǒng)應(yīng)用了北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)，并與PLC電路、程序編程相結(jié)合。該系統(tǒng)由五大模塊組成，各個(gè)模塊分別實(shí)現(xiàn)不同的功能，以滿(mǎn)足學(xué)生的需求，可以使學(xué)生們?cè)趯ふ易粤?xí)室座位時(shí)更加快速、便捷，并減少對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的影響，符合物聯(lián)網(wǎng)人性化的發(fā)展理念。

關(guān)鍵詞：北斗定位系統(tǒng)；自習(xí)室；座位索引系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN967.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.17.010

1 背景和意義

隨著我國(guó)教育水平的提高，本科生和研究生不斷地?cái)U(kuò)招，使得校園學(xué)生人數(shù)總量在不斷提升，因此，人均校園資源占有量在下降，并且校園擴(kuò)建速度遠(yuǎn)低于擴(kuò)招速度，校園基礎(chǔ)設(shè)施面臨的形勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)峻。

圖書(shū)館、自習(xí)室等自習(xí)座位緊張狀況尤為突出。調(diào)查顯示，有些學(xué)生可能要花30 min左右來(lái)尋找自習(xí)座位。這無(wú)疑給學(xué)生帶來(lái)了麻煩，并造成時(shí)間的浪費(fèi)。每當(dāng)期末考試、考研前，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)有很多同學(xué)在教學(xué)樓中尋找自習(xí)座位，即使一間教室已經(jīng)滿(mǎn)員，也會(huì)有學(xué)生進(jìn)入其中尋找座位，學(xué)生在自習(xí)室開(kāi)關(guān)門(mén)、走動(dòng)勢(shì)必會(huì)影響自習(xí)室內(nèi)正在學(xué)習(xí)的同學(xué)，并且也浪費(fèi)了搜索座位的學(xué)生的時(shí)間。當(dāng)然，自習(xí)室存在空位使得校園資源得不到合理的利用。這將嚴(yán)重浪費(fèi)校園資源。

另外，隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，校園設(shè)施必定要跟上時(shí)代發(fā)展的潮流，如何使校園自習(xí)室座位管理更加人性化，已經(jīng)成為了高校發(fā)展的一個(gè)熱門(mén)話(huà)題。本文將基于北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)對(duì)上述問(wèn)題提出解決方案。

2 設(shè)計(jì)方案原理

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

基于北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的自習(xí)室座位索引系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖1所示。該系統(tǒng)由觸發(fā)模塊、定位模塊、延時(shí)模塊、坐標(biāo)比較模塊、人機(jī)交互模塊等幾部分組成。

該系統(tǒng)的特點(diǎn)及創(chuàng)新之處在于：①使用了北斗定位儀。該

系統(tǒng)將北斗導(dǎo)航定位儀應(yīng)用于創(chuàng)新方案中，極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得安裝更加方便，為用戶(hù)使用提供了便利。②應(yīng)用了PLC技術(shù)。該系統(tǒng)應(yīng)用PLC技術(shù)進(jìn)行延時(shí)模塊的設(shè)計(jì)。PLC技術(shù)的應(yīng)用使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，開(kāi)發(fā)成本降低，并且無(wú)論是在未來(lái)的市場(chǎng)，還是在現(xiàn)在的市場(chǎng)，PLC元件都是易獲得元件。③應(yīng)用了坐標(biāo)比較系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言設(shè)計(jì)來(lái)判斷座位坐標(biāo)是否在教室內(nèi)，使得程序更易被理解。④具備人機(jī)交互界面。學(xué)生可以通過(guò)手機(jī)、平板、電腦等終端查看教室座位的空余情況。

2.2 系統(tǒng)工作流程

基于北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的自習(xí)室座位索引系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

該系統(tǒng)的工作流程為：①學(xué)生在找到自習(xí)室座位后，坐下并觸發(fā)開(kāi)關(guān)，使得北斗導(dǎo)航芯片電源接通；②北斗導(dǎo)航芯片電源接通后，開(kāi)始接收北斗衛(wèi)星發(fā)射出的信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理，得到芯片所在位置的（x，y，z）三維坐標(biāo)；③通過(guò)坐標(biāo)比較系統(tǒng)，

將芯片所在的位置坐標(biāo)與教室4個(gè)角落的坐標(biāo)作比較，以此判斷坐標(biāo)是否在教室內(nèi)；④考慮到學(xué)生上廁所、活動(dòng)等因素，該方案設(shè)計(jì)了延時(shí)系統(tǒng)來(lái)滿(mǎn)足學(xué)生們必要的活動(dòng)需求；⑤考慮到精度問(wèn)題，目前人機(jī)交互能夠做到的是判斷某個(gè)教室是否“滿(mǎn)員”，在將來(lái)，隨著精度的提高，人機(jī)交互模塊能夠?qū)⒔淌易豢沼喾植紙D展示在平板、電腦、手機(jī)等終端設(shè)備上。

2.3 模塊分析

2.3.1 觸發(fā)模塊

觸發(fā)模塊采用壓力元件觸發(fā)形式。觸發(fā)元件類(lèi)似于開(kāi)關(guān)，但又不同于普通開(kāi)關(guān)，需要根據(jù)不同的座椅選擇不同的觸發(fā)元件。當(dāng)座椅結(jié)構(gòu)如圖3所示時(shí)，所需開(kāi)關(guān)為圖4所示的搖桿式開(kāi)關(guān)；當(dāng)座椅形式為圖5所示的結(jié)構(gòu)時(shí)，所需開(kāi)關(guān)為圖6所示的直動(dòng)式開(kāi)關(guān)。觸發(fā)元件采用的是開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，使得方案設(shè)計(jì)靈活、簡(jiǎn)便。

2.3.2 定位模塊

北斗定位系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶(hù)段3部分組成。為保證滿(mǎn)足精度的要求，北斗定位系統(tǒng)在全球任意地方將能夠接收到4顆衛(wèi)星信號(hào)。隨著北斗科技的發(fā)展，精度在不斷提高，米級(jí)、亞米級(jí)、厘米級(jí)已經(jīng)逐漸出現(xiàn)在公眾的視野內(nèi)。相信在不久的將來(lái)，低成本、高精度的北斗定位系統(tǒng)將會(huì)用于民用領(lǐng)域。

本方案定位模塊采用北斗定位儀。北斗定位儀在定位中只接收北斗衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理，得到定位儀所在的三維坐標(biāo)（x，y，z）。

2.3.3 延時(shí)模塊

延時(shí)模塊是考慮到學(xué)生們上廁所、外出活動(dòng)等必要的課余時(shí)間而設(shè)計(jì)的。延時(shí)模塊采用PLC電路設(shè)計(jì)。PLC具有功能強(qiáng)大、可靠性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。另外，其結(jié)構(gòu)緊湊，易于集成化。

延時(shí)模塊的電氣原理如圖7所示。首先，當(dāng)某個(gè)學(xué)生坐在座位上時(shí)，觸發(fā)常開(kāi)閉合開(kāi)關(guān)SB。圖7中，KT為斷電延時(shí)性時(shí)間繼電器，KT觸點(diǎn)為常開(kāi)閉合觸點(diǎn)。當(dāng)SB閉合時(shí)，KT繼電器和KM接觸器通電，KT觸點(diǎn)與KM觸點(diǎn)閉合。其中，KM觸點(diǎn)控制北斗定位儀的開(kāi)關(guān)。當(dāng)KM觸點(diǎn)閉合后，北斗定位儀接通電源。本方案為學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)了10 min的正常活動(dòng)時(shí)間。當(dāng)學(xué)生起身后，SB觸點(diǎn)打開(kāi)。此時(shí)，KT繼電器結(jié)束通電。由于KT為斷電延時(shí)性繼電器，所以KT觸點(diǎn)將在10 min后斷開(kāi)。換句話(huà)說(shuō)，KM會(huì)在SB觸點(diǎn)打開(kāi)后繼續(xù)閉合10 min。當(dāng)學(xué)生在10 min內(nèi)回到自己座位上時(shí)，SB觸點(diǎn)重新閉合，繼續(xù)接通KT繼電器和KM接觸器；當(dāng)學(xué)生結(jié)束學(xué)習(xí)不再回到座位時(shí)，10 min后，KM觸點(diǎn)自動(dòng)斷開(kāi)，北斗導(dǎo)航定位儀被關(guān)閉。

在本方案所設(shè)計(jì)的PLC梯形圖、語(yǔ)句表和時(shí)序圖中，相關(guān)的時(shí)序圖可幫助理解。斷電延時(shí)定時(shí)器TOF的分辨率100 ms，定時(shí)時(shí)間10 min，PLC梯形圖和語(yǔ)句表如圖8所示。此程序所涉及的PLC程序短、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

圖8 PLC梯形圖和語(yǔ)句表

在圖9所示的PLC時(shí)序圖當(dāng)中，A段是由于學(xué)生上廁所或其他事情起身造成的。這一段小于10 min，在相關(guān)的事情做完后，學(xué)生又重新坐回原先座位，系統(tǒng)重新通電。圖9中的B段是由于該學(xué)生的離開(kāi)而造成的現(xiàn)象，而C段則是之后的另外一個(gè)學(xué)生又重新坐在這個(gè)座位所造成的現(xiàn)象。

圖9 PLC時(shí)序圖

2.3.4 坐標(biāo)比較模塊

圖10 教室坐標(biāo)圖

圖10為某個(gè)教室的平面模型圖。假設(shè)教室4個(gè)角落A，B，C，D的坐標(biāo)分別為（Ax，Ay，z）、（Bx，By，z）、（Cx，Cy，z）、（Dx，Dy，z），教室內(nèi)部任意座位E的坐標(biāo)為（x，y，z）。當(dāng)北斗定位儀計(jì)算出自己所在的位置后，即相當(dāng)于圖10中的E點(diǎn)（x，y，z）。此時(shí)，我們需要設(shè)計(jì)相關(guān)的程序來(lái)判斷E點(diǎn)是否在ABCD面積之內(nèi)。為了使得系統(tǒng)語(yǔ)言更容易理解，本方案采用高級(jí)語(yǔ)言C語(yǔ)言進(jìn)行程序編程，通過(guò)面積計(jì)算來(lái)判斷E點(diǎn)是否在ABCD中，即當(dāng)Sabe+Sace+Scde+Sdbe=Sabcd時(shí)，E點(diǎn)在ABCD內(nèi)。也就是說(shuō)，E點(diǎn)所在的定位儀在此教室內(nèi)。當(dāng)Sabe+Sace+Scde+Sdbe>Sabcd時(shí)，E點(diǎn)不在ABCD內(nèi)。也就是說(shuō)，E點(diǎn)所在的定位儀不在此教室內(nèi)。

坐標(biāo)比較模塊是整個(gè)系統(tǒng)的軟件模塊，在今后的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，將會(huì)更加注重軟件的科學(xué)性，并且盡可能地使得代碼更加簡(jiǎn)單。

#include

#include

int SH（double x，double y，double z）

{

double ax=0，ay=5，bx=4.8，by=1.4，cx=0，cy=-5，dx=-4.8，dy=-1.4；//假設(shè)測(cè)出的教室坐標(biāo)與坐標(biāo)軸不平行，且長(zhǎng)為8 m，寬為6 m//且教室高度都為3.3 m，此教室位于二樓

double Ax，Ay，Bx，By，Cx，Cy，Dx，Dy，S，AE，BE，CE，sin，cos，DE，SABE，SBCE，SCDE，SDAE；

Ax=ax-x，Ay=ay-y，Bx=bx-x，By=by-y，Cx=cx-x，Cy=cy-y，Dx=dx-x，Dy=dy-y；

AE=sqrt（Ax*Ax+Ay*Ay），BE=sqrt（Bx*Bx+By*By），CE=sqrt（Cx*Cx+Cy*Cy），DE=sqrt（Dx*Dx+Dy*Dy）；

if （AE！=0&&BE！=0）

{

cos=（Ax*Bx+Ay*By）/AE/BE；

sin=sqrt（1-cos*cos）；

SABE=0.5*AE*BE*sin；

}

else SABE=0；//輸入坐標(biāo)為E點(diǎn)，計(jì)算三角形ABE面積

if （BE！=0&&CE！=0）

{

cos=（Bx*Cx+By*Cy）/BE/CE；

sin=sqrt（1-cos*cos）；

SBCE=0.5*BE*CE*sin；

}

else SBCE=0；//計(jì)算三角形BCE面積

if （CE！=0&&DE！=0）

{

cos=（Cx*Dx+Cy*Dy）/CE/DE；

sin=sqrt（1-cos*cos）；

SCDE=0.5*CE*DE*sin；

}

else SCDE=0；//計(jì)算三角形CDE面積

if （DE！=0&&AE！=0）

{

cos=（Dx*Ax+Dy*Ay）/DE/AE；

sin=sqrt（1-cos*cos）；

SDAE=0.5*DE*AE*sin；

}

else SDAE=0；//計(jì)算三角形DAE面積

S=SABE+SBCE+SCDE+SDAE；

if （S>48||z<3.3||z>=6.6） return 0；//三角形面積總和比教室面積大或z坐標(biāo)不在教室內(nèi)，返回0

else return 1；//否則返回1

}

void main（）

{

double x，y，z；

int in；

printf（"請(qǐng)輸入坐標(biāo)： "）；

scanf（"%lf，%lf，%lf"，&x，&y，&z）；

in=SH（x，y，z）；

if （in==1）

printf（"在此教室內(nèi)＼n" ）；

else

printf "不在此教室內(nèi)＼n"）；

}

2.3.5 人機(jī)交互模塊

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，人機(jī)交互就是人與機(jī)器之間可以交流，比如人類(lèi)看到手機(jī)屏幕上的各種信息。

考慮到北斗定位精度問(wèn)題，本方案所設(shè)計(jì)的人機(jī)交互模塊分為以下2種：①當(dāng)前，由于民用北斗定位系統(tǒng)精度遠(yuǎn)沒(méi)達(dá)到厘米級(jí)水平，并且北斗定位儀的成本很高，所以我們能夠做到的是查看教室內(nèi)的座位是否坐滿(mǎn)。我們?cè)诮淌抑行奶幹话惭b一個(gè)北斗導(dǎo)航儀，如圖11所示的O點(diǎn)位置。當(dāng)座位全部坐滿(mǎn)時(shí)，北斗定位儀才被接通電源，并得到定位坐標(biāo)。此時(shí)，通過(guò)坐標(biāo)比較系統(tǒng)判斷哪個(gè)教室已經(jīng)滿(mǎn)員，否則該教室仍有空余位置，學(xué)生仍可進(jìn)入學(xué)習(xí)。②隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們相信高精度、低成本的北斗定位系統(tǒng)在不遠(yuǎn)的將來(lái)會(huì)為大眾服務(wù)。當(dāng)北斗定位儀精度提高到厘米級(jí)時(shí)，本方案便能夠?qū)⒔淌覂?nèi)空余的位置顯示在移動(dòng)終端上。如圖12所示，教室每個(gè)座位上都安裝有該系統(tǒng)。當(dāng)一些座位被學(xué)生所用時(shí)（如圖中黑點(diǎn)所示），在移動(dòng)終端屏幕上便顯示此部分變暗，只有亮著的位置才是學(xué)生可利用的位置。

3 發(fā)展前景

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)科技的發(fā)展，人們正在尋找一種更加人性化、智能化的發(fā)展模式，使得科技能夠更好地服務(wù)于人類(lèi)。而隨著“中國(guó)精度”的出現(xiàn)，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的精度可達(dá)亞米級(jí)，甚至厘米級(jí)。可見(jiàn)，在不久的將來(lái)，自習(xí)室索引系統(tǒng)能夠?qū)⒚總€(gè)座位的使用情況反映在移動(dòng)終端設(shè)備上。這將使得教室座位得到更加合理的利用。

基于北斗定位系統(tǒng)的自習(xí)室座位索引系統(tǒng)將有效地節(jié)省了學(xué)生們的時(shí)間，提高了他們的自習(xí)效率，將促進(jìn)校園學(xué)習(xí)氛圍變得更加濃厚，對(duì)整個(gè)大學(xué)校園的學(xué)術(shù)研究將產(chǎn)生巨大的作用。

4 總結(jié)

經(jīng)過(guò)查詢(xún)大量文獻(xiàn)，并結(jié)合切身體驗(yàn)，本小組提出了一種基于北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的自習(xí)室座位索引系統(tǒng)。將北斗導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于本方案，并經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)，使得系統(tǒng)更加完善。北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)作為我國(guó)自主知識(shí)研發(fā)的定位系統(tǒng)，必將為人類(lèi)帶來(lái)巨大的效益。自習(xí)室座位索引系統(tǒng)的研制成功符合社會(huì)未來(lái)的發(fā)展潮流，能夠使科技更好地服務(wù)于人類(lèi)，使得學(xué)生們的學(xué)習(xí)和生活更加智能化，且符合物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展潮流，將為學(xué)生們帶來(lái)福音。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：劉曉芳〕