基于红外传感及IC卡终端的座位管理系统设计

戴舒诣，景素婷，夏佳乐，杨 越，瞿志成

(苏州大学 物理与光电·能源学部，江苏 苏州 215000)



基于红外传感及IC卡终端的座位管理系统设计

戴舒诣，景素婷，夏佳乐，杨 越，瞿志成

(苏州大学 物理与光电·能源学部，江苏 苏州 215000)

介绍了一种基于现有图书馆刷卡选座系统，由STC15系列单片机、NRF24L01型WiFi通信模块、LED 显示和HC-SR501型红外传感器实现的图书馆智能座位管理系统。其通过红外传感及时监控图书馆座位的使用情况，同时利用单片机对座位闲置时长进行计时，并对恶意占用的座位重新分配。该系统实现了图书馆座位的全智能化管理,为解决高校图书馆“座位荒”问题提供了一种新的方案。

单片机；座位管理；红外传感器；图书馆；无线通信

0 引言

随着学习节奏的不断加快，高校恶意占座现象日益加剧，尤其是在期中期末考试以及考研前期，由于占座导致的不必要冲突尤为严重。目前的座位管理系统多为刷卡选座的模式，一旦刷卡，系统就认为该座位已经有人，虽然在一定程度上实现了人座对应，但是对于恶意占座和长时间离开不刷退的现象，难以从根本上解决。

为了消除此类不文明现象，提高座位资源的利用率，给学生们提供一个良好的学习环境，本文介绍了一个基于红外传感的座位管理系统。该系统与现有刷卡系统相结合，在座位上安装一个基于红外传感器的图书馆占座监测系统终端，可有效识别座位上是否有人以及累计离开时间，并将座位状态信号发至图书馆刷卡选座系统，有效避免“人走座留”的恶意占座现象，从而保证资源得到合理的利用。

1 系统总体设计方案

由于图书馆空间大，人员流动复杂，很难对个体进行长时间、大范围、有效的监测，因此本文介绍的系统需要多个有针对性的模块结合以实现目标功能。本文预设该系统基本功能如图1所示。一旦有学生刷卡选座，相应座位上的LED灯亮，以显示座位正被使用。如果学生是恶意占座，座位在预设等待时间(预设30 min)之内无人使用，LED灯则会熄灭，同时刷卡系统迅速释放该座位，该座可被其他学生刷卡使用。如果学生在座位预留时间内使用了座位，系统中的座位则将保持被使用状态。

图1 图书馆座位管理系统功能流程图

在实际应用中，图书馆占座监测系统终端选择安装在桌子边沿底面，以此实现单个终端对单座的监测，并且不受非监测座位的影响。

2 总体硬件设计

本文介绍的图书馆座位管理系统基于现有的图书馆刷卡选座系统，由图书馆占座监测系统、通信模块几个主要部分构成。其中，图书馆占座监测系统主要由传感器模块和检测计时模块组成。

如图2所示，图书馆占座监测系统由以STC15W4 K48S4单片机为核心的检测计时模块、HC-SR501型红外传感器的传感器模块和LED组成。单片机的中断引脚与红外传感器HC-SR501连接并通过I/O口控制LED的开关。图书馆刷卡选座系统中的中心管理计算机通过搭载在单片机上的NRF24L01型WiFi模块与STC15单片机进行无线信息交互，从而实现对图书馆座位的实时管理[1]。

图2 图书馆座位管理系统总体设计框图

2.1 传感器模块

2.1.1 功能要求以及器件选型

为能精确判断图书馆座位的使用情况，本文选用传感器模块对座位上是否有人进行非接触且实时性的监测。该器件是系统的核心传感器，应根据具体使用环境和工作模式综合进行选择。首先，要保证一定的感应角度和作用距离，但又不能过大，避免路过的人引起误触发；其次，应针对人进入座位和离开座位的特殊工况；第三，应满足实际的环境温度要求。

综上所述，本文选用HC-SR501普通型人体红外感应模块。其感应角度(可调)<100°锥角，感应距离(可调)符合功能要求，在所需温度范围内都可正常工作且对人体活动感应较为灵敏。

2.1.2 工作方式

HC-SR501普通型人体红外感应模块的红外感应源通常采用热释电元件，当人进入座位或者离开座位时，传感头感应到温度变化后，会失去电荷平衡而向外释放电荷，因而在其经后续电路检测时就能产生相应的电信号。

当有人在监测范围内活动时，该模块输出引脚会产生一个上升沿跳变，并延时一定时间(延时时间通过旋钮调节可至最长时间200 s)，此后产生一个下降沿跳变，检测计时系统通过对此信号变化的识别来确定座位的使用情况[2]。

2.2 检测计时模块

2.2.1 功能要求以及器件选型

检测计时模块选用单片机作为核心部件。由于红外传感模块产生的电信号需要进行一定的处理，以实现单片机对座位使用情况的识别，因此检测计时模块需要满足以下功能要求：(1)对传感器输出信号的采集判断；(2)对人离开时间计时并进行判别；(3)对WiFi模块工作模式进行配置[2]。

基于以上要求，该系统检测计时模块核心选用STC公司的STC15W4K48S4型单片机。该单片机具有宽电压范围，不需要任何转换芯片，集成了更多SRAM(4 K)，有定时器0、定时器1、 定时器2、 定时器3和定时器4，可进行定时计时操作[3]；有SPI (可用作主模式/从模式)，能够对WiFi模块工作模式进行配置[4]。

2.2.2 工作方式

本文描述的检测计时模块的电路原理如图3所示，HC-SR501红外传感器输出引脚与单片机中断引脚P3.0脚直接相连，传感器输出的电信号由单片机检测。当座位被占，外部中断0检测到下降沿跳变，单片机进入倒计时30 min。P1.0脚接入LED电路，当座位被占，单片机驱动LED亮[5]。

图3 检测计时模块电路原理图

2.3 通信模块

图书馆占座监测系统一般与图书馆刷卡选座系统有一定距离。为实现两系统之间的信息交互以及系统实时监管座位的功能，一般选用WiFi模块或者蓝牙等无线传输通信模块。WiFi通信比蓝牙通信容量大，并且在需要较远距离的信息传输上更有优势，因此本文选择NRF24L01型WiFi模块作为通信模块。

该模块能够与各种单片机芯片连接，达成无线数据的传送工作。其电流消耗低，工作电压在1.9 V～3.6 V，有多个频道可以选择。在与单片机连接工作时，可以通过SPI总线来对单片机写入数据。在进行传输工作时，NRF24L01型WiFi模块有4种工作模式，数据发送传输率最快可达2 Mb/s，同时该模块可实现点对点的双向通信，通信距离可在300～800 m，因此该模块符合系统功能要求[6]。

本文描述系统通过SPI配置Enhanced shockurst TM收发模式。该模块在此种模式下使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，数据传输时抗干扰能力强[7]。

3 软件部分

单片机若要实现对红外传感器的控制以及计时监测功能，其需要一个稳定完善的软件编程。本文根据系统所要实现的实时监测功能和传感器与单片机相结合的硬件电路，进行了相应的软件设计，采用了汇编语言，并且经过调试运行，成功实现了预期功能。软件程序流程图如图4。

图4 软件程序流程图

图4中，传感器的信号由单片机的外部中断0接收，为了在计时期间可以重复触发中断，特别将定时程序放在中断服务程序外。其中中断服务程序的功能为重新计时。

4 图书馆占座监测系统实物与工作状态

图书馆占座监测系统实物图如图5。

图5 图书馆占座监测系统终端实物图

在图书馆真实环境中，图书馆占座监测系统主要受工作距离、感应角度、工作温度以及感应时间的影响，为对系统的稳定性做进一步评估，本文对占座监测系统终端的性能进行了一定的测试。如表1所示。

表1 图书馆占座系统终端工作性能测试表

根据表1测验结果，实际应用中图书馆占座监测系统终端能够在所要求的检测距离、感应角度以及工作温度范围内正常工作。

5 结束语

本文阐述了基于红外传感及IC卡终端的图书馆智能座位管理系统的总体设计。其采用HC-SR501普通型人体红外感应实现了对座位使用情况无接触实时监测的功能，运用STC15W4K48S4型单片机达到了对座位闲置时间的计时目的，同时使用NRF24L01型WiFi通信模块实现了图书馆刷卡选座系统与占座监测系统的信息交互。通过这些模块和元器件的结合，以及对占座监测终端的实际工作调试，证明了本文介绍的图书馆智能座位管理系统较好地完成了对座位全自动化监测和管理的功能。

[1] 周国栋,王新赤,卞树檀.基于时分多址的图书馆座位管理系统[J].电子工程师,2008,34(7):77-80.

[2] 淦元柳,宋斌,王晓飞，等.红外探测与应用分析[J]. 红外与激光工程,2007，36(S2)：62-66.

[3] 杜波.基于单片机及CAN技术的图书馆自习室座位管理系统的实现[J].情报探索,2003(3):62-63.

[4] 刘大杰,刘金鹏,孙小菡.基于单片机和红外接近开关的图书馆座位管理系统[J].电子工程师,2006,32(5)：73-75.

[5] 张俊谟.单片机中级教程(原理与应用)[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.

[6] 徐安,陈耀,李玲玲.单片机原理与应用[M].北京:北京希望电子出版社,2003.

[7] 睢丙东,魏泽鼎.单片机应用技术与实例[M].北京:电子工业出版社,2005.

Design of seat management system based on infrared sensing and IC terminal

Dai Shuyi,Jing Suting,Xia Jiale,Yang Yue,Qu Zhicheng

(College of Physics, Optoelectronics and Energy, Soochow University, Suzhou 215000, China)

A library seat intelligent management system based on library seat selection system available now is introduced, and it is realized by STC15 SCM, NRF24L01 wireless fidelity communication module, LED display and HC-SR501 infrared sensor. This system is designed to monitor the occupancy of library seats timely. Through the application of the SCM, the system records the idle time of those seats and redistributes some maliciously used seats. With this function, this system has realized the full intelligent management of the library seat, and provided a new solution for the problem of “seat shortage” in university library.

SCM; seat management; infrared sensor; library; wireless communication

TN399

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.23.029

戴舒诣，景素婷，夏佳乐，等. 基于红外传感及IC卡终端的座位管理系统设计[J].微型机与应用，2016,35(23)：100-102.

2016-08-10)

戴舒诣(1996-)，通信作者,女，本科生，主要研究方向：嵌入式系统、光电子技术、电路设计。E-mail: lwlm9010@163.com。

景素婷(1995-)，女，本科生，主要研究方向：模拟电路设计。

夏佳乐(1995-)，男，本科生，主要研究方向：嵌入式系统。