智能教室管理系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及智能设备技术领域，特别是涉及一种智能教室管理系统及其控制方法。

背景技术

在学校，课堂教学环节是学生接受系统教育最重要的一环，做好教室管理，是保证教学环节的质量，提高教学水平的关键。

在实际教室管理中，由于教室数量较多，管理人员经常由于人手不足，当教室内无人上课时，不能及时的将窗户关闭，很可能会造成下雨打湿教室的情况。此外，在上课时进行窗户或窗帘的开合也会影响正常的教学秩序。

因此智能教室是未来教室的一种发展形式。

公开号为CN206470564U的实用新型专利，公开了一种智能教室检测系统，该系统包括激光检测模块、光敏电阻模块、烟雾检测模块、温湿度检测模块、显示屏等，该系统可检测教室内的各种参数并对教室内的灯进行自动控制。但是该系统中，仅对教室参数进行检测和显示，并未对其进行进一步控制，还需要教师管理人员根据参数进行管理，浪费人力成本。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中由于人手不足不能对教室进行有效管理，及时开启或关闭窗户和窗帘的情况，而提供一种智能教室管理系统。该智能教室管理系统通过控制系统对控制窗户和窗帘开启或关闭的机械调节装置进行调控，实现了窗户和窗帘的自动开启和关闭，减少了管理人员的人力成本，同时给学生创造舒适的教学环境。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种智能教室管理系统，包括平移开启式窗户、窗户开合控制装置和控制系统；

所述平移开启式窗户包括窗框、固定在所述窗框上的固定窗扇和底部与所述窗框滑动连接的平移窗扇；

所述窗户开合控制装置包括主动轮、通过皮带传动的从动轮、用于驱动所述主动轮转动的电机，其中所述平移窗扇通过固定件固定在所述皮带上以使得所述皮带拖拽所述窗扇开合；

所述控制系统包括控制模块、用于采集环境温湿度、光照强度和降雨情况的数据采集模块和用于驱动所述电机转动的电机驱动模块，所述数据采集模块与所述控制模块的输入端通讯连接，所述电机驱动模块与所述控制模块的输出端通讯连接。

在上述技术方案中，还包括窗帘开合控制装置，所述窗帘开合控制装置包括设置在窗户顶端边缘的外齿条、与所述外齿条啮合连接且受步进电机驱动的齿轮、和与所述齿轮同轴心固装且与窗户侧边缘平行的窗帘卷轴，窗帘的一边缘固定在所述窗户侧边缘侧壁上，另一边缘固定在所述窗帘卷轴上，所述步进电机与所述电机驱动模块通讯连接，所述电机驱动模块驱动所述步进电机转动。

在上述技术方案中，所述控制系统还包括用于调节环境温湿度的自动调节温湿度模块以及用于显示环境温湿度、光照强度和降雨情况的显示模块，所述自动调节温湿度模块和所述显示模块与所述控制模块的输出端通讯连接。

在上述技术方案中，所述控制系统还包括用于产生警报信号的报警模块，所述报警模块与所述控制模块的输出端通讯连接。

在上述技术方案中，所述控制系统还包括无线通讯模块，手机控制端和PC控制端分别通过所述无线通讯模块与控制模块通讯连接。

在上述技术方案中，所述数据采集模块包括温湿度传感器、雨滴传感器和光敏电阻。

在上述技术方案中，所述控制模块为STC89C52单片机。

在上述技术方案中，所述温湿度传感器采用DHT11温湿度复合型传感器，所述光敏电阻使用XPT2046芯片进行模数转换。

在上述技术方案中，所述电机驱动模块为ULN2003APG模块，所述电机和所述步进电机分别通过所述ULN2003APG模块与所述STC89C52单片机相连接。

在上述技术方案中，还包括摄像头模块，所述摄像头模块采用SONY CMOS芯片，通过MATLAB进行图像处理。

上述智能教室管理系统的控制方法，当数据采集模块检测到教室内温湿度超过预设阈值时，电机逆时针转动，驱动主动轮逆时针转动，主动轮带动皮带逆时针运行，拖拽平移窗扇向左移动，打开窗户使教室通风散热；当数据采集模块检测到有雨时，电机顺时针转动，驱动主动轮顺时针转动，主动轮带动皮带顺时针运行，拖拽平移窗扇向右移动，关闭窗户防止雨水进入教室。

在上述控制方法中，当光照度在预设范围内时，窗帘卷在窗帘卷轴上，当数据采集模块检测到光照度超过预设阈值时，步进电机驱动齿轮沿外齿条滑动，带动窗帘卷轴转动，关闭窗帘。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.该智能教室管理系统通过控制系统对控制窗户和窗帘开启或关闭的机械调节装置进行调控，实现了窗户和窗帘的自动开启和关闭，减少了管理人员的人力成本，同时给学生创造舒适的教学环境。

2.该智能教室管理系统可智能监测教室内的温湿度信息并进行自动调节，实现了现代教室的智能高效控制。

3.该智能教室管理系统控制原理简单，适用于多种场所，应用范围广泛。

附图说明

图1所示为实施例1中窗户控制装置和窗帘控制装置的装配结构示意图。

图2所示为实施例1中窗户控制装置的局部放大结构图。

图3所示为实施例1中窗帘控制装置的局部放大结构图。

图4所示为实施例1中控制系统组成框图。

图5所示为STC12C5A60S2单片机接口电路。

图6所示为STC89C52单片机的晶振电路(a)和复位电路图(b)。

图7所示为温湿度传感器接口电路图。

图8所示为雨滴传感器接口电路图。

图9所示为光敏电阻接口电路图，其中9a为光敏电阻J3及接口电路，9b为XPT2046及接口电路。

图10所示为电机驱动模块接口电路图。

图11所示为显示模块接口电路图。

图12所示为报警模块接口电路图。

图13所示为无线通讯模块接口电路图。

图中：a-窗框；b-固定窗扇；c-平移窗扇；1-主动轮，2-皮带，3-从动轮，4-电机，5-外齿条，6-步进电机，7-齿轮，8-窗帘卷轴。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种智能教室管理系统，包括平移开启式窗户、窗户开合控制装置和控制系统；

所述平移开启式窗户包括窗框a、固定在所述窗框a上的固定窗扇b和底部与所述窗框a滑动连接的平移窗扇c；

如图1和图2所示，所述窗户开合控制装置包括主动轮1、通过皮带2传动的从动轮3、用于驱动所述主动轮1转动的电机4，其中所述平移窗扇通过固定件固定在所述皮带上以使得所述皮带拖拽所述窗扇开合；

所述控制系统包括控制模块、用于采集环境温湿度、光照强度和降雨情况的数据采集模块和用于驱动所述电机4转动的电机驱动模块，所述数据采集模块与所述控制模块的输入端通讯连接，所述电机驱动模块与所述控制模块的输出端通讯连接。

上述电机4位于窗户下边缘的底部，主动轮1和从动轮3分别位于窗户下边缘底部的两端。皮带2通过固定件固定在右半扇窗户底部边缘上。当数据采集模块检测到教室内温湿度过高时，电机4逆时针转动，驱动主动轮1逆时针转动，主动轮1带动皮带2逆时针运行，使右半扇窗户向左移动，打开窗户使教室通风散热。当数据采集模块检测到有雨时，电机4顺时针转动，驱动主动轮1顺时针转动，主动轮1带动皮带2顺时针运行，使位于左侧的右半扇窗户向右移动，关闭窗户防止雨水进入教室。

如图4所示，所述控制系统包括控制模块、用于产生警报信号的报警模块、用于采集环境温湿度、光照强度和降雨情况的数据采集模块、用于驱动所述电机转动的电机驱动模块、用于调节环境温湿度的自动调节温湿度模块以及用于显示环境温湿度、光照强度和降雨情况的显示模块，所述数据采集模块与所述控制模块的输入端通讯连接，所述报警模块、电机驱动模块、自动调节温湿度模块和显示模块与所述控制模块的输出端通讯连接。

系统通过数据采集模块采集教室内的环境温湿度、光照强度和降雨情况的数据，传输给控制模块进行数据读取，然后发送到显示模块进行数据显示。当采集到的数据超过预设范围时，控制模块就会通过电机驱动模块驱动电机4或步进电机6工作，实现窗户或窗帘的自动开启和关闭或者控制模块就会通过自动调节温湿度模块对教室内的温湿度进行自动调节。

进一步的，所述数据采集模块包括温湿度传感器、雨滴传感器和光敏电阻。所述温湿度传感器对空气温度和空气湿度进行检测，所述雨滴传感器对是否下雨进行检测，并且根据雨量大小，分为无雨、小雨、大雨三个范围，所述光敏电阻根据其特性对光照强度进行检测。

所述控制模块为STC89C52单片机，其系统电路图如图5-6所示。

所述温湿度传感器采用DHT11温湿度复合型传感器，如图7所示，所述DHT11的引脚DATE与所述STC89C52单片机的引脚P32相连接；

如图8所示，所述雨滴传感器有四个管脚，分别为VCC管脚、GND管脚、DO管脚和AO管脚，其中所述VCC管脚与电源正极相连接，所述GND管脚与电源负极相连接，所述DO管脚与所述STC89C52单片机的引脚P16相连接以检测是否有雨；雨滴传感器的通电电源为5V,接上电源之后指示灯亮，当感应版上不存在水滴时，DO输出的为高电平，开关的指示灯处在熄灭状态；当在感应板上滴水后，DO输出由高电平转换成低电平，开关指示灯亮。擦掉水滴之后，输出又会恢复到高电平状态。雨滴传感器由四个管脚，分别为VCC接电源正极，GND接电源负极、DOTTL开关信号输出以及AO模拟信号输出。DO端与单片机I/O口连接，检测是否有雨。

所述光敏电阻使用XPT2046芯片进行模数转换，如图9所示，所述光敏电阻的AIN0、AIN1、AIN2引脚分别与T2046芯片的X+、Y+、VBAT引脚相连接，所述XPT2046芯片的引脚DIN、CS、DCLK、DOUT分别与所述STC89C52单片机的引脚P34、P35、P36、P37相连接。

所述电机驱动模块包括ULN2003APG模块，所述电机4和所述步进电机6分别通过所述ULN2003APG模块与所述STC89C52单片机相连接,如图10所示，所述ULN2003APG模块的A、B、C、D四个引脚分别连接所述STC89C52单片机的P20、P21、P22、P23四个引脚；

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上，介绍其窗帘开合控制装置。

作为优选方式，所述智能教室管理系统还包括窗帘开合控制装置如图1和图3所示，所述窗帘开合控制装置包括设置在窗户顶端边缘的外齿条5、与所述外齿条5啮合连接且受步进电机6驱动的齿轮7、和与所述齿轮7同轴心固装且与窗户侧边缘平行的窗帘卷轴8，窗帘的一边缘固定在所述窗户侧边缘侧壁上，另一边缘固定在所述窗帘卷轴4上，所述步进电机6与所述电机驱动模块通讯连接，所述电机驱动模块驱动所述步进电机6转动。当光照度适当时，窗帘卷在窗帘卷轴上，当数据采集模块检测到光照度过强时，步进电机6驱动齿轮7沿外齿条5滑动，带动窗帘卷轴转动，关闭窗帘。

实施例3

本实施例是在实施例1和实施例2的基础上，介绍其优选方式。

作为优选方式，所述控制系统还包括用于调节环境温湿度的自动调节温湿度模块以及用于显示环境温湿度、光照强度和降雨情况的显示模块，所述自动调节温湿度模块和所述显示模块与所述控制模块的输出端通讯连接。

所述显示模块采用LCD1602液晶显示屏，屏幕上的信息包括温度、湿度、是否降雨以及光照强度，方便教室内人员能够准确及时地把握温度、湿度、是否降雨等信息，做出操作调整。如图11所示，所述LCD1602液晶显示屏接口电路中的DB0、DB1、DB2、DB3、DB4、DB5、DB6、DB7引脚分别和所述STC89C52单片机的P00、P01、P02、P03、P04、P05、P06、P07引脚相连接，所述LCD1602液晶显示屏接口电路中的RS、RW、E引脚分别和所述STC89C52单片机的P26、P25、P27引脚相连接。

作为优选方式，所述控制系统还包括用于产生警报信号的报警模块，所述报警模块与所述控制模块的输出端通讯连接。当采集到的数据超过预设范围时，控制模块就会控制报警模块发出警报。

根据STC12C5A60S2单片机的电流性质，不可以直接驱动蜂鸣器电路，因此把PNP型的三极管连接到电路中，根据PNP型三极管的应用特性，当P2.0位置为处于高电平时，三极管的基极与集电极之间发生反向偏置，电路不导通，蜂鸣器不能工作；反之电路导通，蜂鸣器进行工作。如图12所示，所述PNP型三极管的基极与所述STC89C52单片机的引脚P2.0相连接、发射极与电源相连接、集电极与所述蜂鸣报警器相连接；

作为优选方式，为监控教室内的实时状态，所述智能教室管理系统还包括摄像头模块，所述摄像头模块采用SONY CMOS芯片，中文学名为互补金属氧化物半导体，它本是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统引导最基本的资料。在图像采集过程中，摄像头自带无线功能，能够简易地传递出图像信息，同时还能将图像显示在手机客户端上。但与此同时，通过MATLAB进行图像处理的图像数据也能通过摄像头所具有的无线网进行读取。通过摄像头以及MATLAB进行图像处理可以统计出勤率和空教室情况。

作为优选方式，所述智能教室管理系统还包括PC监控端和手机监控端。PC监控端可供学校管理员登陆监控，手机监控端可供学生用户登录查询教室信息。

所述控制系统还包括无线通讯模块，PC监控端和手机监控端分别通过所述无线通讯模块与控制模块通讯连接。系统通过数据采集模块采集教室内的环境温湿度、光照强度和降雨情况的数据之后会通过无线通讯模块将数据发送给PC监控端和/或手机监控端，存储在数据库里，用户可以随时通过PC监控端和/或手机监控端查询教室的相关信息和实时状态。

所述无线通讯模块为nRF24L01模块，如图13所示，所述nRF24L01模块的CE、CSN、SCX、MOSI、MISO、IRQ引脚分别和所述STC89C52单片机的P10、P11、P12、P13、P14、P15引脚相连接。

另外，作为扩展的，在本系统设计中，在PC监控端功能的设计主要实现控制教室的设备、窗帘以及查询教室环境参数。在智能教室管理系统中，主要功能模块分为：教室环境参数检测模块、设备控制模块、出勤率统计模块和空教室统计模块。

手机监控端上具有登录模块、空教室查询模块、教室环境参数查询模块、学校通知模块与退出切换账号模块。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。