本項目由閩江學院牟馮玲、王靜、張穎昊同學完成

1、項目背景

進入21世紀的第二個十年，隨著以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)為代表的新一代信息技術(shù)的日趨成熟，在教育領域，具有智慧技術(shù)、智慧應用、智慧管理等特征的智慧教室成為新的關注熱點。立足教學活動需求，提供智慧化的應用服務是智慧教室的核心使命，達成最優(yōu)化的教學效果是智慧教室的終極目標。運用智慧技術(shù)，提供智慧服務，實現(xiàn)智慧管理是智慧教室區(qū)別于以往多媒體教室和網(wǎng)絡化教室的主要特征。

“智慧教室”是數(shù)字化校園建設的一部分，也是未來教室的一種形式?！爸腔劢淌摇笔且环N新型的教育形式，有別于傳統(tǒng)授聽課方式，教師能快速掌握每位學生學習情況，并進行針對性指導?！爸腔劢淌摇边\用現(xiàn)代化手段切入整個教學過程，讓課堂變得簡單、高效、智能，有助于開發(fā)學生自主思考與學習能力。智慧教室行業(yè)是指從事智慧教室相關性質(zhì)的生產(chǎn)、服務的單位或個體的組織結(jié)構(gòu)體系的總稱。深刻認知智慧教室行業(yè)定義，對預測并引導智慧教室行業(yè)前景，指導行業(yè)投資方向至關重要?，F(xiàn)行的教學過程中，傳統(tǒng)的簽到環(huán)節(jié)存在諸多問題。傳統(tǒng)的教學方式已經(jīng)不適應現(xiàn)代化教學的需要，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集智慧教學、人員考勤、環(huán)境智慧調(diào)節(jié)、遠程控制于一體的新型現(xiàn)代化“智慧教室”系統(tǒng)在逐步的推廣運用?！爸腔劢淌摇弊鳛橐环N新型的教育形式和現(xiàn)代化教學手段，給教育行業(yè)帶來了新的機遇。

2、項目簡介

2.1項目描述

這是一款基于OpenHarmony的智慧教室系統(tǒng)。我們的主控采用小凌派RK2206開發(fā)板，系統(tǒng)由3節(jié)18650鋰電池通過TPS5430模塊和AMS1117芯片完成降壓供電。在智慧教室中，教室的門由NFC刷卡實現(xiàn)開關；教室的窗戶可根據(jù)是否下雨自動控制開與關；教室的窗簾可由遙控控制開與關。同時學生可根據(jù)自身的學生卡打卡上課，智慧教室進行語音播報，方便了老師考勤；教室外部有一塊大屏實時顯示時間、課程、授課老師、課程時間、學生考勤情況、室內(nèi)溫濕度等；室內(nèi)則配有檢測火焰、溫濕度、有毒氣體等傳感器，為學生安全提供保障。與此同時室內(nèi)的燈、風扇也是智能可控的，可根據(jù)外部環(huán)境的光照強度來決定每盞燈的亮滅；可根據(jù)溫度的值控制風扇的開關。此外，我們在室內(nèi)安裝一個紅外遙控驅(qū)動模塊以及實時時鐘模塊，給老師佩戴遙控卡與以上所有模塊均可實現(xiàn)互聯(lián)；例如可控制燈的亮滅、門的開關、窗的開關、風扇的開關、窗簾的開關等功能。

2.2功能說明

教室內(nèi)安裝有各類傳感器可以實時采集室內(nèi)的數(shù)據(jù)，主要包括光照強度、溫濕度、有毒氣體檢測、火源檢測。

室外配有語音播報模塊，NFC門禁模塊以及一塊2.4寸TFT彩屏，在屏上可顯示教室的實時上課信息。

智慧教室以紅外收發(fā)模塊為基礎，老師可通過紅外遙控來控制教室內(nèi)的部分參數(shù)。

2.3系統(tǒng)功能模塊劃分

智慧教室分為以下四個大類模塊：供電模塊；門禁和智能考勤系統(tǒng)一體化；室內(nèi)智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)；紅外傳輸模塊。

2.4項目成果展示

智慧教室系統(tǒng)模型實物

教室外部TFT屏數(shù)據(jù)展示

3、硬件方案

3.1 硬件總體框架

3.2 主控芯片

采用小凌派RK2206 OpenHarmony開發(fā)板，主控為瑞芯微RK2206芯片，200MHz主頻，RAM 256KB、ROM 16KB、PSRAM 8M、FLASH 8M。板載NFC Tag芯片及天線，可實現(xiàn)OpenHarmony“碰一碰”功能。支持 IEEE 802.11b/g/n 制式，AP 模式。USB 2.0 、SD card /SPI/I2C 接口、麥克風接口、E53 接口（包含 UART、 I2C、ADC、DAC、PWM、5 個 GPIO）。一根TypeC USB線，即可實現(xiàn)供電、下載等功能。一根TypeC USB線，可支持串口調(diào)試功能。

3.3 NFC刷卡模塊

MFRC522是應用于13.56MHz非接觸式通信中高集成度讀寫卡系列芯片，是智能儀表和便攜式手持設備研發(fā)的較好選擇，非接觸式 IC 卡又稱射頻卡，由 IC 芯片、感應天線組成，芯片及天線無任何外露部分?？ㄆ谝欢ň嚯x范圍(通常為 5—10cm)靠近讀寫器表面，通過無線電波的傳遞來完成數(shù)據(jù)的讀寫操作。

3.4溫濕度傳感器

DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，內(nèi)部由一個 8 位單片機控制一個電阻式感濕元件和一個 NTC 測溫元件。DHT11采用單總線協(xié)議，支持2.4V供電。

3.5 TFT顯示屏

顯示屏采用2.4寸TFT液晶，支持5V或者3.3V供電，通信協(xié)議采用spi協(xié)議。

3.6 舵機

舵機模塊采用SG90舵機，用以模擬開關門與開關窗。該模塊支持5V或者3.3V供電。

3.7 火焰?zhèn)鞲衅?/strong>

火焰?zhèn)鞲衅鬏敵鲂问綌?shù)字開關量輸出（0 和 1） 檢測到火焰或光源引腳輸出1，否則輸出0。

3.8紅外收發(fā)模塊

紅外發(fā)射部分電路包括矩陣鍵盤、紅外發(fā)光二極管、編碼以及調(diào)制電路等，紅外接收部分包括光敏二極管、解調(diào)以及解碼電路等。

hx1838 紅外接收頭自帶了濾波的功能，本文使用的接收頭中，當接

收到38Khz的PWM 時，輸出低電平，否則輸出高電平。紅外遙控器采用了NEC編碼規(guī)則，當捕獲到一個 9ms 低電平 + 4.5ms 高電平時，即收到一個引導碼。

3.9雨滴模塊

雨滴傳感器的DO引腳用來指示是否檢測到雨滴，如果檢測到至少一滴雨滴DO就輸出高電平，反之一直保持低電平。雨滴傳感器的AO引腳輸出模擬電壓信號，用來指示檢測的雨滴數(shù)量大小。

3.10有毒氣體檢測傳感器

MQ-7 CO氣體傳感器使用的敏感元件為氣敏材料（SnO2），該傳感器對一氧化碳的靈敏度高。SnO2在潔凈空氣中電導率低，傳感器的電導率隨著空氣中CO氣體濃度增加而增大。最后使用簡單的電路將電導率的變化轉(zhuǎn)換為跟氣體濃度相關的輸出信號。

3.11供電模塊

TPS5430是一款輸出電流可達3A連續(xù)(4A峰值)的PWM轉(zhuǎn)換器，開關頻率500kHz，轉(zhuǎn)換效率最佳狀態(tài)理論值可達95%(實際測試確實達不到這個狀態(tài))，內(nèi)部集成的N溝道MOSFET導通電阻值僅為110mΩ。內(nèi)含一個電壓誤差放大器，可在瞬態(tài)條件下提供嚴格的電壓調(diào)節(jié)精度；一個欠壓鎖定電路，保證輸入電壓低于5.5V時芯片不會啟動工作。輸入電壓范圍6V~36V，輸出電壓理論最低可到1.23V，具有過流及熱關斷保護功能。

4、軟件方案

4.1軟件整體框圖

在該項目中，我們將軟件整體設計分成應用層，數(shù)據(jù)交換層，控制層，接口層，內(nèi)核層，數(shù)據(jù)交換層采用nfc門禁裝置來實現(xiàn)對老師信息的錄入和讀取以及學生考勤，紅外遙控裝置實現(xiàn)控制教室功能從而使教學效率提高，采用syn6288語音裝置實現(xiàn)對老師刷卡是否可以通過進行判斷以及學生考勤，接口層使用驅(qū)動（I2C，GPIO,UART），內(nèi)核層為：Lite os -M內(nèi)核，從而完成軟件整體設計。

4.2 教室功能設計

通過RC522模塊實現(xiàn)門禁考勤一體化，使用紅外驅(qū)動模塊，電平轉(zhuǎn)換通信模塊，電機驅(qū)動模塊來實現(xiàn)遙控操作教室多個功能，使用DHT11模塊，DS1302模塊，雨滴模塊，BH1750模塊，氣體檢測，火焰?zhèn)鞲衅髂K，風扇模塊實現(xiàn)室內(nèi)智能檢測，打造智能高效、富有智慧的課堂教學環(huán)境。

4.3室內(nèi)智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)設計

我們用小凌派RK2206為控制核心，室內(nèi)采用氣體傳感器，火焰?zhèn)鞲衅?，溫濕度傳感器?a target="_blank">光敏電阻傳感器，DS1302模塊等等信息通過小凌派顯示到2.4寸液晶屏上，進行實時顯示，可以在液晶屏上看到室內(nèi)的所有信息，達到室內(nèi)智能檢測的效果。當溫度或過高，風扇會自動打開，進行散熱。當檢測到下雨時，窗戶會自動打開等等

4.4紅外數(shù)據(jù)收發(fā)

紅外線遙控器就是利用波長0.76μm～1.5μm 之間的近紅外線來傳送控制信號的。紅外線的特點是不干擾其他電器設備工作，也不會影響周邊環(huán)境，若對發(fā)射信號進行編碼，可實現(xiàn)多路紅外遙控功能。我們用不同的編碼對應不同的功能，來實現(xiàn)用一個遙控操作整個教室的多個功能。

5、項目總結(jié)和展望

本項目設計硬件選用小凌派開發(fā)板搭載瑞芯微低功耗、高集成的無線局域網(wǎng)處理器RK2206，支持OpenHarmony操作系統(tǒng)。通過模型演示充分體現(xiàn)項目的實用性，可在液晶顯示屏上顯示實時時鐘、溫濕度、學生考勤情況和教師上課信息情況等。

本項目研究的基于小凌派RK2206，實現(xiàn)了用紅外遙控作為總控制器，使操作多功能化，降低了日常使用的難度。隨著科技進步，時代的發(fā)展，教育和教育環(huán)境成為重中之重，正是借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使智慧教室成為更適應這個快節(jié)奏時代的產(chǎn)品。本項目雖然實現(xiàn)功能，但仍存在不足之處，紅外控制信號的不穩(wěn)定等問題還待后續(xù)解決。