基于北斗定位系统的自习室座位索引系统研究

陶帅++刘瑞++邹精龙++刘洪成

文章编号：2095-6835（2016）17-0010-03

摘 要：自习室座位索引系统应用了北斗导航定位系统，并与PLC电路、程序编程相结合。该系统由五大模块组成，各个模块分别实现不同的功能，以满足学生的需求，可以使学生们在寻找自习室座位时更加快速、便捷，并减少对学生学习的影响，符合物联网人性化的发展理念。

关键词：北斗定位系统；自习室；座位索引系统；物联网

中图分类号：TN967.1 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.17.010

1 背景和意义

随着我国教育水平的提高，本科生和研究生不断地扩招，使得校园学生人数总量在不断提升，因此，人均校园资源占有量在下降，并且校园扩建速度远低于扩招速度，校园基础设施面临的形势越来越严峻。

图书馆、自习室等自习座位紧张状况尤为突出。调查显示，有些学生可能要花30 min左右来寻找自习座位。这无疑给学生带来了麻烦，并造成时间的浪费。每当期末考试、考研前，我们会发现有很多同学在教学楼中寻找自习座位，即使一间教室已经满员，也会有学生进入其中寻找座位，学生在自习室开关门、走动势必会影响自习室内正在学习的同学，并且也浪费了搜索座位的学生的时间。当然，自习室存在空位使得校园资源得不到合理的利用。这将严重浪费校园资源。

另外，随着物联网时代的到来，校园设施必定要跟上时代发展的潮流，如何使校园自习室座位管理更加人性化，已经成为了高校发展的一个热门话题。本文将基于北斗导航定位系统对上述问题提出解决方案。

2 设计方案原理

2.1 系统设计方案

基于北斗导航定位系统的自习室座位索引系统设计原理如图1所示。该系统由触发模块、定位模块、延时模块、坐标比较模块、人机交互模块等几部分组成。

该系统的特点及创新之处在于：①使用了北斗定位仪。该

系统将北斗导航定位仪应用于创新方案中，极大地简化了系统结构，使得安装更加方便，为用户使用提供了便利。②应用了PLC技术。该系统应用PLC技术进行延时模块的设计。PLC技术的应用使得系统结构紧凑，程序设计简洁，开发成本降低，并且无论是在未来的市场，还是在现在的市场，PLC元件都是易获得元件。③应用了坐标比较系统。该系统采用计算机高级语言设计来判断座位坐标是否在教室内，使得程序更易被理解。④具备人机交互界面。学生可以通过手机、平板、电脑等终端查看教室座位的空余情况。

2.2 系统工作流程

基于北斗导航定位系统的自习室座位索引系统工作流程如图2所示。

该系统的工作流程为：①学生在找到自习室座位后，坐下并触发开关，使得北斗导航芯片电源接通；②北斗导航芯片电源接通后，开始接收北斗卫星发射出的信号，经过处理，得到芯片所在位置的（x，y，z）三维坐标；③通过坐标比较系统，

将芯片所在的位置坐标与教室4个角落的坐标作比较，以此判断坐标是否在教室内；④考虑到学生上厕所、活动等因素，该方案设计了延时系统来满足学生们必要的活动需求；⑤考虑到精度问题，目前人机交互能够做到的是判断某个教室是否“满员”，在将来，随着精度的提高，人机交互模块能够将教室座位空余分布图展示在平板、电脑、手机等终端设备上。

2.3 模块分析

2.3.1 触发模块

触发模块采用压力元件触发形式。触发元件类似于开关，但又不同于普通开关，需要根据不同的座椅选择不同的触发元件。当座椅结构如图3所示时，所需开关为图4所示的摇杆式开关；当座椅形式为图5所示的结构时，所需开关为图6所示的直动式开关。触发元件采用的是开关结构，使得方案设计灵活、简便。

2.3.2 定位模块

北斗定位系统由空间段、地面段和用户段3部分组成。为保证满足精度的要求，北斗定位系统在全球任意地方将能够接收到4颗卫星信号。随着北斗科技的发展，精度在不断提高，米级、亚米级、厘米级已经逐渐出现在公众的视野内。相信在不久的将来，低成本、高精度的北斗定位系统将会用于民用领域。

本方案定位模块采用北斗定位仪。北斗定位仪在定位中只接收北斗卫星发射的信号，经过处理，得到定位仪所在的三维坐标（x，y，z）。

2.3.3 延时模块

延时模块是考虑到学生们上厕所、外出活动等必要的课余时间而设计的。延时模块采用PLC电路设计。PLC具有功能强大、可靠性强等诸多优点。另外，其结构紧凑，易于集成化。

延时模块的电气原理如图7所示。首先，当某个学生坐在座位上时，触发常开闭合开关SB。图7中，KT为断电延时性时间继电器，KT触点为常开闭合触点。当SB闭合时，KT继电器和KM接触器通电，KT触点与KM触点闭合。其中，KM触点控制北斗定位仪的开关。当KM触点闭合后，北斗定位仪接通电源。本方案为学生们设计了10 min的正常活动时间。当学生起身后，SB触点打开。此时，KT继电器结束通电。由于KT为断电延时性继电器，所以KT触点将在10 min后断开。换句话说，KM会在SB触点打开后继续闭合10 min。当学生在10 min内回到自己座位上时，SB触点重新闭合，继续接通KT继电器和KM接触器；当学生结束学习不再回到座位时，10 min后，KM触点自动断开，北斗导航定位仪被关闭。

在本方案所设计的PLC梯形图、语句表和时序图中，相关的时序图可帮助理解。断电延时定时器TOF的分辨率100 ms，定时时间10 min，PLC梯形图和语句表如图8所示。此程序所涉及的PLC程序短、结构简单。

图8 PLC梯形图和语句表

在图9所示的PLC时序图当中，A段是由于学生上厕所或其他事情起身造成的。这一段小于10 min，在相关的事情做完后，学生又重新坐回原先座位，系统重新通电。图9中的B段是由于该学生的离开而造成的现象，而C段则是之后的另外一个学生又重新坐在这个座位所造成的现象。

图9 PLC时序图

2.3.4 坐标比较模块

图10 教室坐标图

图10为某个教室的平面模型图。假设教室4个角落A，B，C，D的坐标分别为（Ax，Ay，z）、（Bx，By，z）、（Cx，Cy，z）、（Dx，Dy，z），教室内部任意座位E的坐标为（x，y，z）。当北斗定位仪计算出自己所在的位置后，即相当于图10中的E点（x，y，z）。此时，我们需要设计相关的程序来判断E点是否在ABCD面积之内。为了使得系统语言更容易理解，本方案采用高级语言C语言进行程序编程，通过面积计算来判断E点是否在ABCD中，即当Sabe+Sace+Scde+Sdbe=Sabcd时，E点在ABCD内。也就是说，E点所在的定位仪在此教室内。当Sabe+Sace+Scde+Sdbe>Sabcd时，E点不在ABCD内。也就是说，E点所在的定位仪不在此教室内。

坐标比较模块是整个系统的软件模块，在今后的开发过程中，将会更加注重软件的科学性，并且尽可能地使得代码更加简单。

#include

#include

int SH（double x，double y，double z）

{

double ax=0，ay=5，bx=4.8，by=1.4，cx=0，cy=-5，dx=-4.8，dy=-1.4；//假设测出的教室坐标与坐标轴不平行，且长为8 m，宽为6 m//且教室高度都为3.3 m，此教室位于二楼

double Ax，Ay，Bx，By，Cx，Cy，Dx，Dy，S，AE，BE，CE，sin，cos，DE，SABE，SBCE，SCDE，SDAE；

Ax=ax-x，Ay=ay-y，Bx=bx-x，By=by-y，Cx=cx-x，Cy=cy-y，Dx=dx-x，Dy=dy-y；

AE=sqrt（Ax*Ax+Ay*Ay），BE=sqrt（Bx*Bx+By*By），CE=sqrt（Cx*Cx+Cy*Cy），DE=sqrt（Dx*Dx+Dy*Dy）；

if （AE！=0&&BE！=0）

{

cos=（Ax*Bx+Ay*By）/AE/BE；

sin=sqrt（1-cos*cos）；

SABE=0.5*AE*BE*sin；

}

else SABE=0；//输入坐标为E点，计算三角形ABE面积

if （BE！=0&&CE！=0）

{

cos=（Bx*Cx+By*Cy）/BE/CE；

sin=sqrt（1-cos*cos）；

SBCE=0.5*BE*CE*sin；

}

else SBCE=0；//计算三角形BCE面积

if （CE！=0&&DE！=0）

{

cos=（Cx*Dx+Cy*Dy）/CE/DE；

sin=sqrt（1-cos*cos）；

SCDE=0.5*CE*DE*sin；

}

else SCDE=0；//计算三角形CDE面积

if （DE！=0&&AE！=0）

{

cos=（Dx*Ax+Dy*Ay）/DE/AE；

sin=sqrt（1-cos*cos）；

SDAE=0.5*DE*AE*sin；

}

else SDAE=0；//计算三角形DAE面积

S=SABE+SBCE+SCDE+SDAE；

if （S>48||z<3.3||z>=6.6） return 0；//三角形面积总和比教室面积大或z坐标不在教室内，返回0

else return 1；//否则返回1

}

void main（）

{

double x，y，z；

int in；

printf（"请输入坐标： "）；

scanf（"%lf，%lf，%lf"，&x，&y，&z）；

in=SH（x，y，z）；

if （in==1）

printf（"在此教室内＼n" ）；

else

printf "不在此教室内＼n"）；

}

2.3.5 人机交互模块

简单来说，人机交互就是人与机器之间可以交流，比如人类看到手机屏幕上的各种信息。

考虑到北斗定位精度问题，本方案所设计的人机交互模块分为以下2种：①当前，由于民用北斗定位系统精度远没达到厘米级水平，并且北斗定位仪的成本很高，所以我们能够做到的是查看教室内的座位是否坐满。我们在教室中心处只安装一个北斗导航仪，如图11所示的O点位置。当座位全部坐满时，北斗定位仪才被接通电源，并得到定位坐标。此时，通过坐标比较系统判断哪个教室已经满员，否则该教室仍有空余位置，学生仍可进入学习。②随着科学技术的发展，我们相信高精度、低成本的北斗定位系统在不远的将来会为大众服务。当北斗定位仪精度提高到厘米级时，本方案便能够将教室内空余的位置显示在移动终端上。如图12所示，教室每个座位上都安装有该系统。当一些座位被学生所用时（如图中黑点所示），在移动终端屏幕上便显示此部分变暗，只有亮着的位置才是学生可利用的位置。

3 发展前景

随着北斗卫星导航系统和物联网科技的发展，人们正在寻找一种更加人性化、智能化的发展模式，使得科技能够更好地服务于人类。而随着“中国精度”的出现，北斗导航系统的精度可达亚米级，甚至厘米级。可见，在不久的将来，自习室索引系统能够将每个座位的使用情况反映在移动终端设备上。这将使得教室座位得到更加合理的利用。

基于北斗定位系统的自习室座位索引系统将有效地节省了学生们的时间，提高了他们的自习效率，将促进校园学习氛围变得更加浓厚，对整个大学校园的学术研究将产生巨大的作用。

4 总结

经过查询大量文献，并结合切身体验，本小组提出了一种基于北斗导航定位系统的自习室座位索引系统。将北斗导航系统应用于本方案，并经过不断的改进，使得系统更加完善。北斗导航定位系统作为我国自主知识研发的定位系统，必将为人类带来巨大的效益。自习室座位索引系统的研制成功符合社会未来的发展潮流，能够使科技更好地服务于人类，使得学生们的学习和生活更加智能化，且符合物联网的发展潮流，将为学生们带来福音。

参考文献

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[5]杨明朗，王红.人机交互界面设计中的感性分析[J].包装工程，2007，28（11）：11-13.

〔编辑：刘晓芳〕