基於APP與單片機的師生答疑及浴室信息實時共享系統的製作方法

2023-06-06 23:56:06 1

本發明涉及信息共享領域，具體地，涉及一種基於app與單片機的師生答疑及浴室信息實時共享系統。

背景技術：

隨著物聯網的發展，智能校園已成為校園信息化發展的重要組成部分。目前國內智能校園系統還不是很成熟，校園資源有限而師生數量在逐年遞增，由於校內信息的不暢通導致了資源的利用率不高。由於校園內信息傳遞不暢僅僅在師生答疑及日常洗浴中就引起了許多不便。學生一般無法知道教師是否在辦公室，從而常常導致學生找老師問問題、處理班務，而老師不在的情況。同時，由於住宿學生洗浴時間集中，他們需要長時間在浴室等候空的洗澡間，或者不斷出入浴室查看是否有空洗澡間，洗浴非常不便。這些問題出現頻繁，且都是由於「資源是否可用」這條信息無法及時地傳遞給學生而導致的。

技術實現要素：

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種基於app與單片機的師生答疑及浴室信息實時共享系統。

根據本發明提供的一種基於app與單片機的師生答疑及浴室信息實時共享系統，其特徵在於，包括：包括答疑顯示面板、浴室顯示面板、控制模塊和手機app；其中：

手機app以短距離無線通信方式向控制模塊發送狀態信息，所述狀態信息包括人員狀態信息和裝置狀態信息；

控制模塊接收所述狀態信息，根據從所述狀態信息中提取出的人員狀態信息向答疑顯示面板發送答疑顯示指令，根據從所述狀態信息中提取出的裝置狀態信息向浴室顯示面板發送浴室顯示指令；

答疑顯示面板根據答疑顯示指令通過不同顏色的指示燈顯示所述人員狀態；

浴室顯示面板根據浴室顯示指令通過不同顏色的指示燈顯示所述裝置狀態。

優選地，所述人員狀態包括空閒狀態、忙碌狀態和離開狀態。

優選地，所述答疑顯示面板包括答疑顯示終端，其中，所述答疑顯示終端的數量為多個且分布在不同的教室中，答疑顯示終端同步顯示人員狀態信息；

所述浴室顯示面板包括浴室顯示終端，其中，所述浴室顯示終端的數量為多個且分布在不同的寢室中，浴室顯示終端同步顯示裝置狀態信息。

優選地，具體為：

人員狀態為空閒狀態時，答疑顯示面板顯示的信號燈的顏色為綠色；人員狀態為忙碌狀態時，答疑顯示面板顯示信號燈的顏色為白色；人員狀態為離開狀態時，答疑顯示面板顯示信號燈的顏色為紅色；

手機app以短距離無線通信方式連接控制模塊時，能夠向控制模塊發送的人員狀態信息包括空閒狀態和忙碌狀態；

手機app中斷連接控制模塊時，向控制模塊發送的人員狀態信息對應離開狀態。

優選地，所述控制模塊包括浴室自動控燈模塊，具體為：通過紅外傳感器感測浴室是否有人；

若有，則通過光線傳感器檢測環境亮度，若亮度小於等於亮度閾值，則浴室燈供電，若亮度大於亮度閾值，則浴室燈不供電；

若無，則浴室燈不供電。

優選地，所述控制模塊包括溼度傳感器感測模塊，具體為：通過溼度傳感器感測判斷溼度；

若溼度小於等於溼度閾值，則不啟動排風扇；

若溼度大於溼度閾值，則啟動排風扇。

優選地，所述裝置狀態包括開啟狀態和關閉狀態，所述裝置狀態的初始狀態為開啟狀態。

優選地，所述控制模塊還包括定時器，其中，所述定時器用於設定對應於浴室顯示指令的指示燈顯示狀態的持續顯示時間。

優選地，所述手機app能夠設定一個或多個時間段中的人員狀態信息。

優選地，所述短距離無線通信方式包括藍牙方式或wifi方式；

所述控制裝置包括單片機；

所述狀態信息的編碼語言包括ascii碼。

與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：

1、本發明性能穩定、成本較低；

2、結合有線傳輸與藍牙無線傳輸，實現了多平臺間的數據傳送；

3、充分利用了學校資源；提高了浴室利用率和校園答疑率。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯：

圖1為基於app與單片機的師生答疑及浴室信息實時共享系統模塊圖；

圖2為師生答疑預定功能搭建圖；

圖3為浴室預定功能搭建圖；

圖4為人體紅外感應模塊感應範圍圖；

圖5為人體距離人體紅外感應模塊1m時的電平反饋圖；

圖6為浴室門栓電鍵原理圖；

圖7為單片機程序圖；

圖8為師生答疑系統運行流程圖；

圖9為師生系統搭建結構圖；

圖10-13為手機app界面變化圖；

圖14為ascii碼字節傳送示意圖；

圖15為藍牙模塊與單片機串行通信原理圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。

如圖1所示，根據本發明提供的一種基於app與單片機的師生答疑及浴室信息實時共享系統，其特徵在於，包括：包括答疑顯示面板、浴室顯示面板、控制模塊和手機app；其中：手機app以短距離無線通信方式向控制模塊發送狀態信息，所述狀態信息包括人員狀態信息和裝置狀態信息；控制模塊接收所述狀態信息，根據從所述狀態信息中提取出的人員狀態信息向答疑顯示面板發送答疑顯示指令，根據從所述狀態信息中提取出的裝置狀態信息向浴室顯示面板發送浴室顯示指令；答疑顯示面板根據答疑顯示指令通過不同顏色的指示燈顯示所述人員狀態；浴室顯示面板根據浴室顯示指令通過不同顏色的指示燈顯示所述裝置狀態。

具體地，所述人員狀態包括空閒狀態、忙碌狀態和離開狀態。

更為詳細地，所述答疑顯示面板包括答疑顯示終端，其中，所述答疑顯示終端的數量為多個且分布在不同的教室中，答疑顯示終端同步顯示人員狀態信息；所述浴室顯示面板包括浴室顯示終端，其中，所述浴室顯示終端的數量為多個且分布在不同的寢室中，浴室顯示終端同步顯示裝置狀態信息。

具體的，人員狀態為空閒狀態時，答疑顯示面板顯示的信號燈的顏色為綠色；人員狀態為忙碌狀態時，答疑顯示面板顯示信號燈的顏色為白色；人員狀態為離開狀態時，答疑顯示面板顯示信號燈的顏色為紅色；手機app以短距離無線通信方式連接控制模塊時，能夠向控制模塊發送的人員狀態信息包括空閒狀態和忙碌狀態；手機app中斷連接控制模塊時，向控制模塊發送的人員狀態信息對應離開狀態。

進一步地，所述控制模塊包括浴室自動控燈模塊，具體為：通過紅外傳感器感測浴室是否有人；若有，則通過光線傳感器檢測環境亮度，若亮度小於等於亮度閾值，則浴室燈供電，若亮度大於亮度閾值，則浴室燈不供電；若無，則浴室燈不供電。

具體地，所述控制模塊包括溼度傳感器感測模塊，具體為：通過溼度傳感器感測判斷溼度；若溼度小於等於溼度閾值，則不啟動排風扇；若溼度大於溼度閾值，則啟動排風扇。

進一步地，所述裝置狀態包括開啟狀態和關閉狀態，所述裝置狀態的初始狀態為開啟狀態；所述控制模塊還包括定時器，其中，所述定時器用於設定對應於浴室顯示指令的指示燈顯示狀態的持續顯示時間；所述手機app能夠設定一個或多個時間段中的人員狀態信息；所述短距離無線通信方式包括藍牙方式或wifi方式；所述控制裝置包括單片機；所述狀態信息的編碼語言包括ascii碼。

接下來，對本發明進行更為詳細的說明。具體實現方法上，在與答疑顯示面板相關的師生答疑系統中，教師的空閒時間及其他信息需要通過終端設備進行輸入，終端設備例如為手機app，相比起統一放置上位機進行輸入，利用教師身邊的智能設備可以更加便利、減少成本。所以我們設計以android智慧型手機作為平臺收集教師可供答疑時間。由於藍牙的覆蓋範圍為10m左右，其基本可以覆蓋一間辦公室的大小，我們設計採用藍牙將手機端輸入的狀態信息傳輸到辦公室中的上位機進行處理，該上位機可以作為控制模塊。一般辦公室與教室的距離較遠，超出了藍牙的傳輸範圍，我們設計採用有線傳輸的方式將信息傳輸到教室屏幕顯示，至此可以初步搭建其基於android進行輸入的信息傳輸網絡，如下圖2所示。

一方面，將浴室空位情況實時反饋到每一間寢室的浴室顯示面板中，使浴室的可用狀態作為裝置狀態更為直觀地告知給學生，是否有浴室可用一目了然，使得學生不必再在浴室中長時間等候、也不必來回往返查看是否有空浴室。

另一方面，考慮到不同宿舍的兩人可能同時看到浴室顯示面板上餘下的同一間空浴室，兩人同時前往引發不便，需設計在浴室顯示面板上的短時預定按鍵來控制計時器。當出現空浴室時使學生可以通過按鍵選定接下去一小段時間內浴室的使用權，避免幾人爭搶同一間浴室。使得浴室一旦一人使用完畢，可以馬上確定下一人使用，不會出現長時間閒置的情況。

具體實現上，本發明通過傳感器等方式檢測每一間浴室，由單片機判斷浴室使用狀態，在寢室中放置浴室顯示面板，由單片機控制顯示出「可用」與「不可用」兩種狀態，做到浴室的可用狀態的實時反饋。同時，在浴室顯示面板下方放置多個獨立按鍵，獨立按鍵電連接浴室顯示面板，獨立按鍵可根據需要擴展，適應浴室數量需求。按下獨立按鍵後被選定浴室顯示為「不可用」的狀態，其餘所有寢室中也同步顯示，馬上確定好了該浴室的下一個使用者，避免了多人爭搶一間浴室的情況。若一小段時間後被選定的浴室仍無人進入，則顯示為正常的可用狀態，這一部分大致的系統搭建如圖3所示。

通過在浴室門栓加裝撥動開關，浴室線路連接至單片機引腳，門栓的位置變化會引起單片機引腳電平的高低變化。

在寢室中安裝顯示控制面板，在控制面板下部安裝紅綠雙色led分別對應顯示各浴室可用狀態，同時在浴室中安裝與浴室顯示面板同步的顯示面板，與單片機引腳相連，與寢室中的浴室顯示面板上的紅色led同步顯示。

對於師生答疑系統，我們通過atmega128單片機配合lcd1602作為教室中的答疑顯示面板，其portc引腳與辦公室中的atmega128單片機有線連接。採用安卓智能機作為信息輸入設備，安卓智能機與配有cc2541晶片的藍牙模塊進行無線數據傳輸。藍牙模塊輸出引腳與atmega128單片機int0中斷口相連，實現串行通信。

在浴室空位系統及師生答疑系統中，我們採用avrmega128單片機進行控制顯示，採用以高級程序設計語言basic為手段的avr單片機開發平臺——bascom-avr平臺進行程序編寫。由於vb的易用性和直觀性，我們採用其作為編寫平臺。該平臺針對單片機的特點，擴展了專門面向各種通用接口且功能強大的語句，使設計人員可以在半個小時內完成一個功能模塊的設計編程和調試。在師生答疑系統的藍牙模塊中，我們採用主機運行android作業系統，利用androidstudio做上位開發平臺，採用手機app進行操作，由手機app向藍牙從機進行通信，再通過藍牙模塊連接單片機將接收到的信息進行編碼傳送。我們設計這款androidapp採用的androidstudio平臺是一個android集成開發工具，基於intellijidea，類似eclipseadt，androidstudio提供了集成的android開發工具用於開發和調試，而androidapp廣泛地在我們的生活中使用，這也是我們選擇這一主機載體的原因。目前選擇android平臺，很大程度是由於其開放性和易用性，考慮到ios平臺也有很高的市場佔有率，會在後期加入ios版本的app。

如圖4所示，浴室自動控燈模塊包括人體紅外感應模塊，所述人體紅外感應模塊的感應角度為小於100度的錐角。在搭建的模型中，該模塊距離浴室頂部距離、距離到浴室單側水平距離以及與浴室形成角度均符合浴室安裝條件。

如圖5所示，將人體紅外感應模塊的輸出信號接至單片機引腳，低電平表示傳感器未被觸發，高電平表示傳感器被觸發，當有人體在其前方1m處活動時，經測試，可以得到隨時間變化的電平變化圖。但是由於其最短2.5s延時保護和最短5s延時高電平輸出的特性，使得單片機獲得的裝置狀態信息具有一定的滯後性。

綜合而言，使用人體紅外感應模塊進行空位檢測，其本身靈敏度很高，其感應範圍在3m至7m間，滿足單間浴室環境的檢測範圍，但有以下的不足：

1、為保證不受其他浴室影響，需安裝於浴間中央並與兩側形成夾角大於等於100度，否則可能會探測到其他相鄰浴間，造成誤判，故其在浴室安裝位置有一定要求，部分天花板較高的浴室安裝可能受限。

2、由於其延時保護與延時高電平輸出特性帶來的信息滯後，需要以較長時間低電平輸出作為判定浴室無人的條件，造成檢測效率較為低下，無法做到非常及時地檢測有無人使用。

如圖6所示，本發明考慮浴室門栓電鍵的檢測方案，即通過浴室門栓是否閉合來判斷有無人使用。將浴室門栓外側與撥位開關固定，撥位開關接線至單片機portf引腳，當浴室門栓打開時撥位開關屬於on狀態，portf引腳上測得低電平；當浴室門栓關閉時撥位開關屬於off狀態，portf引腳上測得高電平。

採用電鍵檢測的方式，由於沒有傳感器的複雜內部電路，其更為穩定可靠，門栓的開合狀況實時通過高低電平反饋給單片機，不會出現信息延遲的問題。對於中小型浴室，單片機引腳數目也基本可以滿足要求。

我們採用atmega128單片機作為控制核心，將門栓檢測、led、按鍵與單片機引腳相接，依次對門栓狀態、按鍵狀態、及倒計時時間進行判斷，並控制寢室中的浴室顯示面板以及在浴室中與寢室中的浴室顯示面板對應的顯示面板的led燈的顯示，具體流程如圖7所示。

針對師生答疑容易錯過的情況，我們採用android智能機作為主機，基於androidstudio進行軟體開發，使用藍牙模塊透傳uart類向藍牙從機進行通信，單片機解析藍牙從機信號後，根據身份信息將信息分配傳送到各下位機，由下位機存儲後控制顯示器顯示。

如圖8所示：教師打開app界面後，選擇「connect」鍵與藍牙模塊進行連接。在android手機與藍牙模塊成功連接後，手機app上各按鍵解凍，教師可以輸入信息。選擇「send」鍵後android上的button消息經藍牙模塊無線鏈路傳送到了藍牙從機。

藍牙從機接收到信號後，再由其一根io腳傳送到上位單片機的中斷腳。由於是一根io腳傳送，且上位單片機的工作電壓(5v)和藍牙從機電壓(3.3v)存在壓差，我們利用一個三極體做了電壓的轉換，同時將8位ascii碼採用脈寬方式進行了編碼傳送，傳送六個字節數據給辦公室中上位單片機。

上位單片機由下降沿電平觸發中斷，開始接收信號，對成功的信號在其主程序中進行分辨和處理，根據獲得的八位數值大小進行判斷處理，根據從數據中查找出該老師所教班級，向指定班級中的下位單片機發送信息。

下位單片機將收到的信息放入數組，解析後獲取身份碼、開始小時數、開始分鐘數、結束小時數、結束分鐘數和教師忙碌狀態等信息，並在lcd端進行顯示。

如圖9所示，本系統的輸入端分散在各安卓設備上，各自以utf-8編碼、通過ble-1.3.2協議發送輸入的信息到每間教師辦公室內的藍牙模塊，再由每間辦公室內的上位機解析藍牙模塊的信息，根據發出信息的老師所教的班級，只向該班級的下位機發送信息，下位機接收到信息後控制1602顯示屏進行顯示。

信息輸入口有多個，為各老師的安卓設備。從手機app發出的信息在藍牙模塊處進行匯總，並存儲於上位機中，並由上位機分配信息到各個教室的下位機，由其單獨處理顯示。

整體上採用「分—總—分」的結構，以辦公室為單位進行信息的匯總，使得信息的輸入更為便捷，信息的傳輸更為高效。

如圖10-圖13，手機app基於androidstudio設計，起始階段在通過connect鍵連接成功後各按鍵由不可用狀態轉為可用狀態，開始輸入可接受答疑時間。預約時間精確到每分鐘，在界面中設置兩個可以自由滾動的timepicker時間收集插件獲取(輸入時間範圍為8:00至22:59)，「確定」鍵按下後獲取timepicker的當前小時、分鐘進行編碼並調用藍牙發送程序，經過編碼後發送至藍牙模塊。在藍牙連接界面可以選擇連接對象。

為防誤操作，在手機app界面左下角設置「撤銷」鍵，觸發後發送單獨命令(兩個字節：身份碼+126)，以相同路徑傳送信號至下位機，根據身份碼清除下位機中該老師的當日選定的時間。

教師的忙碌狀態也會影響到師生答疑的質量，一些臨時的工作也可能打斷原來的進程，將教師的忙碌狀態實時反饋到教室，有利於學生更好地選擇答疑。故在手機app界面下方設置「空閒」、「忙碌」按鍵，觸發後單獨發送命令(兩個字節：身份碼+123或124)以傳輸老師當前狀態。最終手機端信息都傳送到藍牙模塊，當藍牙模塊成功收到信息後給出「dook」語句反饋給使用者。

對各設備端的信息傳送的研究

由於本系統傳送的信息量並不大，故採用八位ascii碼進行編碼傳送，每次傳送6個字節數據。由於ascii碼總共有128種，其中有一部分是控制命令，而手機端無法發送控制命令，只能發送字符，故我們對餘下字符進行分配、規定含義。

手機端按鍵觸發後尋找對應字符，以utf-8編碼(其編碼中的第一個字節與ascii兼容)，發送六個字節數據，依次分別為：身份碼、開始小時數、開始分鐘數、結束小時數、結束分鐘數、結束標誌，單獨指令發送兩個字節數據：身份碼、命令碼(圖3-14第二行)。藍牙模塊中的cc2541晶片將收到的八位ascii碼以脈寬方式進行編碼傳送。由高低電平變化表示「0」與「1」，傳送一個字節數據，一次總共發送6個字節數據給辦公室內的上位單片機。

上位單片機將依次收到的字節根據身份碼放入對應數組，根據老師所教的班級連接到對應教室中的下位單片機。單片機間使用並行通信傳輸六個字節數據，即身份碼、開始小時數、開始分鐘數、結束小時數、結束分鐘數、結束標誌，也可單獨傳送兩個字節的控制命令，即身份碼、命令碼。下位單片機接收到後尋找身份碼對應的老師的學科，顯示學科、起止時間與忙碌狀態於1602lcd顯示屏。

單片機與藍牙模塊通信規則的制定

藍牙模塊接收到信息後需要將信息再傳送給atmega128單片機，由於我們沒有藍牙模塊與atmega128單片機通信的現成方案，設計將藍牙模塊一個輸出口連接至單片機中斷口進行串行通信，制定相關通信規則。

atmega128單片機的中斷口為pd.0-pd.3口。cc2541晶片根據ble－1.3.2協議棧接收經utf-8編碼的字符，接收完單個字符後向次字符的ascii編碼向atmega128傳送。我們定義先由10000微妙的低電平變化進行同步，再以1000微秒高電平與400微秒低電平表示1，1000微秒低高電平與400微秒高電平表示0，傳送一個字節數據，如圖15所示。單片機由下降沿電平觸發進入中斷程序，完成同步後接收到dsp數據，將收到的六個數據放入對應數組。由於藍牙模塊接收手機信號並輸出信號給單片機處理期間存在較長延遲，經測試後確定每個字節間的發送間隔為兩秒左右可以避免數據缺失。

關於校園師生答疑的控制方案的探究

最初採用按鍵配合傳感器的設計，利用傳感器判斷教師是否在辦公室內並反饋給教室，按鍵選擇當前是否有空閒接受答疑。但傳感器特性受限無法準確判斷人體在此位置上，並且容易誤判，按鍵只能判斷老師目前是否有空，而不能達到預定的目的，專門建設顯示器與按鍵相配的預定平臺又過於不便。

因此，本發明將人們日常使用的智慧型手機作為操作平臺，採用手機app進行控制，在日常使用中就像使用其他手機app一樣簡單方便。藍牙的有效距離足夠老師在辦公室及其周圍走動時，也能有效地傳輸信息給藍牙模塊與單片機，不再被「定死」在桌子的控制器上，更為人性化。

關於藍牙模塊與單片機通信丟失數據的探究

在實際測試中，我們發現如果將6個字節的數據一起發送，單片機只能接收到第一個字節而丟失其餘五個字節，手機端到單片機的發送接收中實際存在一定的延遲，每個字節之間的發送時間間隔若太短會造成丟失數據的情況。

在本發明中，我們在每兩個字節間加入一定時間的延遲來保證數據的穩定傳輸，並在滿足穩定傳輸的要求下尋找儘可能短的延時時間，對此進行了實驗。

經過實驗測試，我們發現設置2000毫秒左右的延遲可以基本保證數據的完整接收，低於這個時間有較高丟失數據的可能，高於這個時間會造成時間沒必要的浪費。

本發明基於單片機、安卓平臺與藍牙通信技術建立校園信息實時共享系統，結合在不同場景下校園資源的需求和限制條件，從系統的穩定性、易用性和有效性等進行試驗。針對不同感測方式對浴室資源是否可用的探測效果、單片機與藍牙模塊間的數據傳輸的穩定性、校內信息共享網絡的合理設計等具體的方面進行實驗、研究，建立了一套較為可靠、價格較低廉的信息共享系統。應用類似物聯網的思想，將傳感器與安卓設備作為校園信息輸入的平臺，針對校園不同的傳輸距離的要求，將有線傳輸與藍牙無線傳輸相結合，實現了多平臺間的數據傳送，並根據不同需求條件設計探索了與之對應的信息顯示方式，同時最大程度實現人性化的操作，達到了較好的信息共享的效果。本課題以在校園師生答疑信息及浴室空位信息共享中的應用為例說明了基於單片機、安卓平臺與藍牙通信技術進行校內資源的信息實時共享是可行的。

以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變化或修改，這並不影響本發明的實質內容。在不衝突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特徵可以任意相互組合。