基于小凌派RK2206的智教助教—智能控制教學(xué)教室的探索先鋒
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1、項(xiàng)目背景
進(jìn)入21世紀(jì)的第二個(gè)十年，隨著以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)為代表的新一代信息技術(shù)的日趨成熟，在教育領(lǐng)域，具有智慧技術(shù)、智慧應(yīng)用、智慧管理等特征的智慧教室成為新的關(guān)注熱點(diǎn)。立足教學(xué)活動(dòng)需求，提供智慧化的應(yīng)用服務(wù)是智慧教室的核心使命，達(dá)成最優(yōu)化的教學(xué)效果是智慧教室的終極目標(biāo)。運(yùn)用智慧技術(shù)，提供智慧服務(wù)，實(shí)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(luò)化教室的主要特征。
“智慧教室”是數(shù)字化校園建設(shè)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(xué)生學(xué)習(xí)情況，并進(jìn)行針對性指導(dǎo)?！爸腔劢淌摇边\(yùn)用現(xiàn)代化手段切入整個(gè)教學(xué)過程，讓課堂變得簡單、高效、智能，有助于開發(fā)學(xué)生自主思考與學(xué)習(xí)能力。智慧教室行業(yè)是指從事智慧教室相關(guān)性質(zhì)的生產(chǎn)、服務(wù)的單位或個(gè)體的組織結(jié)構(gòu)體系的總稱。深刻認(rèn)知智慧教室行業(yè)定義，對預(yù)測并引導(dǎo)智慧教室行業(yè)前景，指導(dǎo)行業(yè)投資方向至關(guān)重要?，F(xiàn)行的教學(xué)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(xué)方式已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代化教學(xué)的需要，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集智慧教學(xué)、人員考勤、環(huán)境智慧調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)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(yùn)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(xué)手段，給教育行業(yè)帶來了新的機(jī)遇。
2、 項(xiàng)目簡介
（1）項(xiàng)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(shí)現(xiàn)開關(guān)；教室的窗戶可根據(jù)是否下雨自動(dòng)控制開與關(guān)；教室的窗簾可由遙控控制開與關(guān)。同時(shí)學(xué)生可根據(jù)自身的學(xué)生卡打卡上課，智慧教室進(jìn)行語音播報(bào)，方便了老師考勤；教室外部有一塊大屏實(shí)時(shí)顯示時(shí)間、課程、授課老師、課程時(shí)間、學(xué)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(xué)生安全提供保障。與此同時(shí)室內(nèi)的燈、風(fēng)扇也是智能可控的，可根據(jù)外部環(huán)境的光照強(qiáng)度來決定每盞燈的亮滅；可根據(jù)溫度的值控制風(fēng)扇的開關(guān)。此外，我們在室內(nèi)安裝一個(gè)紅外遙控驅(qū)動(dòng)模塊以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊，給老師佩戴遙控卡與以上所有模塊均可實(shí)現(xiàn)互聯(lián)；例如可控制燈的亮滅、門的開關(guān)、窗的開關(guān)、風(fēng)扇的開關(guān)、窗簾的開關(guān)等功能。
（2）功能說明
教室內(nèi)安裝有各類傳感器可以實(shí)時(shí)采集室內(nèi)的數(shù)據(jù)，主要包括光照強(qiáng)度、溫濕度、有毒氣體檢測、火源檢測。
室外配有語音播報(bào)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(shí)時(shí)上課信息。
智慧教室以紅外收發(fā)模塊為基礎(chǔ)，老師可通過紅外遙控來控制教室內(nèi)的部分參數(shù)。
（3）系統(tǒng)功能模塊劃分
智慧教室分為以下四個(gè)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。
（4）項(xiàng)目成果展示
智慧教室系統(tǒng)模型實(shí)物
教室外部TFT屏數(shù)據(jù)展示
3、硬件方案
（1）硬件總體框架
（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(shí)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(fēng)接口、E53 接口（包含 UART、 I2C、ADC、DAC、PWM、5 個(gè) GPIO）。一根TypeC USB線，即可實(shí)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）NFC刷卡模塊
MFRC522是應(yīng)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(shè)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(yīng)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。
（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(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，內(nèi)部由一個(gè) 8 位單片機(jī)控制一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè) NTC 測溫元件。DHT11采用單總線協(xié)議，支持2.4V供電。
（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。
（6）舵機(jī)
舵機(jī)模塊采用SG90舵機(jī)，用以模擬開關(guān)門與開關(guān)窗。該模塊支持5V或者3.3V供電。
（7）火焰?zhèn)鞲衅?/h4>
火焰?zhèn)鞲衅鬏敵鲂问綌?shù)字開關(guān)量輸出（0 和 1） 檢測到火焰或光源引腳輸出1，否則輸出0。
（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(dāng)接收到38Khz的PWM 時(shí)，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(dāng)捕獲到一個(gè) 9ms 低電平 + 4.5ms 高電平時(shí)，即收到一個(gè)引導(dǎo)碼。
（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。
（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(dǎo)率低，傳感器的電導(dǎo)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(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為跟氣體濃度相關(guān)的輸出信號。
（11）供電模塊
TPS5430是一款輸出電流可達(dá)3A連續(xù)(4A峰值)的PWM轉(zhuǎn)換器，開關(guān)頻率500kHz，轉(zhuǎn)換效率最佳狀態(tài)理論值可達(dá)95%(實(shí)際測試確實(shí)達(dá)不到這個(gè)狀態(tài))，內(nèi)部集成的N溝道MOSFET導(dǎo)通電阻值僅為110mΩ。內(nèi)含一個(gè)電壓誤差放大器，可在瞬態(tài)條件下提供嚴(yán)格的電壓調(diào)節(jié)精度；一個(gè)欠壓鎖定電路，保證輸入電壓低于5.5V時(shí)芯片不會啟動(dòng)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(guān)斷保護(hù)功能。
4、 軟件方案
（1）軟件整體框圖
在該項(xiàng)目中，我們將軟件整體設(shè)計(jì)分成應(yīng)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(shí)現(xiàn)對老師信息的錄入和讀取以及學(xué)生考勤，紅外遙控裝置實(shí)現(xiàn)控制教室功能從而使教學(xué)效率提高，采用syn6288語音裝置實(shí)現(xiàn)對老師刷卡是否可以通過進(jìn)行判斷以及學(xué)生考勤，接口層使用驅(qū)動(dòng)（I2C，GPIO,UART），內(nèi)核層為：Lite os -M內(nèi)核，從而完成軟件整體設(shè)計(jì)。
（2）教室功能設(shè)計(jì)
通過RC522模塊實(shí)現(xiàn)門禁考勤一體化，使用紅外驅(qū)動(dòng)模塊，電平轉(zhuǎn)換通信模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來實(shí)現(xiàn)遙控操作教室多個(gè)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(fēng)扇模塊實(shí)現(xiàn)室內(nèi)智能檢測，打造智能高效、富有智慧的課堂教學(xué)環(huán)境。
（3）室內(nèi)智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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)鞲衅鳎瑴貪穸葌鞲衅?，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(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，可以在液晶屏上看到室內(nèi)的所有信息，達(dá)到室內(nèi)智能檢測的效果。當(dāng)溫度或過高，風(fēng)扇會自動(dòng)打開，進(jìn)行散熱。當(dāng)檢測到下雨時(shí)，窗戶會自動(dòng)打開等等
（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(diǎn)是不干擾其他電器設(shè)備工作，也不會影響周邊環(huán)境，若對發(fā)射信號進(jìn)行編碼，可實(shí)現(xiàn)多路紅外遙控功能。我們用不同的編碼對應(yīng)不同的功能，來實(shí)現(xiàn)用一個(gè)遙控操作整個(gè)教室的多個(gè)功能。
5、項(xiàng)目總結(jié)和展望
本項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(xiàng)目的實(shí)用性，可在液晶顯示屏上顯示實(shí)時(shí)時(shí)鐘、溫濕度、學(xué)生考勤情況和教師上課信息情況等。
本項(xiàng)目研究的基于小凌派RK2206，實(shí)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(jìn)步，時(shí)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(yīng)這個(gè)快節(jié)奏時(shí)代的產(chǎn)品。本項(xiàng)目雖然實(shí)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。
