室内人数统计与能源优化系统设计1

赵鑫 1，林梦洁 2

1.中国矿业大学 信息与控制工程学院，徐州 221116 2. 中国矿业大学 信息与控制工程学院

摘要：为解决高校课堂实时考勤和教室电力能源浪费问题，提出了一种室内人数实时统计与能源优化系统解决方案。本系统检测部分基于双路双频红外通信技术实现人数实时统计。控制台以基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103C8T6微控器为处理核心，通过nRF24L01与检测装置组网，实现多路数据检测与处理；将电气设备入网，并与室内人数关联，达到对电气设备的自动控制，最大化节约电力能源。控制台与上位机采用WiFi通信，上位机可远程查看数据和控制设备；通过邮箱预警功能，可在人员受限的场所人数达到阈值前采取限流措施，符合当今疫情防控需求。通过实际测试，该系统各项指标均满足设计需求，能很好应用于高校教学和管理中。

关键词：双路双频红外通信；STM32F103C8T6；nRF24L01；多路检测；自动控制；WiFi通信；邮箱预警

中图分类号：TP274 文献标识码：A

Indoor Population Statistics and Energy

Optimization System Design

Zhao Xin¹，Lin Mengjie²

（1. School of Information and Control Engineering, China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116,China

2. School of Information and Control Engineering, China University of Mining and Technology）

Abstract:In order to solve the problems of real-time attendance and waste of classroom power and energy, a solution of real-time indoor population statistics and energy optimization system is proposed. The detection part of the system is based on the principle of dual channel dual frequency infrared communication to realize real-time statistics of the number of people. STM32F103C8T6 microcontroller based on arm Cortex-M3 core is used as the processing core of the console. Through nRF24L01 and detection device networking, multi-channel data detection and processing are realized; the state of electrical equipment is associated with the number of people in the room to achieve automatic control of electrical equipment and maximize power and energy saving. WiFi communication is adopted between the console and the upper computer, which can be viewed and controlled remotely; through the mailbox early warning function, current limiting measures can be taken before the number of people in places with limited personnel reaches the threshold, which meets the needs of current epidemic prevention and control. Through the actual test, all the indexes of the system meet the design requirements, and can be well applied in the teaching and management of colleges and universities.

Keywords: Dual Channel Dual Frequency Infrared Communication; STM32F103C8T6; nRF24L01; Multiplex Detection ;Automatic Control; WiFi Communication; Email Alert

引言

高校教学多采用大班式教学，在考查出勤率时，有传统的点数统计、刷学生卡签到、人脸识别检测和现如今流行的扫码签到等解决方案。其中，点数统计费时费力，降低了课堂效率^[1]；刷校园卡和扫码签到会出现“一人多刷”和“一人多扫”的情况，使得出勤率的可靠度缩减；人脸识别对设备和系统的要求过高，且不可控因素过多，也难以普及开来。同时，为避免签到后就离开的情况发生，对室内人数的实时统计也尤为重要。除了人数统计问题外，“人走灯未灭”等现象造成的教室电力能源浪费问题也是现如今高校较为普遍的^[2]。

基于实时人数统计和避免教室能源浪费两大难题，本文将二者紧密结合，设计了一套室内人数实时统计与能源优化系统，通过双路双频红外通信技术自动统计室内人数情况，并依据室内人数情况自动控制电气设备状态。较于已有的人数检测方案，本系统将人数检测与实际能源问题相关联，在便利实时考勤，提高课堂效率的同时，最大化节约电力能源，具有较高的现实意义。

1总体功能与系统结构

1.1总体功能

本系统主要包括室内人数实时统计和电气设备自动控制两大功能。具体可以实现室内人数和电气设备状态的本地和远程监测；当室内无人时可以自动关断相关电气设备，也可以通过上位机远程手动控制电气设备的关断；上位机支持导出报表，便于数据存档和后期处理；通过邮箱预警功能，可在人员受限的场所人数达到阈值前采取限流措施，符合当今疫情防控需求。

1.2系统结构

根据系统功能要求，本系统分为人数检测平台、控制平台和上位机平台3部分实现。系统结构框图如图1所示：检测平台采用AT89C51微控制器处理数据，采用双路双频红外通信技术实现人数统计，通过nRF24L01组网通信，可实现多路数据检测。控制平台基于ARM Cortex-M3内核，以实现人数、电气设备状态等多路数据的收发与控制，并在内置LCD屏幕显示；内置温湿度检测，可以实时监控室内温度与湿度；控制台通过WiFi模块与上位机平台通信。上位机平台基于G(图形化)语言开发，可以远程查看和控制室内人数情况、电气设备状态等，具有邮箱预警、导出报表等功能。

图1 系统结构框图

2检测平台设计

2.1基本检测实现

人数检测基于双路双频红外通信原理，采用两对不同频率红外收发管实现，如图2所示。当红外对管接收端收到发送端信号时，产生上升沿信号，触发中断，根据两个接收端中断信号的时序关系，在AT89C51微控制器中做不同处理：当内部中断先于外部中断，作为进入处理；当外部中断先于内部中断，作为出来处理；当只触发其中一个中断作为误触发处理，立刻退出，不进行数据增减。

图2 双路双频红外通信示意图

2.2特殊情况处理

考虑到实际中特殊情况，做不同改进处理。对于站在门框内长时间等待情况，本文改进检测方式为释放处理：当阻挡后产生上升沿信号，此时不触发中断；当离开后，产生下降沿信号，此时才触发中断，即离开检测装置后再处理中断信号，避免进出动作未完成就执行人数增减的情况。

为了应对多出入口的室内检测情况，本文通过nRF24L01进行组网，拓展检测通道到4通道，即可以处理有4个出入口的情况，以符合更多室内场所需求。

两个红外接收管在接收各自发送端的红外信号时，由于光的散射，相互之间两组红外对管之间会发生串扰。基于此，我们采用2种改进方法，其一，展宽两组红外对管之间的距离，并在两组发射和接收管之间添加挡板，减少光的散射的影响；其二，选用两组不同收发频率的红外对管，通过实际测试，选用频率分别为38kHz和56kHz的红外对管效果最佳。

2.3与控制台通信

各检测装置通过NRF24L01组网后将数据发送至控制平台。nRF24L01使用2.4Ghz-2.5GHz的ISM免费频段，组网方便；单个nRF24L01支持6通道通信^[3]，对于不大于6个出入口的室内场所，控制台使用一块nRF24L01即可实现组网；当需要继续增加检测通道时，通过级联即可扩展更多通道。不同通道拥有不同地址，控制平台端可以据此进行区分，进而做不同处理，得到室内总人数、总进入人数和总出来人数等数据。

3控制平台设计

控制平台用于室内人数数据和电气设备状态数的收发和控制处理。其主控采用基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103C8T6控制器，通过nRF24L01实时接收来自各通道人数检测装置和电气设备的数据。对于人数数据按照通道顺序累加求和得到综合数据；对于电气设备通过读取开关状态量得到设备的工作状态，对于传统电气设备可以改装加入继电器并利用nRF24L01入网。当室内无人时，读取电气设备状态配置信息，依据配置信息执行相关设备关断操作，默认情况下关断所有电气设备，具体流程如图3所示。同时，将人数和设备状态信息在内置LCD屏幕上显示，便于本地查看。中转平台通过WiFi模块与上位机通信，本文选用ESP8266模块，其内置WiFi协议栈，支持接入多个云端平台，便于入网和后期二次开发接入云端

^[4]。

图3 电气设备状态控制流程图

4上位机平台设计

上位机平台采用G(图形化)语言开发，基于LabVIEW集成开发环境，调用内部API即可快速实现数据处理等功能^[5]。其中，收发数据采用TCP协议，以减少掉包，提高数据可靠性；邮箱预警通过SMTP邮件协议实现。通过上位机终端，可以远程查看室内人数情况和电气设备状态, 如图4所示；也可以远程手动控制电气设备的关断；在设置室内人数阈值后，当达到阈值前会有终端和邮件双提醒，提前采取相关限流措施，符合当前疫情防控需求；支持导出报表，便于存档和后期数据处理。

图4 上位机人数监控图

结语

针对高校实时考勤和教室能源浪费问题，本文基于双路双频红外通信原理实现人数自动实时统计，并将室内人数与电气设备相关联，达到对电气设备的自动控制。可以通过控制平台本地查看室内实时人数和控制电气设备状态，也可通过上位机查询和控制；通过邮箱预警，提前采取限流措施，符合当前疫情防控需求；导出报表，便于存档和后期数据分析。

该系统的实现既便利了教师的考勤，也提高了能源的最大利用化，具有较强的显示意义。但也存在一些不足，如目前只提供PC端上位机，暂无移动端上位机；将全校教室进行组网统一管理尚未实现，未来将继续进一步改进和优化系统。

参考文献

[1] 郭华.基于单片机的教室人数自动统计系统设计[J].电子技术，2016（12）：62-64.

[2] 李青柏.基于STM32的教室多功能控制系统[J].仪表技术，2018（4）：40-42.

[3] Nordic Semiconductor.nRF24L01+Product Specification v1.0[EB/OL].[2020-3-12]. https://infocenter. nordicsemi. com/i-

dex.jsp

[4] 乐鑫信息科技. ESP8266硬件设计指南[EB/OL]. [2020-3-26]. https://www.espressif.com/zh-hans/products/modules/esp-wroom-02/resources

[5] National Instruments.NI LabVIEW基本介绍[EB/OL].[2020-4-24].http://www.ni.com/gettingstarted/labvie-

wbasics/zhs/

作者简介：赵鑫(本科生)，主要研究方向为无线通信、传感器技术等。

1 基金项目：中国矿业大学本科生“非同凡想”创新基金项目(AC2019028)