一套教室人數智能統計與顯示系統的研制

張海潮++馬風玲++鄭伯明++蔡占秀++邱召運

摘 要 為提高學生的按時到課率，幫助教師了解學生的到課情況，以及改善教室的學習環境，基于微控器設計教室人數智能統計與顯示系統。對該系統的功能、結構和工作原理進行闡述，并介紹傳感系統和計量原理。結果表明，該系統的考勤功能顯著提高了學生的按時到課率，系統的空余座位顯示功能方便了學生尋找自習教室。

關鍵詞 教室人數智能統計與顯示系統；考勤；微控器；傳感器

中圖分類號：G642 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）24-0040-03

Research of An Intelligent Counting and Display System for Classroom//ZHANG Haichao， MA Fengling， ZHENG Boming， CAI Zhanxiu， QIU Zhaoyun

Abstract In order to improve the rate of students to class on time， help teachers to understand the situation and improve the learning environment of the classroom， an Intelligent Counting and Display System based on the mircro-controller for classroom is designed. The

function， structure and working principle of the system are described，

and the sensing system and measurement principle are introduced emphatically. The results show that the systems attendance function significantly improves the rate of students to class on time， and the function of system to display spare seats is convenient for student to look for self-study classroom.

Key words intelligent counting and display system for classroom； attendance； mircro controller； sensor

1 引言

考勤方法主要有點名、簽到、IC卡刷卡、指紋識別[1]和人臉圖像識別[2]。分析發現傳統的點名和簽到的考勤方法耗時且不方便；IC刷卡考勤的缺點在于可由他人代替考勤；較為先進的指紋掃描考勤可靠性較高，但指紋掃描速度相對較慢；先進的人臉圖像識別考勤系統需要配備計算機，系統相對龐大，造價相對高昂。

顯然，上述考勤方法均不適于課間間隔只有10分鐘的教室考勤。針對此問題，基于微控器并采用雙調制頻率雙光路的可逆計量傳感器，研制一套教室人數智能化統計與顯示系統，實現自動、快速考勤的目的?？紤]到學校的學習環境情況，該系統具有人數統計、剩余座位統計、日歷時間顯示等功能，能實時、直觀顯示多種有用信息，且操作方便，節省時間，造價低廉，避免了上述考勤方法的缺點，對于提高學生的到課率，增強教師的授課效果[3]以及改善教室的學習環境，具有實際價值。

2 教室人數智能統計與顯示系統的設計

統計與顯示系統的功能 教室人數智能統計與顯示系統的主要功能是課堂考勤，能夠對出入教室的人員進行智能化統計。下課后，為方便學生尋找有空位的自習教室，該系統設計有剩余座位統計功能；為防止上課期間被打擾，設計有上課提醒功能；為便于教師掌控授課時間，設計有日歷、時間顯示等功能。

用于考勤的人數統計功能包括按時到課人數統計和自習時室內人數統計功能。考勤功能便于教師對到課人數進行統計，督促學生準時上課，提高學生的上課積極性。日歷、時間顯示功能包括日歷顯示、課堂剩余時間顯示、課間剩余時間顯示和“正在上課”顯示等功能，能夠提醒教師掌握授課時間，避免拖堂而影響學生的生活與學習。“正在上課”和剩余座位統計功能則有利于提醒和告知尋找自習教室的學生，無須開門就清楚教室內有無空余座位、是否正在上課，避免對上課和自習帶來的干擾，對于改善教學和學習環境、營造良好的學習氛圍具有重要意義。

統計與顯示系統的構成 圖1為教室人數智能統計與顯示系統的整體構成框圖。該系統主要由微控器系統、傳感器系統、時鐘系統、顯示系統、鍵盤系統等部分組成。其中微控器系統采用STC89C52單片機[4]為核心設計，單片機內建有程序存儲器、數據存儲器、用戶EEPROM、程序監控系統、上電復位等系統資源，僅通過I2C總線擴展一片時鐘芯片，其他I/O口通過連接器與其他系統連接，大大簡化微控器系統的設計。傳感器系統由紅外發射電路和接收電路構成，對進出教室人員信息進行檢測，通過兩個I/O口線輸入微控器系統對數據進行處理。微控器還分時掃描時鐘系統和鍵盤輸入系統，并將統計數據和時鐘計時等信息輸出到顯示系統進行實時顯示。鍵盤輸入系統則用于控制操作、時鐘校準、密碼輸入和系統設置。

統計計量的準確性主要取決于傳感器系統，為此采用自主設計的雙頻雙通道可逆計量傳感器[5]。為方便觀察，顯示系統由室內顯示器和室外顯示器構成，兩顯示器顯示的信息不盡相同，其中室內顯示器主要用于考勤和計時，而室外顯示器主要用于告知室外人員教室內部的狀態。

統計與顯示系統的工作過程 接通電源后，系統自動進行初始化，并進入系統運行主程序，依次循環執行程序流程：讀取相關數據→刷新顯示數據→查詢傳感器狀態→掃描鍵盤狀態→返回主程序。其中讀取的數據包含考勤數據、剩余座位數據和時鐘計時數據，并送顯示緩沖區，供顯示程序刷新顯示。系統檢測到傳感器系統傳送數據時，微控器將根據傳感器的狀態做相應運算處理，即確認人員進入室內時，則室內人員數加1，剩余座位數減1，然后返回主程序并將考勤結果送室內顯示器，剩余座位數送室外顯示器。同時，兩顯示器的時間窗口顯示時鐘數據。

系統檢測到鍵盤輸入的“上課”指令時，系統將停止考勤功能并自動減1以修正考勤數據，時間顯示自動進入課堂授課倒計時工作狀態，并點亮室外顯示器的“正在上課”指示，提醒室外人員請勿打擾。倒計時時間設置為兩段：一節課時間和課間休息時間。倒計時完畢，系統自動進入考勤狀態。教師下課后可手動取消“上課”指令，否則系統將根據預設的作息時間表自動取消“正在上課”狀態。

3 雙調制頻率雙光路可逆計量傳感器設計

應用通用光電傳感器存在的問題 教室人數智能化統計與顯示系統項目研究過程中曾采用兩個通用的單頻單光路透射式紅外光電傳感器[6]實現可逆計量檢測。實驗發現，受安裝位置限制且檢測距離又相對較遠，當兩個傳感器的間隔距離較近時，傳感器會出現誤檢測。分析造成誤檢測的原因有兩個方面：當紅外接收器位于同一側時，由于光線散射，來自任一紅外發射器的光線都會照射到兩個接收器上，接收器分辨不出是哪個光路被遮擋；當接收器位于兩側時，上述問題得到克服，但又出現新的問題，即當人體的反射光投射到兩側的接收器時，兩傳感器也會出現串擾現象并造成誤檢測。因此，必須根據實際情況，對紅外傳感器進行革新設計，以提高系統的可靠性和準確性。

基于單片機和紅外接收模組設計雙調制頻率雙光路可逆計量傳感器[7]，包括紅外發射電路、紅外接收和控制電路。可逆計量紅外傳感器系統由兩組透射式光電傳感器構成，為避免環境光干擾和傳感器間的串擾，傳感器采用雙調制頻率紅外光技術。因此，傳感器具有雙光路、雙調制頻率的技術特征。通過交替發射不同頻率的調制光，并分時檢測人體遮斷光路的次序，實現對出入教室人員的方向檢測，因此，傳感器還具有輸出可逆計量信息的特征。革新設計的傳感器為微控器控制系統提供了可靠的人員出入教室的信息，保障了系統的可靠性和準確性。傳感器尺寸小巧，方便安裝和應用。

雙調制頻率雙光路可逆計量傳感器構成 圖2為雙調制頻率雙光路可逆計量傳感器的電路原理圖。圖2中紅外發光二極管L1、L2和限流電阻R1、R2構成紅外發射電路，紅外光電接收模組IR38、IR56構成紅外接收電路，其中L1與IM56構成一透射式檢測光路A，IR56的中心接收頻率為56 kHz；L2與IR38構成另一紅外檢測光路B，IR38的中心接收頻率為38 kHz。A、B光路分時交替工作，即A光路發射56 KHz調制光時，B光路停止發射；B光路發射38 KHz調制光時，A光路停止發射。因此，任一時刻只有一個接收器能夠正常接收，具有光路的識別作用，從而避免兩光路的串擾，并且能夠分辨出哪個光路被遮斷。

A、B光路的工作由單片機STC15F104E控制，其為一8引腳的小尺寸單片機，具有6個可編程I/O口，內建系統資源豐富，適于傳感器的小型化設計。A光路由P3.3口驅動，接收信號輸入到單片機P3.1口；B光路由P3.2口驅動，接收信號輸入到單片機P3.0口；驅動信號由單片機的軟件系統產生；接收信號經軟件系統行邏輯運算后經P3.4、P3.5輸出可逆計量信號，經J1接口輸入教室人數智能化統計與顯示系統。

可逆計量傳感器調制頻率選擇 設傳感器發射f1和f2兩個頻率的紅外脈沖光信號，接收電路采用兩個中心頻率分別為f1和f2的光電接收模組作為光信號檢測元件，與紅外發射電路構成A、B檢測光路。當兩光路距離較近，A、B光路同時工作時，A、B光路必然會產生信號疊加，若f1≠f2，盡管接收器件具有選頻功能，也無法識別哪個光脈沖信號是來自哪個光路；A、B光路分時交替工作時，若f1=f2，雖然A、B光路不會產生信號疊加，但由于光外光散射，兩個接收器會同時接收到光脈沖信號，接收器也不能識別光路A、B。

要想識別A、B光路，應選擇f1≠f2，且應分時交替工作模式。根據連續脈沖的傅里葉變換，兩倍頻信號幅度相對較高[8]，當2倍頻等于接收器的中心頻率時，中心頻率較高的接收器會對2倍頻信號進行誤解調。因此，當2f1=f2或2f2=f1時，亦可能產生光信號間的串擾。為了增加A、B光路的辨識度，應選取頻率2f1>f2或2f2>f1。根據紅外接收器件的性能參數，優選的頻率分別為f1=38 kHz，f2=56 kHz。

實驗證明，傳感器克服了兩光路間的串擾現象，簡化了應用現場的安裝。

4 系統應用結果

系統安裝與調試 圖3是室外顯示器效果圖，圖4是室內顯示器效果圖。顯示器采用共陽LED數碼管設計，室外顯示器的“正在上課”提示狀態采用LED背光板顯示。兩顯示器的顯示格式相同，其中“空位數”與“倒計時”采用公共顯示窗，顯示何種數據由LED指示燈表示，上課時顯示倒計時，下課后或考勤期間顯示剩余座位數，室內與室外的時鐘顯示窗數據相同。室內顯示器安裝在室內門口一側，高度以方便操作鍵盤為準；室外顯示器安裝在室外墻壁上，安裝高度以觀察方便為準。

傳感器的兩路發射和兩路接收分別采用一體化小型設計，安裝簡便。實驗證明，檢測人的肩部以上部位可以避免手臂對測量的影響，綜合考慮人員的身高情況后，將傳感器安裝在教室門口兩側距地面約1.5米高的位置，按照A光路在外、B光路在內的約定，兩光路水平安裝傳感器。

系統在考勤和下課工作狀態時，有人進入教室，顯示器的室內人數加“1”，同時顯示器的空位數減“1”，時鐘顯示窗顯示時間。啟動“上課”后，自動停止考勤功能，點亮室外顯示器的“正在上課，請勿打擾”顯示區，并啟動倒計時功能。室內顯示器的鍵盤系統用來設置每個教室座位總數、作息時間和校準時鐘；微控器電路系統和電源系統安裝在室內顯示器內。

系統應用結果 表1、表2是該系統應用前后連續4個周的考勤統計情況。未使用該系統時，請假、曠課人數平均每天7人以上；使用該系統后，每天最多僅為4人，遲到人數也由使用該系統前的平均每天9～11人降為0～5人，準時到課率大大提高。上課和自習期間被打擾次數由原來的平均每天10次以上降為5次以下。統計結果表明，使用教室人數智能統計與顯示系統后，學生的到課情況顯著改善，被打擾的次數明顯降低，為現代化辦學提供了一套先進的教學管理設備。

5 結束語

革新設計的雙調制頻率雙光路可逆計量傳感器，避免了環境光干擾和傳感器間的串擾，為微控器系統提供了可靠的出入教室人員的信息，實現自動考勤功能，提高了準時到課率和教學質量。剩余座位統計和免打擾提醒功能，方便了學生尋找空余座位，提高了自修學習的效率，改善了學習環境。系統的多信息統計和顯示功能不僅方便了授課教師掌控教學環節，而且有利于提高學校的教學水平和管理水平。

參考文獻

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[3]吳鋼，于光磊.各類高校學生評價教師課堂教學的調查研究[J].高校教育管理，2012，6（1）：80-85.

[4]STC89C52系列單片機器件手冊[EB/OL].http：//www.stcmcu.

com/datasheet/STC89C52.pdf.

[5]馬風玲，張海潮，鄭伯明，等.雙路雙頻可逆計量紅外傳感器[P].中國專利：ZL201520980827.3，2016-04-06.

[6]馮笑笑，胡佳娟，吳偏偏，等.紅外光電傳感器的性能分析與應用[J].蘇州大學學報：工科版，2012，32（1）：11-14.

[7]邱召運，李述香，等.基于紅外接收模組的智能光電開關設計[J].傳感器世界，2009，15（1）：29-32.

[8]鄭戟明，曹玉茹，等.分數傅里葉變換在圖像加密中的應用[J].實驗室研究與探索，2010，29（11）：44-47.