多媒體教室智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要 針對(duì)高校多媒體教室電能浪費(fèi)嚴(yán)重、資源利用不合理以及用電設(shè)備、教學(xué)管理不足等問(wèn)題，利用恩智浦公司的Cortex M0芯片，設(shè)計(jì)了以智能網(wǎng)關(guān)控制器為核心的教學(xué)樓智能管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了合理使用教室用電設(shè)備，達(dá)到了節(jié)約電能、改善教學(xué)管理的目的。
關(guān)鍵詞 多媒體教室；智能網(wǎng)關(guān)控制器；智能管理系統(tǒng)

    隨著教學(xué)方式的改進(jìn)，多媒體教室將不斷增多，而對(duì)于整棟教學(xué)樓或跨校區(qū)的多媒體教室管理，采用人工開(kāi)關(guān)設(shè)備，是一件費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作。文中應(yīng)用電子、網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制技術(shù)以及實(shí)用的軟件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一套教室自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)。教室智能控制系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)和以太網(wǎng)的分布式集散控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)教室內(nèi)多媒體設(shè)備、教室照明和風(fēng)扇進(jìn)行遠(yuǎn)程集中控制和管理，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)攝像頭對(duì)教室使用狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)控與顯示，達(dá)到教室控制智能化和節(jié)約化的目標(biāo)。文中將嵌入式控制系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合，具體論述系統(tǒng)中硬軟件各部分的結(jié)構(gòu)功能和實(shí)現(xiàn)方法。

1 系統(tǒng)組成與工作原理
    該系統(tǒng)主要用于多媒體教室的管理，使各教室按課表作息時(shí)間自行打開(kāi)教室多媒體設(shè)備以及電燈、風(fēng)扇、攝像頭等用電設(shè)備。并可在2分鐘內(nèi)開(kāi)啟教室所有的用電設(shè)備。
    文中系統(tǒng)采用3層硬件兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，即“教室用電設(shè)備控制單元-315／433 Mbit·s-1無(wú)線(xiàn)通信-無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)控制器-以太網(wǎng)-中央計(jì)算機(jī)單元”。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

    系統(tǒng)總設(shè)計(jì)如圖2所示。

    系統(tǒng)工作原理：系統(tǒng)第一次運(yùn)行時(shí)，由中央計(jì)算機(jī)將一學(xué)期的課表信息按照約定的編碼方式碼，通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送到各間教室的智能網(wǎng)關(guān)控制器上儲(chǔ)存，網(wǎng)關(guān)控制器自行讀取該教室的課表信息，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。將課表信息存于網(wǎng)關(guān)控制器，使得網(wǎng)關(guān)控制器運(yùn)行于脫機(jī)狀態(tài)，這樣有利于在網(wǎng)絡(luò)中斷或者沖突的情況下，系統(tǒng)依然可以正常運(yùn)行，同時(shí)還可避免教室較多的情況下所產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)擁堵。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 智能網(wǎng)絡(luò)控制器
    該模塊的核心控制部分采用NXP公司的32位芯片CortexM0 LPC111x，可用于高集成度和低功耗的嵌入式應(yīng)用。
    控制器的網(wǎng)絡(luò)芯片選用W5100，該芯片是一款多功能的網(wǎng)絡(luò)接口芯片，內(nèi)部集成有10／100 Mbit·s-1以太網(wǎng)控制器，主要應(yīng)用于高集成、高穩(wěn)定、高性能和低成本的嵌入式系統(tǒng)中。W5100內(nèi)部集成了全硬件、TCP／IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層(MAC)和物理層(PHY)。硬件TCP／IP協(xié)議棧支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE，這些協(xié)議已在較多領(lǐng)域經(jīng)過(guò)了驗(yàn)證。內(nèi)部集成還有16 kB存儲(chǔ)器用于數(shù)據(jù)傳輸。使用W5100無(wú)需考慮以太網(wǎng)的控制，只要進(jìn)行簡(jiǎn)單的端口(Socket)編程。LPC111x通過(guò)內(nèi)部的SPI模塊與W5100芯片進(jìn)行通信。
    控制器片外Flash選用24c16，該Flash可存儲(chǔ)2 kB的數(shù)據(jù)，LPC111x通過(guò)I2C總線(xiàn)對(duì)Flash進(jìn)行讀寫(xiě)，控制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示。

2．2 教室用電設(shè)備控制單元
    主要負(fù)責(zé)完成接收來(lái)自智能網(wǎng)關(guān)控制器發(fā)送的無(wú)線(xiàn)命令，并進(jìn)行解析和控制相應(yīng)的繼電器，以達(dá)到控制相應(yīng)用電設(shè)備的目的。
    該控制單元選用的核心控制芯片是PIC16fxx，該芯片是DIP封裝總共有14個(gè)引腳，控制7路繼電器的開(kāi)斷，電源部分采用阻容降壓的方式，連接220 V，通過(guò)阻容降壓濾波后達(dá)到直流12 V，該電壓用于驅(qū)動(dòng)繼電器，經(jīng)穩(wěn)壓芯片78L05變?yōu)? V，該電壓用于PIC芯片的工作電壓，電路原理圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件包括運(yùn)行于教室用電設(shè)備控制單元的軟件，智能網(wǎng)關(guān)控制器的軟件以及運(yùn)行于中央計(jì)算機(jī)上的上位機(jī)軟件。
3．1 教室用電設(shè)備控制單元的軟件
    該部分軟件主要完成無(wú)線(xiàn)信號(hào)的接收、解碼以及繼電器的控制。PIC16fxx初始化后，會(huì)處于檢測(cè)無(wú)線(xiàn)信號(hào)狀態(tài)，一旦檢測(cè)到有無(wú)線(xiàn)信號(hào)，就會(huì)進(jìn)行解碼，得到有效的解碼信息后，再打開(kāi)相應(yīng)的繼電器。程序流程圖如圖5所示。

3．2 智能網(wǎng)關(guān)控制器的軟件
    智能網(wǎng)關(guān)控制器軟件采用無(wú)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這樣能快速高效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸。軟件實(shí)現(xiàn)功能如下：
    (1)接收來(lái)自中央計(jì)算機(jī)單元的控制命令，并進(jìn)行解析，將解析的命令通過(guò)無(wú)線(xiàn)編碼發(fā)送到用電設(shè)備控制單元。
    (2)將課表信息存儲(chǔ)于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)控制器中的Flash，并自行按上課時(shí)間讀取課表信息，打開(kāi)多媒體設(shè)備，將需要打開(kāi)的用電設(shè)備命令以無(wú)線(xiàn)編碼方式發(fā)送。
    程序流程圖如圖6所示。

3．3 網(wǎng)絡(luò)群控管理中心上運(yùn)行的軟件
    中控機(jī)上運(yùn)行的上位機(jī)軟件采用VC++編寫(xiě)，主要完成對(duì)各間教室的網(wǎng)絡(luò)控制器課表信息進(jìn)行加載和修改，并在特殊情況下手動(dòng)開(kāi)關(guān)教室用電設(shè)備，軟件的主界面如圖7所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
    多媒體教學(xué)、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和遠(yuǎn)程教學(xué)發(fā)展迅速。多媒體中央控制系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)多媒體電教室、會(huì)議室中的各種設(shè)備進(jìn)行集中控制、管理。不僅可節(jié)省人力，也進(jìn)一步挖掘多媒體教室的作用。同時(shí)該系統(tǒng)兼顧教室考場(chǎng)和安防監(jiān)控，利用新技術(shù)將考場(chǎng)與教室以及多媒體監(jiān)控管理整合，易管理、易操作、成本低。