基于APP与单片机的师生答疑及浴室信息实时共享系统的制作方法

本发明涉及信息共享领域，具体地，涉及一种基于app与单片机的师生答疑及浴室信息实时共享系统。

背景技术：

随着物联网的发展，智能校园已成为校园信息化发展的重要组成部分。目前国内智能校园系统还不是很成熟，校园资源有限而师生数量在逐年递增，由于校内信息的不畅通导致了资源的利用率不高。由于校园内信息传递不畅仅仅在师生答疑及日常洗浴中就引起了许多不便。学生一般无法知道教师是否在办公室，从而常常导致学生找老师问问题、处理班务，而老师不在的情况。同时，由于住宿学生洗浴时间集中，他们需要长时间在浴室等候空的洗澡间，或者不断出入浴室查看是否有空洗澡间，洗浴非常不便。这些问题出现频繁，且都是由于“资源是否可用”这条信息无法及时地传递给学生而导致的。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于app与单片机的师生答疑及浴室信息实时共享系统。

根据本发明提供的一种基于app与单片机的师生答疑及浴室信息实时共享系统，其特征在于，包括：包括答疑显示面板、浴室显示面板、控制模块和手机app；其中：

手机app以短距离无线通信方式向控制模块发送状态信息，所述状态信息包括人员状态信息和装置状态信息；

控制模块接收所述状态信息，根据从所述状态信息中提取出的人员状态信息向答疑显示面板发送答疑显示指令，根据从所述状态信息中提取出的装置状态信息向浴室显示面板发送浴室显示指令；

答疑显示面板根据答疑显示指令通过不同颜色的指示灯显示所述人员状态；

浴室显示面板根据浴室显示指令通过不同颜色的指示灯显示所述装置状态。

优选地，所述人员状态包括空闲状态、忙碌状态和离开状态。

优选地，所述答疑显示面板包括答疑显示终端，其中，所述答疑显示终端的数量为多个且分布在不同的教室中，答疑显示终端同步显示人员状态信息；

所述浴室显示面板包括浴室显示终端，其中，所述浴室显示终端的数量为多个且分布在不同的寝室中，浴室显示终端同步显示装置状态信息。

优选地，具体为：

人员状态为空闲状态时，答疑显示面板显示的信号灯的颜色为绿色；人员状态为忙碌状态时，答疑显示面板显示信号灯的颜色为白色；人员状态为离开状态时，答疑显示面板显示信号灯的颜色为红色；

手机app以短距离无线通信方式连接控制模块时，能够向控制模块发送的人员状态信息包括空闲状态和忙碌状态；

手机app中断连接控制模块时，向控制模块发送的人员状态信息对应离开状态。

优选地，所述控制模块包括浴室自动控灯模块，具体为：通过红外传感器感测浴室是否有人；

若有，则通过光线传感器检测环境亮度，若亮度小于等于亮度阈值，则浴室灯供电，若亮度大于亮度阈值，则浴室灯不供电；

若无，则浴室灯不供电。

优选地，所述控制模块包括湿度传感器感测模块，具体为：通过湿度传感器感测判断湿度；

若湿度小于等于湿度阈值，则不启动排风扇；

若湿度大于湿度阈值，则启动排风扇。

优选地，所述装置状态包括开启状态和关闭状态，所述装置状态的初始状态为开启状态。

优选地，所述控制模块还包括定时器，其中，所述定时器用于设定对应于浴室显示指令的指示灯显示状态的持续显示时间。

优选地，所述手机app能够设定一个或多个时间段中的人员状态信息。

优选地，所述短距离无线通信方式包括蓝牙方式或wifi方式；

所述控制装置包括单片机；

所述状态信息的编码语言包括ascii码。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明性能稳定、成本较低；

2、结合有线传输与蓝牙无线传输，实现了多平台间的数据传送；

3、充分利用了学校资源；提高了浴室利用率和校园答疑率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为基于app与单片机的师生答疑及浴室信息实时共享系统模块图；

图2为师生答疑预定功能搭建图；

图3为浴室预定功能搭建图；

图4为人体红外感应模块感应范围图；

图5为人体距离人体红外感应模块1m时的电平反馈图；

图6为浴室门栓电键原理图；

图7为单片机程序图；

图8为师生答疑系统运行流程图；

图9为师生系统搭建结构图；

图10-13为手机app界面变化图；

图14为ascii码字节传送示意图；

图15为蓝牙模块与单片机串行通信原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，根据本发明提供的一种基于app与单片机的师生答疑及浴室信息实时共享系统，其特征在于，包括：包括答疑显示面板、浴室显示面板、控制模块和手机app；其中：手机app以短距离无线通信方式向控制模块发送状态信息，所述状态信息包括人员状态信息和装置状态信息；控制模块接收所述状态信息，根据从所述状态信息中提取出的人员状态信息向答疑显示面板发送答疑显示指令，根据从所述状态信息中提取出的装置状态信息向浴室显示面板发送浴室显示指令；答疑显示面板根据答疑显示指令通过不同颜色的指示灯显示所述人员状态；浴室显示面板根据浴室显示指令通过不同颜色的指示灯显示所述装置状态。

具体地，所述人员状态包括空闲状态、忙碌状态和离开状态。

更为详细地，所述答疑显示面板包括答疑显示终端，其中，所述答疑显示终端的数量为多个且分布在不同的教室中，答疑显示终端同步显示人员状态信息；所述浴室显示面板包括浴室显示终端，其中，所述浴室显示终端的数量为多个且分布在不同的寝室中，浴室显示终端同步显示装置状态信息。

具体的，人员状态为空闲状态时，答疑显示面板显示的信号灯的颜色为绿色；人员状态为忙碌状态时，答疑显示面板显示信号灯的颜色为白色；人员状态为离开状态时，答疑显示面板显示信号灯的颜色为红色；手机app以短距离无线通信方式连接控制模块时，能够向控制模块发送的人员状态信息包括空闲状态和忙碌状态；手机app中断连接控制模块时，向控制模块发送的人员状态信息对应离开状态。

进一步地，所述控制模块包括浴室自动控灯模块，具体为：通过红外传感器感测浴室是否有人；若有，则通过光线传感器检测环境亮度，若亮度小于等于亮度阈值，则浴室灯供电，若亮度大于亮度阈值，则浴室灯不供电；若无，则浴室灯不供电。

具体地，所述控制模块包括湿度传感器感测模块，具体为：通过湿度传感器感测判断湿度；若湿度小于等于湿度阈值，则不启动排风扇；若湿度大于湿度阈值，则启动排风扇。

进一步地，所述装置状态包括开启状态和关闭状态，所述装置状态的初始状态为开启状态；所述控制模块还包括定时器，其中，所述定时器用于设定对应于浴室显示指令的指示灯显示状态的持续显示时间；所述手机app能够设定一个或多个时间段中的人员状态信息；所述短距离无线通信方式包括蓝牙方式或wifi方式；所述控制装置包括单片机；所述状态信息的编码语言包括ascii码。

接下来，对本发明进行更为详细的说明。具体实现方法上，在与答疑显示面板相关的师生答疑系统中，教师的空闲时间及其他信息需要通过终端设备进行输入，终端设备例如为手机app，相比起统一放置上位机进行输入，利用教师身边的智能设备可以更加便利、减少成本。所以我们设计以android智能手机作为平台收集教师可供答疑时间。由于蓝牙的覆盖范围为10m左右，其基本可以覆盖一间办公室的大小，我们设计采用蓝牙将手机端输入的状态信息传输到办公室中的上位机进行处理，该上位机可以作为控制模块。一般办公室与教室的距离较远，超出了蓝牙的传输范围，我们设计采用有线传输的方式将信息传输到教室屏幕显示，至此可以初步搭建其基于android进行输入的信息传输网络，如下图2所示。

一方面，将浴室空位情况实时反馈到每一间寝室的浴室显示面板中，使浴室的可用状态作为装置状态更为直观地告知给学生，是否有浴室可用一目了然，使得学生不必再在浴室中长时间等候、也不必来回往返查看是否有空浴室。

另一方面，考虑到不同宿舍的两人可能同时看到浴室显示面板上余下的同一间空浴室，两人同时前往引发不便，需设计在浴室显示面板上的短时预定按键来控制计时器。当出现空浴室时使学生可以通过按键选定接下去一小段时间内浴室的使用权，避免几人争抢同一间浴室。使得浴室一旦一人使用完毕，可以马上确定下一人使用，不会出现长时间闲置的情况。

具体实现上，本发明通过传感器等方式检测每一间浴室，由单片机判断浴室使用状态，在寝室中放置浴室显示面板，由单片机控制显示出“可用”与“不可用”两种状态，做到浴室的可用状态的实时反馈。同时，在浴室显示面板下方放置多个独立按键，独立按键电连接浴室显示面板，独立按键可根据需要扩展，适应浴室数量需求。按下独立按键后被选定浴室显示为“不可用”的状态，其余所有寝室中也同步显示，马上确定好了该浴室的下一个使用者，避免了多人争抢一间浴室的情况。若一小段时间后被选定的浴室仍无人进入，则显示为正常的可用状态，这一部分大致的系统搭建如图3所示。

通过在浴室门栓加装拨动开关，浴室线路连接至单片机引脚，门栓的位置变化会引起单片机引脚电平的高低变化。

在寝室中安装显示控制面板，在控制面板下部安装红绿双色led分别对应显示各浴室可用状态，同时在浴室中安装与浴室显示面板同步的显示面板，与单片机引脚相连，与寝室中的浴室显示面板上的红色led同步显示。

对于师生答疑系统，我们通过atmega128单片机配合lcd1602作为教室中的答疑显示面板，其portc引脚与办公室中的atmega128单片机有线连接。采用安卓智能机作为信息输入设备，安卓智能机与配有cc2541芯片的蓝牙模块进行无线数据传输。蓝牙模块输出引脚与atmega128单片机int0中断口相连，实现串行通信。

在浴室空位系统及师生答疑系统中，我们采用avrmega128单片机进行控制显示，采用以高级程序设计语言basic为手段的avr单片机开发平台——bascom-avr平台进行程序编写。由于vb的易用性和直观性，我们采用其作为编写平台。该平台针对单片机的特点，扩展了专门面向各种通用接口且功能强大的语句，使设计人员可以在半个小时内完成一个功能模块的设计编程和调试。在师生答疑系统的蓝牙模块中，我们采用主机运行android操作系统，利用androidstudio做上位开发平台，采用手机app进行操作，由手机app向蓝牙从机进行通信，再通过蓝牙模块连接单片机将接收到的信息进行编码传送。我们设计这款androidapp采用的androidstudio平台是一个android集成开发工具，基于intellijidea，类似eclipseadt，androidstudio提供了集成的android开发工具用于开发和调试，而androidapp广泛地在我们的生活中使用，这也是我们选择这一主机载体的原因。目前选择android平台，很大程度是由于其开放性和易用性，考虑到ios平台也有很高的市场占有率，会在后期加入ios版本的app。

如图4所示，浴室自动控灯模块包括人体红外感应模块，所述人体红外感应模块的感应角度为小于100度的锥角。在搭建的模型中，该模块距离浴室顶部距离、距离到浴室单侧水平距离以及与浴室形成角度均符合浴室安装条件。

如图5所示，将人体红外感应模块的输出信号接至单片机引脚，低电平表示传感器未被触发，高电平表示传感器被触发，当有人体在其前方1m处活动时，经测试，可以得到随时间变化的电平变化图。但是由于其最短2.5s延时保护和最短5s延时高电平输出的特性，使得单片机获得的装置状态信息具有一定的滞后性。

综合而言，使用人体红外感应模块进行空位检测，其本身灵敏度很高，其感应范围在3m至7m间，满足单间浴室环境的检测范围，但有以下的不足：

1、为保证不受其他浴室影响，需安装于浴间中央并与两侧形成夹角大于等于100度，否则可能会探测到其他相邻浴间，造成误判，故其在浴室安装位置有一定要求，部分天花板较高的浴室安装可能受限。

2、由于其延时保护与延时高电平输出特性带来的信息滞后，需要以较长时间低电平输出作为判定浴室无人的条件，造成检测效率较为低下，无法做到非常及时地检测有无人使用。

如图6所示，本发明考虑浴室门栓电键的检测方案，即通过浴室门栓是否闭合来判断有无人使用。将浴室门栓外侧与拨位开关固定，拨位开关接线至单片机portf引脚，当浴室门栓打开时拨位开关属于on状态，portf引脚上测得低电平；当浴室门栓关闭时拨位开关属于off状态，portf引脚上测得高电平。

采用电键检测的方式，由于没有传感器的复杂内部电路，其更为稳定可靠，门栓的开合状况实时通过高低电平反馈给单片机，不会出现信息延迟的问题。对于中小型浴室，单片机引脚数目也基本可以满足要求。

我们采用atmega128单片机作为控制核心，将门栓检测、led、按键与单片机引脚相接，依次对门栓状态、按键状态、及倒计时时间进行判断，并控制寝室中的浴室显示面板以及在浴室中与寝室中的浴室显示面板对应的显示面板的led灯的显示，具体流程如图7所示。

针对师生答疑容易错过的情况，我们采用android智能机作为主机，基于androidstudio进行软件开发，使用蓝牙模块透传uart类向蓝牙从机进行通信，单片机解析蓝牙从机信号后，根据身份信息将信息分配传送到各下位机，由下位机存储后控制显示器显示。

如图8所示：教师打开app界面后，选择“connect”键与蓝牙模块进行连接。在android手机与蓝牙模块成功连接后，手机app上各按键解冻，教师可以输入信息。选择“send”键后android上的button消息经蓝牙模块无线链路传送到了蓝牙从机。

蓝牙从机接收到信号后，再由其一根io脚传送到上位单片机的中断脚。由于是一根io脚传送，且上位单片机的工作电压(5v)和蓝牙从机电压(3.3v)存在压差，我们利用一个三极管做了电压的转换，同时将8位ascii码采用脉宽方式进行了编码传送，传送六个字节数据给办公室中上位单片机。

上位单片机由下降沿电平触发中断，开始接收信号，对成功的信号在其主程序中进行分辨和处理，根据获得的八位数值大小进行判断处理，根据从数据中查找出该老师所教班级，向指定班级中的下位单片机发送信息。

下位单片机将收到的信息放入数组，解析后获取身份码、开始小时数、开始分钟数、结束小时数、结束分钟数和教师忙碌状态等信息，并在lcd端进行显示。

如图9所示，本系统的输入端分散在各安卓设备上，各自以utf-8编码、通过ble-1.3.2协议发送输入的信息到每间教师办公室内的蓝牙模块，再由每间办公室内的上位机解析蓝牙模块的信息，根据发出信息的老师所教的班级，只向该班级的下位机发送信息，下位机接收到信息后控制1602显示屏进行显示。

信息输入口有多个，为各老师的安卓设备。从手机app发出的信息在蓝牙模块处进行汇总，并存储于上位机中，并由上位机分配信息到各个教室的下位机，由其单独处理显示。

整体上采用“分—总—分”的结构，以办公室为单位进行信息的汇总，使得信息的输入更为便捷，信息的传输更为高效。

如图10-图13，手机app基于androidstudio设计，起始阶段在通过connect键连接成功后各按键由不可用状态转为可用状态，开始输入可接受答疑时间。预约时间精确到每分钟，在界面中设置两个可以自由滚动的timepicker时间收集插件获取(输入时间范围为8:00至22:59)，“确定”键按下后获取timepicker的当前小时、分钟进行编码并调用蓝牙发送程序，经过编码后发送至蓝牙模块。在蓝牙连接界面可以选择连接对象。

为防误操作，在手机app界面左下角设置“撤销”键，触发后发送单独命令(两个字节：身份码+126)，以相同路径传送信号至下位机，根据身份码清除下位机中该老师的当日选定的时间。

教师的忙碌状态也会影响到师生答疑的质量，一些临时的工作也可能打断原来的进程，将教师的忙碌状态实时反馈到教室，有利于学生更好地选择答疑。故在手机app界面下方设置“空闲”、“忙碌”按键，触发后单独发送命令(两个字节：身份码+123或124)以传输老师当前状态。最终手机端信息都传送到蓝牙模块，当蓝牙模块成功收到信息后给出“dook”语句反馈给使用者。

对各设备端的信息传送的研究

由于本系统传送的信息量并不大，故采用八位ascii码进行编码传送，每次传送6个字节数据。由于ascii码总共有128种，其中有一部分是控制命令，而手机端无法发送控制命令，只能发送字符，故我们对余下字符进行分配、规定含义。

手机端按键触发后寻找对应字符，以utf-8编码(其编码中的第一个字节与ascii兼容)，发送六个字节数据，依次分别为：身份码、开始小时数、开始分钟数、结束小时数、结束分钟数、结束标志，单独指令发送两个字节数据：身份码、命令码(图3-14第二行)。蓝牙模块中的cc2541芯片将收到的八位ascii码以脉宽方式进行编码传送。由高低电平变化表示“0”与“1”，传送一个字节数据，一次总共发送6个字节数据给办公室内的上位单片机。

上位单片机将依次收到的字节根据身份码放入对应数组，根据老师所教的班级连接到对应教室中的下位单片机。单片机间使用并行通信传输六个字节数据，即身份码、开始小时数、开始分钟数、结束小时数、结束分钟数、结束标志，也可单独传送两个字节的控制命令，即身份码、命令码。下位单片机接收到后寻找身份码对应的老师的学科，显示学科、起止时间与忙碌状态于1602lcd显示屏。

单片机与蓝牙模块通信规则的制定

蓝牙模块接收到信息后需要将信息再传送给atmega128单片机，由于我们没有蓝牙模块与atmega128单片机通信的现成方案，设计将蓝牙模块一个输出口连接至单片机中断口进行串行通信，制定相关通信规则。

atmega128单片机的中断口为pd.0-pd.3口。cc2541芯片根据ble－1.3.2协议栈接收经utf-8编码的字符，接收完单个字符后向次字符的ascii编码向atmega128传送。我们定义先由10000微妙的低电平变化进行同步，再以1000微秒高电平与400微秒低电平表示1，1000微秒低高电平与400微秒高电平表示0，传送一个字节数据，如图15所示。单片机由下降沿电平触发进入中断程序，完成同步后接收到dsp数据，将收到的六个数据放入对应数组。由于蓝牙模块接收手机信号并输出信号给单片机处理期间存在较长延迟，经测试后确定每个字节间的发送间隔为两秒左右可以避免数据缺失。

关于校园师生答疑的控制方案的探究

最初采用按键配合传感器的设计，利用传感器判断教师是否在办公室内并反馈给教室，按键选择当前是否有空闲接受答疑。但传感器特性受限无法准确判断人体在此位置上，并且容易误判，按键只能判断老师目前是否有空，而不能达到预定的目的，专门建设显示器与按键相配的预定平台又过于不便。

因此，本发明将人们日常使用的智能手机作为操作平台，采用手机app进行控制，在日常使用中就像使用其他手机app一样简单方便。蓝牙的有效距离足够老师在办公室及其周围走动时，也能有效地传输信息给蓝牙模块与单片机，不再被“定死”在桌子的控制器上，更为人性化。

关于蓝牙模块与单片机通信丢失数据的探究

在实际测试中，我们发现如果将6个字节的数据一起发送，单片机只能接收到第一个字节而丢失其余五个字节，手机端到单片机的发送接收中实际存在一定的延迟，每个字节之间的发送时间间隔若太短会造成丢失数据的情况。

在本发明中，我们在每两个字节间加入一定时间的延迟来保证数据的稳定传输，并在满足稳定传输的要求下寻找尽可能短的延时时间，对此进行了实验。

经过实验测试，我们发现设置2000毫秒左右的延迟可以基本保证数据的完整接收，低于这个时间有较高丢失数据的可能，高于这个时间会造成时间没必要的浪费。

本发明基于单片机、安卓平台与蓝牙通信技术建立校园信息实时共享系统，结合在不同场景下校园资源的需求和限制条件，从系统的稳定性、易用性和有效性等进行试验。针对不同感测方式对浴室资源是否可用的探测效果、单片机与蓝牙模块间的数据传输的稳定性、校内信息共享网络的合理设计等具体的方面进行实验、研究，建立了一套较为可靠、价格较低廉的信息共享系统。应用类似物联网的思想，将传感器与安卓设备作为校园信息输入的平台，针对校园不同的传输距离的要求，将有线传输与蓝牙无线传输相结合，实现了多平台间的数据传送，并根据不同需求条件设计探索了与之对应的信息显示方式，同时最大程度实现人性化的操作，达到了较好的信息共享的效果。本课题以在校园师生答疑信息及浴室空位信息共享中的应用为例说明了基于单片机、安卓平台与蓝牙通信技术进行校内资源的信息实时共享是可行的。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。