摘要：为了能实时监测教室人数，便当各大高校的日常教育及办理活动，提出了一种依据蓝牙4.0技能、用于计算教室人数的智能体系。本体系以依据蓝牙低功耗技能的CC2540射频单片机为中心，经过操控红外光电传感器和温湿度传感器进行数据的收集，并经过WiFi模块将收集到的数据传输给长途上位机、手机等终端设备，也可以经过WiFi模块查询教室的信息。实践测验成果表明，该规划可靠性高、功耗低、准确度高，可广泛运用于各大高校的日常教育活动中。
关键词：蓝牙4.0;CC2540;WiFi;低功耗
导言
智能人数计算、环境监测等体系，一直以来备受无线通讯及电子职业的高度重视，并被广泛运用于机场、车站、剧院等人流量较大且空间有限的环境资源中。教室作为现在大学生最为了解的学习场所，其环境的好坏直接关系到学生的学习功率。教室人数计算体系作为出勤率计算的辅佐体系，一方面，服务于教师，使教师能将精力集中于教育活动而非出勤率考量活动(点名或报到);另一方面，便于校园教师办理部门实时取得教室运用率等信息的传递与反应，然后合理安排教室资源，一起也有助于同学快速了解教室运用情况。
蓝牙无线技能是运用范围广泛的全球短距离无线规范之一，蓝牙技能联盟(SIG)于2010年7月发布了蓝牙4.0版别中心规范，自此蓝牙迈入了4.0年代。蓝牙4.0规范的中心是低功耗技能，即蓝牙4.0BLE。该技能最大特色是具有超低的运转功耗和待机功耗，蓝牙低功耗设备运用一粒扣子电池便可以继续作业数年之久。一起，该设备可以运用于对本钱和功耗都有严格要求的无线计划，并广泛运用于医疗保健、体育健身、家庭文娱、传感器物联网等很多范畴。
因而，本文规划了一种依据最新蓝牙4.0技能的教室人数计算体系，比较于已有的人数计算体系，具有低本钱、低功耗和更好的通用功用，扩展了无线传感器网络在智能手机、平板电脑等移动终端上的运用，具有很高的实用价值和参阅价值。
1 体系架构
体系首要由CC2540射频单片机、液晶显现器、红外光电传感器、温湿度传感器及WiFi模块组成，分为教室前门和后门两个子体系，其间，前门蓝牙模块作为主节点(Central)，而后门蓝牙模块作为从节点(Peripheral)。与后门体系比较，前门体系多了一个WiFi模块，其首要效果是为手机终端和上位机供给衔接。体系组成框图如图1所示。
前后门子体系的温湿度传感器和光电传感器担任收集教室的温湿度、人数信息，前门(后门)子体系将收集到的数据经过蓝牙4.0协议发送到后门(前门)子体系，接收到的数据将经过液晶显现器显现在门口，也可以经过WiFi发送给上位机监控终端和手机终端。
2 体系的硬件规划
2.1 处理器单元
主控单元以CC2540射频单片机为中心，CC2540是TI公司推出的集成了2.4 GHz射频收发器、彻底兼容8051内核的无线射频单片机，它与蓝牙低功耗协议栈一起构成高性价比、低功耗的片上体系(SoC)解决计划，十分合适蓝牙低功耗运用。它也包含了丰厚的硬件资源，包含21个通用I/O口、8通道12位ADC、3个通用定时器、2个串口、5通道DMA，支撑SPI、USB等。
CC2540外围电路简略，外接几个阻容器材构成的滤波电路和PCB天线即可完成网络节点的构建。CC2540最小体系首要由32 MHz片外晶振、32 kHz睡觉晶振、复位电路、+5 V电源及去耦电容、射频阻抗匹配电路及单极性PCB天线组成。假如芯片不需求休眠，32kHz晶振可以不用。 CC2540芯片外部接口电路如图2所示。
其间，L1为磁珠，型号为BLM15HG102SN1D，其在100 MHz时，阻抗为1 kΩ。
2.2 WiFi模块
人数计算模块与服务器端经过WiFi模块完成数据传输，一般校园内的无线网络都运用WiFi掩盖并且会掩盖每一个教室，为了节省本钱，可以合理运用现有的资源，完成每个数据计算模块与服务器之间的无线通讯。
WiFi模块选用的芯片是海凌科电子推出的低本钱模块HLK—RM04，该模块是依据通用串行接口的契合网络规范的嵌入式模块，内置TCP/ IP协议栈，可以完成用户串口、以太网、无线网(WiFi)3个接口之间的转化。经过HLK—RM04模块，传统的串口设备在不需求更改任何装备的情况下，即可经过Internet网络传输自己的数据。HLK—RM04模块经过串口与CC2540相连。
2.3 传感器模块
温湿度传感器选用瑞士Scnsirion公司推出的一款数字温湿度传感器芯片SHT11。其首要特色如下：将温度感测、湿度感测、信号改换、A/D转化和加热器等功用集成到一个芯片上;供给二线数字符串行接口，接口简略、传输可靠性高、丈量精度可编程调理、丈量精确度高、封装尺度超小，丈量和通讯完毕后，主动转入低功耗形式。将其数据线接口外接上拉电阻，电源与地之间加上100nF去耦%&&&&&%，CC2540就可以用它来收集温湿度信息。
光电传感器选用的是上海泰武电器有限公司型号为E3F-DS304C的光电传感器，其自身现已将放大器LM324、电阻等外围器材集成在该模块内，并引出三根线，分别是地线、数据线和电源线。只要将数据线直接接在CC2540的外部中止接口并接好电源和地线，就可以完成计数的功用。在前后门体系各装两个光电传感器，并排架起，一前一后。
3 体系的软件规划
体系软件规划是依据蓝牙4.0BLE协议，在蓝牙4.0BLE协议栈根底上构建节点运用程序，完成蓝牙设备的互联以及无线数据的发送。此协议栈不只彻底支撑CC2540芯片的单模形式，并且还具有结构简略、明晰、兼容性高以及可以免费下载等长处，极大地节省了体系开发的本钱。
协议栈代码以C言语为根底，具有很强的易读性，开发人员只需求修正部分代码便能完成相应的特定功用，节省了软件开发的时刻及本钱。协议栈的完成方法选用分层的思维，从下到上总共分了8层，分别为物理层、链路层、操控接口层、逻辑链路操控及自适应协议层、安全办理层、特色协议层、通用拜访装备文件层 (GAP)、通用特色装备文件层(GATT)，把握与运用严密相关层(GAP和GATT)就可以满意大部分规划需求。
在运用BLE协议栈进行运用程序开发进程中，开发者不用关怀BLE协议栈的详细细节，但要求其对BLE协议栈的根本构成和内部作业原理有个明晰的知道。关于蓝牙4.0协议栈的内容可以看相关参阅文献作进一步的了解。
软件的规划首要包含3部分：一是温湿度和人数数据的收集与处理，二是无线数据的收发，三是上位机与手机终端的规划。
3.1 温湿度和人数数据的收集与处理
温湿度传感器SHT11是I2C总线接口，由于CC2540没有I2C总线接口(CC2541有I2C总线接口)，因而选用模仿I2C总线进行数据的读写，SHT 11的驱动程序需求参阅SHT11的数据手册，这儿不再胪陈。而关于进出人数的判别，首要是运用进出门时两个光电传感器所发生的信号次序进行判别。比方，前门体系放着的两个光电传感器分别为A和B，当人走进教室时，A先发生信号，B后发生信号，此刻判别有一个人进了教室;而当人走出教室时，B先发生信号，A后发生信号，此刻判别有一个人出了教室。人数收集流程如图3所示。
3.2 无线数据的收发
蓝牙节点组网中，只能存在一个主节点和单个或许多个从节点，从节点是宣布信号者，主节点是扫描且建议衔接者。当从节点宣布广告信号(包含设备地址和设备称号之类的附加信息)，主节点收到此广告信号后，向从节点宣布扫描恳求，当从节点回应扫描时，就完成了设备发现进程。接着主节点向从节点宣布衔接恳求(包含衔接时隙、从节点待机次数、衔接超时值)，从节点回应衔接，自此主从节点建立了衔接。
蓝牙从节点与主节点间的数据传输可以分为主节点向从节点读写和从节点向主节点发送数据两种。当主节点向从节点读写数据时，主节点会调用GATT_WriteCharValue或许GATT_ReadCharValue和从节点进行通讯。
而当从节点向主节点发送数据时，从节点需求经过notify的方法，也便是经过调用GATT_Notification建议和主节点的通讯。在本规划中，前门体系经过调用GATT_WriteCharValue将收集到的数据传输给后门体系，后门体系经过调用GATT_Notification将收集到的数据传输给前门体系，保证了人数计算的准确性。
在CC2540的规划运用中，低功耗是尤为重要的内容，为充分发挥其效果，一起运用人员进出教室韶光电传感器数据接口发生中止信号的特色，在没有人员进出教室时，蓝牙节点将处于深度睡觉状况(功耗最低，只能经过复位或许中止唤醒)，而当教室有人员进出时，马上唤醒节点进行数据的收集与传输。
3.3 上位机与手机终端的规划
由操控体系发生的教室人数、教室温湿度等数据经过WiFi模块传给上位机监控端，这样有利于办理人员对教室的办理。当教室没有人时，办理员可以第一时刻知道，去关掉灯以节省能源。本次规划的上位机选用JAVA规划而成，首要是选用Swing东西完成用户操作界面，结合SQL数据库技能完成数据的存储和长途数据的拜访。上位机与人数据计算模块之间选用JAVA自带的Socket中的UDP协议完成相互之间的通讯。上位机与手机终端之间经过 HTTP的POST方法完成全网内的无线通讯。上位机界面如图4所示。
手机终端APP程序规划是运用Myeclipse2014开发环境，在程序中经过JDBC长途拜访服务器端的SQL数据库。用户仅需输入所要查询的教室编号，点击查询按钮便可取得实时的教室信息，并将查询成果显现鄙人面的TextView中。查询的成果包含教室是否有课、教室的人数和教室的气温。手机终端的安卓界面如图5所示。
结语
教室作为一个与学生休戚相关的环境资源，舒适、闲适的学习环境可以极大地进步学习功率以及学习积极性。但在现阶段，大多数校园面临着教室资源的缺少，其间很大一部分原因并非教室数量缺少，而是由于缺少实时数据反应而导致资源的不均衡运用以及校园对教室资源办理不能进行实时的调控。
本文依据蓝牙4.0规范规范，提出了一种低功耗、高可靠性的教室人数计算智能体系，其运用蓝牙4.0协议进行无线数据的传输，并经过WiFi模块完成蓝牙无线网络与以太网之间的互连。
该体系能将收集到的教室内的实时人数和温湿度信息等用液晶屏幕显现出来，一起，经过WiFi模块将收集到的数据传输给长途的上位机，手机等终端设备也可以经过该模块查询教室信息。
该体系的完成和推行既便当了学生，又为教育办理供给了便当。但由于种种原因，此体系还存在一些缺少，比方，现在只要安卓体系的客户端可以查询教室信息，其运用和推行还有很大约束，期望未来可以在如iOS体系等客户端上进行数据查询。
