戴舒詣，景素婷，夏佳樂，楊越，瞿志成
（蘇州大學 物理與光電·能源學部，江蘇 蘇州 215000）
摘要：介紹了一種基于現有圖書館刷卡選座系統，由STC15系列單片機、NRF24L01型WiFi通信模塊、LED 顯示和HC-SR501型紅外傳感器實現的圖書館智能座位管理系統。其通過紅外傳感及時監控圖書館座位的使用情況，同時利用單片機對座位閑置時長進行計時，并對惡意占用的座位重新分配。該系統實現了圖書館座位的全智能化管理,為解決高校圖書館“座位荒”問題提供了一種新的方案。
關鍵詞：單片機；座位管理；紅外傳感器；圖書館；無線通信
中圖分類號：TN399文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674 7720.2016.23.029
引用格式：戴舒詣，景素婷，夏佳樂，等. 基于紅外傳感及IC卡終端的座位管理系統設計［J］.微型機與應用，2016,35（23）：100-102.
0引言
隨著學習節奏的不斷加快，高校惡意占座現象日益加劇，尤其是在期中期末考試以及考研前期，由于占座導致的不必要沖突尤為嚴重。目前的座位管理系統多為刷卡選座的模式，一旦刷卡，系統就認為該座位已經有人，雖然在一定程度上實現了人座對應，但是對于惡意占座和長時間離開不刷退的現象，難以從根本上解決。
為了消除此類不文明現象，提高座位資源的利用率，給學生們提供一個良好的學習環境，本文介紹了一個基于紅外傳感的座位管理系統。該系統與現有刷卡系統相結合，在座位上安裝一個基于紅外傳感器的圖書館占座監測系統終端，可有效識別座位上是否有人以及累計離開時間，并將座位狀態信號發至圖書館刷卡選座系統，有效避免“人走座留”的惡意占座現象，從而保證資源得到合理的利用。
1系統總體設計方案
由于圖書館空間大，人員流動復雜，很難對個體進行長時間、大范圍、有效的監測，因此本文介紹的系統需要多個有針對性的模塊結合以實現目標功能。本文預設該系統基本功能如圖1所示。一旦有學生刷卡選座，相應座位上的LED燈亮，以顯示座位正被使用。如果學生是惡意占座，座位在預設等待時間（預設30 min）之內無人使用，LED燈則會熄滅，同時刷卡系統迅速釋放該座位，該座可被其他學生刷卡使用。如果學生在座位預留時間內使用了座位，系統中的座位則將保持被使用狀態。
在實際應用中，圖書館占座監測系統終端選擇安裝在桌子邊沿底面，以此實現單個終端對單座的監測，并且不受非監測座位的影響。
2總體硬件設計
本文介紹的圖書館座位管理系統基于現有的圖書館刷卡選座系統，由圖書館占座監測系統、通信模塊幾個主要部分構成。其中，圖書館占座監測系統主要由傳感器模塊和檢測計時模塊組成。
如圖2所示，圖書館占座監測系統由以STC15W4 K48S4單片機為核心的檢測計時模塊、HCSR501型紅外傳感器的傳感器模塊和LED組成。單片機的中斷引腳與紅外傳感器HCSR501連接并通過I/O口控制LED的開關。圖書館刷卡選座系統中的中心管理計算機通過搭載在單片機上的NRF24L01型WiFi模塊與STC15單片機進行無線信息交互，從而實現對圖書館座位的實時管理［1］。
2.1傳感器模塊
2.1.1功能要求以及器件選型
為能精確判斷圖書館座位的使用情況，本文選用傳感器模塊對座位上是否有人進行非接觸且實時性的監測。該器件是系統的核心傳感器，應根據具體使用環境和工作模式綜合進行選擇。首先，要保證一定的感應角度和作用距離，但又不能過大，避免路過的人引起誤觸發；其次，應針對人進入座位和離開座位的特殊工況；第三，應滿足實際的環境溫度要求。
綜上所述，本文選用HCSR501普通型人體紅外感應模塊。其感應角度（可調）<100°錐角，感應距離(可調)符合功能要求，在所需溫度范圍內都可正常工作且對人體活動感應較為靈敏。
2.1.2工作方式
HCSR501普通型人體紅外感應模塊的紅外感應源通常采用熱釋電元件，當人進入座位或者離開座位時，傳感頭感應到溫度變化后，會失去電荷平衡而向外釋放電荷，因而在其經后續電路檢測時就能產生相應的電信號。
當有人在監測范圍內活動時，該模塊輸出引腳會產生一個上升沿跳變，并延時一定時間（延時時間通過旋鈕調節可至最長時間200 s），此后產生一個下降沿跳變，檢測計時系統通過對此信號變化的識別來確定座位的使用情況［2］。
2.2檢測計時模塊
2.2.1功能要求以及器件選型
檢測計時模塊選用單片機作為核心部件。由于紅外傳感模塊產生的電信號需要進行一定的處理，以實現單片機對座位使用情況的識別，因此檢測計時模塊需要滿足以下功能要求：（1）對傳感器輸出信號的采集判斷；（2）對人離開時間計時并進行判別；（3）對WiFi模塊工作模式進行配置［2］。
基于以上要求，該系統檢測計時模塊核心選用STC公司的STC15W4K48S4型單片機。該單片機具有寬電壓范圍，不需要任何轉換芯片，集成了更多SRAM(4 K)，有定時器0、定時器1、 定時器2、 定時器3和定時器4，可進行定時計時操作［3］；有SPI (可用作主模式/從模式)，能夠對WiFi模塊工作模式進行配置［4］。
2.2.2工作方式
本文描述的檢測計時模塊的電路原理如圖3所示，HCSR501紅外傳感器輸出引腳與單片機中斷引腳P3.0腳直接相連，傳感器輸出的電信號由單片機檢測。當座位被占，外部中斷0檢測到下降沿跳變，單片機進入倒計時30 min。P1.0腳接入LED電路，當座位被占，單片機驅動LED亮［5］。
2.3通信模塊
圖書館占座監測系統一般與圖書館刷卡選座系統有一定距離。為實現兩系統之間的信息交互以及系統實時監管座位的功能，一般選用WiFi模塊或者藍牙等無線傳輸通信模塊。WiFi通信比藍牙通信容量大，并且在需要較遠距離的信息傳輸上更有優勢，因此本文選擇NRF24L01型WiFi模塊作為通信模塊。
該模塊能夠與各種單片機芯片連接，達成無線數據的傳送工作。其電流消耗低，工作電壓在1.9 V~3.6 V，有多個頻道可以選擇。在與單片機連接工作時，可以通過SPI總線來對單片機寫入數據。在進行傳輸工作時，NRF24L01型WiFi模塊有4種工作模式，數據發送傳輸率最快可達2 Mb／s，同時該模塊可實現點對點的雙向通信，通信距離可在300~800 m，因此該模塊符合系統功能要求［6］。
本文描述系統通過SPI配置Enhanced shockurst TM收發模式。該模塊在此種模式下使用片內的先入先出堆棧區，數據低速從微控制器送入，數據傳輸時抗干擾能力強［7］。
3軟件部分
單片機若要實現對紅外傳感器的控制以及計時監測功能，其需要一個穩定完善的軟件編程。本文根據系統所要實現的實時監測功能和傳感器與單片機相結合的硬件電路，進行了相應的軟件設計，采用了匯編語言，并且經過調試運行，成功實現了預期功能。軟件程序流程圖如圖4。
圖4中，傳感器的信號由單片機的外部中斷0接收，為了在計時期間可以重復觸發中斷，特別將定時程序放在中斷服務程序外。其中中斷服務程序的功能為重新計時。
4圖書館占座監測系統實物與工作狀態
圖書館占座監測系統實物圖如圖5。
在圖書館真實環境中，圖書館占座監測系統主要受工作距離、感應角度、工作溫度以及感應時間的影響，為對系統的穩定性做進一步評估，本文對占座監測系統終端的性能進行了一定的測試。如表1所示。
根據表1測驗結果，實際應用中圖書館占座監測系統終端能夠在所要求的檢測距離、感應角度以及工作溫度范圍內正常工作。
5結束語
本文闡述了基于紅外傳感及IC卡終端的圖書館智能座位管理系統的總體設計。其采用HCSR501普通型人體紅外感應實現了對座位使用情況無接觸實時監測的功能，運用STC15W4K48S4型單片機達到了對座位閑置時間的計時目的，同時使用NRF24L01型WiFi通信模塊實現了圖書館刷卡選座系統與占座監測系統的信息交互。通過這些模塊和元器件的結合，以及對占座監測終端的實際工作調試，證明了本文介紹的圖書館智能座位管理系統較好地完成了對座位全自動化監測和管理的功能。
參考文獻
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