基于小凌派RK2206的智教助教—智能控制教學教室的探索先鋒

本項目由閩江學院牟馮玲、王靜、張穎昊同學完成

1、項目背景

進入21世紀的第二個十年，隨著以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)為代表的新一代信息技術的日趨成熟，在教育領域，具有智慧技術、智慧應用、智慧管理等特征的智慧教室成為新的關注熱點。立足教學活動需求，提供智慧化的應用服務是智慧教室的核心使命，達成最優(yōu)化的教學效果是智慧教室的終極目標。運用智慧技術，提供智慧服務，實現(xiàn)智慧管理是智慧教室區(qū)別于以往多媒體教室和網(wǎng)絡化教室的主要特征。

“智慧教室”是數(shù)字化校園建設的一部分，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生學習情況，并進行針對性指導。“智慧教室”運用現(xiàn)代化手段切入整個教學過程，讓課堂變得簡單、高效、智能，有助于開發(fā)學生自主思考與學習能力。智慧教室行業(yè)是指從事智慧教室相關性質(zhì)的生產(chǎn)、服務的單位或個體的組織結構體系的總稱。深刻認知智慧教室行業(yè)定義，對預測并引導智慧教室行業(yè)前景，指導行業(yè)投資方向至關重要。現(xiàn)行的教學過程中，傳統(tǒng)的簽到環(huán)節(jié)存在諸多問題。傳統(tǒng)的教學方式已經(jīng)不適應現(xiàn)代化教學的需要，基于物聯(lián)網(wǎng)技術集智慧教學、人員考勤、環(huán)境智慧調(diào)節(jié)、遠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)代化教學手段，給教育行業(yè)帶來了新的機遇。

2、項目簡介

2.1項目描述

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刷卡實現(xiàn)開關；教室的窗戶可根據(jù)是否下雨自動控制開與關；教室的窗簾可由遙控控制開與關。同時學生可根據(jù)自身的學生卡打卡上課，智慧教室進行語音播報，方便了老師考勤；教室外部有一塊大屏實時顯示時間、課程、授課老師、課程時間、學生考勤情況、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，為學生安全提供保障。與此同時室內(nèi)的燈、風扇也是智能可控的，可根據(jù)外部環(huán)境的光照強度來決定每盞燈的亮滅；可根據(jù)溫度的值控制風扇的開關。此外，我們在室內(nèi)安裝一個紅外遙控驅動模塊以及實時時鐘模塊，給老師佩戴遙控卡與以上所有模塊均可實現(xiàn)互聯(lián)；例如可控制燈的亮滅、門的開關、窗的開關、風扇的開關、窗簾的開關等功能。

2.2功能說明

教室內(nèi)安裝有各類傳感器可以實時采集室內(nèi)的數(shù)據(jù)，主要包括光照強度、溫濕度、有毒氣體檢測、火源檢測。

室外配有語音播報模塊，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時上課信息。

智慧教室以紅外收發(fā)模塊為基礎，老師可通過紅外遙控來控制教室內(nèi)的部分參數(shù)。

2.3系統(tǒng)功能模塊劃分

智慧教室分為以下四個大類模塊：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。

2.4項目成果展示

智慧教室系統(tǒng)模型實物

教室外部TFT屏數(shù)據(jù)展示

3、硬件方案

3.1 硬件總體框架

3.2 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、麥克風接口、E53 接口（包含 UART、 I2C、ADC、DAC、PWM、5 個 GPIO）。一根TypeC USB線，即可實現(xiàn)供電、下載等功能。一根TypeC USB線，可支持串口調(diào)試功能。

3.3 NFC刷卡模塊

MFRC522是應用于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、感應天線組成，芯片及天線無任何外露部分。卡片在一定距離范圍(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。

3.4溫濕度傳感器

DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，內(nèi)部由一個 8 位單片機控制一個電阻式感濕元件和一個 NTC 測溫元件。DHT11采用單總線協(xié)議，支持2.4V供電。

3.5 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。

3.6 舵機

舵機模塊采用SG90舵機，用以模擬開關門與開關窗。該模塊支持5V或者3.3V供電。

3.7 火焰?zhèn)鞲衅?/strong>

火焰?zhèn)鞲衅鬏敵鲂问綌?shù)字開關量輸出（0 和 1） 檢測到火焰或光源引腳輸出1，否則輸出0。

3.8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，當接

收到38Khz的PWM 時，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，當捕獲到一個 9ms 低電平 + 4.5ms 高電平時，即收到一個引導碼。

3.9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。

3.10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在潔凈空氣中電導率低，傳感器的電導率隨著空氣中CO氣體濃度增加而增大。最后使用簡單的電路將電導率的變化轉換為跟氣體濃度相關的輸出信號。

3.11供電模塊

TPS5430是一款輸出電流可達3A連續(xù)(4A峰值)的PWM轉換器，開關頻率500kHz，轉換效率最佳狀態(tài)理論值可達95%(實際測試確實達不到這個狀態(tài))，內(nèi)部集成的N溝道MOSFET導通電阻值僅為110mΩ。內(nèi)含一個電壓誤差放大器，可在瞬態(tài)條件下提供嚴格的電壓調(diào)節(jié)精度；一個欠壓鎖定電路，保證輸入電壓低于5.5V時芯片不會啟動工作。輸入電壓范圍6V~36V，輸出電壓理論最低可到1.23V，具有過流及熱關斷保護功能。

4、軟件方案

4.1軟件整體框圖

在該項目中，我們將軟件整體設計分成應用層，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門禁裝置來實現(xiàn)對老師信息的錄入和讀取以及學生考勤，紅外遙控裝置實現(xiàn)控制教室功能從而使教學效率提高，采用syn6288語音裝置實現(xiàn)對老師刷卡是否可以通過進行判斷以及學生考勤，接口層使用驅動（I2C，GPIO,UART），內(nèi)核層為：Lite os -M內(nèi)核，從而完成軟件整體設計。

4.2 教室功能設計

通過RC522模塊實現(xiàn)門禁考勤一體化，使用紅外驅動模塊，電平轉換通信模塊，電機驅動模塊來實現(xiàn)遙控操作教室多個功能，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，風扇模塊實現(xiàn)室內(nèi)智能檢測，打造智能高效、富有智慧的課堂教學環(huán)境。

4.3室內(nèi)智能監(jiān)測與控制系統(tǒng)設計

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?，溫濕度傳感器?a target="_blank">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，進行實時顯示，可以在液晶屏上看到室內(nèi)的所有信息，達到室內(nèi)智能檢測的效果。當溫度或過高，風扇會自動打開，進行散熱。當檢測到下雨時，窗戶會自動打開等等

4.4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。紅外線的特點是不干擾其他電器設備工作，也不會影響周邊環(huán)境，若對發(fā)射信號進行編碼，可實現(xiàn)多路紅外遙控功能。我們用不同的編碼對應不同的功能，來實現(xiàn)用一個遙控操作整個教室的多個功能。

5、項目總結和展望

本項目設計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)項目的實用性，可在液晶顯示屏上顯示實時時鐘、溫濕度、學生考勤情況和教師上課信息情況等。

本項目研究的基于小凌派RK2206，實現(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。隨著科技進步，時代的發(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，使智慧教室成為更適應這個快節(jié)奏時代的產(chǎn)品。本項目雖然實現(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。