多媒体教室智能管理系统的设计与实现

摘要 针对高校多媒体教室电能浪费严重、资源利用不合理以及用电设备、教学管理不足等问题，利用恩智浦公司的Cortex M0芯片，设计了以智能网关控制器为核心的教学楼智能管理系统，实现了合理使用教室用电设备，达到了节约电能、改善教学管理的目的。
关键词 多媒体教室；智能网关控制器；智能管理系统

    随着教学方式的改进，多媒体教室将不断增多，而对于整栋教学楼或跨校区的多媒体教室管理，采用人工开关设备，是一件费时费力的工作。文中应用电子、网络、自动控制技术以及实用的软件平台，设计了一套教室自动监测与控制系统。教室智能控制系统采用无线和以太网的分布式集散控制系统实现对教室内多媒体设备、教室照明和风扇进行远程集中控制和管理，并通过网络摄像头对教室使用状态等进行监控与显示，达到教室控制智能化和节约化的目标。文中将嵌入式控制系统与网络技术结合，具体论述系统中硬软件各部分的结构功能和实现方法。

1 系统组成与工作原理
    该系统主要用于多媒体教室的管理，使各教室按课表作息时间自行打开教室多媒体设备以及电灯、风扇、摄像头等用电设备。并可在2分钟内开启教室所有的用电设备。
    文中系统采用3层硬件两级网络构成，即“教室用电设备控制单元-315／433 Mbit·s-1无线通信-无线网关控制器-以太网-中央计算机单元”。其网络拓扑结构如图1所示。

    系统总设计如图2所示。

    系统工作原理：系统第一次运行时，由中央计算机将一学期的课表信息按照约定的编码方式码，通过以太网发送到各间教室的智能网关控制器上储存，网关控制器自行读取该教室的课表信息，并执行相应的操作。将课表信息存于网关控制器，使得网关控制器运行于脱机状态，这样有利于在网络中断或者冲突的情况下，系统依然可以正常运行，同时还可避免教室较多的情况下所产生的网络拥堵。

2 系统硬件设计
2．1 智能网络控制器
    该模块的核心控制部分采用NXP公司的32位芯片CortexM0 LPC111x，可用于高集成度和低功耗的嵌入式应用。
    控制器的网络芯片选用W5100，该芯片是一款多功能的网络接口芯片，内部集成有10／100 Mbit·s-1以太网控制器，主要应用于高集成、高稳定、高性能和低成本的嵌入式系统中。W5100内部集成了全硬件、TCP／IP协议栈、以太网介质传输层(MAC)和物理层(PHY)。硬件TCP／IP协议栈支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE，这些协议已在较多领域经过了验证。内部集成还有16 kB存储器用于数据传输。使用W5100无需考虑以太网的控制，只要进行简单的端口(Socket)编程。LPC111x通过内部的SPI模块与W5100芯片进行通信。
    控制器片外Flash选用24c16，该Flash可存储2 kB的数据，LPC111x通过I2C总线对Flash进行读写，控制器的系统设计如图3所示。

2．2 教室用电设备控制单元
    主要负责完成接收来自智能网关控制器发送的无线命令，并进行解析和控制相应的继电器，以达到控制相应用电设备的目的。
    该控制单元选用的核心控制芯片是PIC16fxx，该芯片是DIP封装总共有14个引脚，控制7路继电器的开断，电源部分采用阻容降压的方式，连接220 V，通过阻容降压滤波后达到直流12 V，该电压用于驱动继电器，经稳压芯片78L05变为5 V，该电压用于PIC芯片的工作电压，电路原理图如图4所示。

3 系统软件设计
    系统软件包括运行于教室用电设备控制单元的软件，智能网关控制器的软件以及运行于中央计算机上的上位机软件。
3．1 教室用电设备控制单元的软件
    该部分软件主要完成无线信号的接收、解码以及继电器的控制。PIC16fxx初始化后，会处于检测无线信号状态，一旦检测到有无线信号，就会进行解码，得到有效的解码信息后，再打开相应的继电器。程序流程图如图5所示。

3．2 智能网关控制器的软件
    智能网关控制器软件采用无操作系统的设计，这样能快速高效地实现数据的采集、处理和传输。软件实现功能如下：
    (1)接收来自中央计算机单元的控制命令，并进行解析，将解析的命令通过无线编码发送到用电设备控制单元。
    (2)将课表信息存储于无线网关控制器中的Flash，并自行按上课时间读取课表信息，打开多媒体设备，将需要打开的用电设备命令以无线编码方式发送。
    程序流程图如图6所示。

3．3 网络群控管理中心上运行的软件
    中控机上运行的上位机软件采用VC++编写，主要完成对各间教室的网络控制器课表信息进行加载和修改，并在特殊情况下手动开关教室用电设备，软件的主界面如图7所示。

4 结束语
    多媒体教学、网络教学和远程教学发展迅速。多媒体中央控制系统利用计算机技术对多媒体电教室、会议室中的各种设备进行集中控制、管理。不仅可节省人力，也进一步挖掘多媒体教室的作用。同时该系统兼顾教室考场和安防监控，利用新技术将考场与教室以及多媒体监控管理整合，易管理、易操作、成本低。