基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教學(xué)樓電器智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李玉環(huán),秦文華,周子力,吳冬梅

(曲阜師范大學(xué) 物理工程學(xué)院,山東 曲阜　273165)

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基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教學(xué)樓電器智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李玉環(huán),秦文華,周子力,吳冬梅

(曲阜師范大學(xué) 物理工程學(xué)院,山東 曲阜273165)

摘要：針對校園用電嚴(yán)重浪費(fèi)問題，為實(shí)現(xiàn)校園節(jié)能，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和多種數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種對學(xué)校教學(xué)樓各教室內(nèi)電器集中化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的監(jiān)控系統(tǒng);該系統(tǒng)以監(jiān)控網(wǎng)關(guān)為自動(dòng)控制中心，對ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)采集的每個(gè)教室光強(qiáng)、溫度、人員活動(dòng)以及所有教室常用電器開關(guān)狀態(tài)等信息，自動(dòng)做出智能判斷并向ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端下達(dá)開關(guān)常用電器以及門窗的指令；同時(shí)，連接至校園網(wǎng)的監(jiān)控網(wǎng)關(guān)也作為服務(wù)器，采用瀏覽器/服務(wù)器和客戶端/服務(wù)器模式，在Windows客戶端、Android手機(jī)客戶端和Web瀏覽器實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程查看每個(gè)教室用電器的工作狀態(tài)，并可以遠(yuǎn)程人為干預(yù)各教室門窗和用電器的開關(guān);該系統(tǒng)不但實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程人為控制用電器，而且可根據(jù)各教室的光強(qiáng)、溫度以及人員活動(dòng)等情況，自動(dòng)智能控制每個(gè)教室內(nèi)常用電器及門窗的開關(guān);實(shí)際測試表明，該系統(tǒng)具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，大大減少了校園的能源浪費(fèi)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能教室；教學(xué)樓；監(jiān)控網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)

0引言

節(jié)能環(huán)保目前越來越受到人們的關(guān)注，而人們在節(jié)能減排之時(shí)往往忽略身邊公共場所用電器的節(jié)能，如：學(xué)校教學(xué)樓內(nèi)空調(diào)、電燈和風(fēng)扇等電器的關(guān)閉往往被人們忽視，或者教室門窗未關(guān)，而空調(diào)卻處于開啟狀態(tài)等現(xiàn)象，造成能源的極大浪費(fèi)。

假設(shè)有10座教學(xué)樓，每座教學(xué)樓有20個(gè)標(biāo)準(zhǔn)教室，每個(gè)教室有2個(gè)平均功率為3 500 W的立柜空調(diào)、20個(gè)45 W的電燈和10個(gè)70 W的風(fēng)扇。當(dāng)每個(gè)教室三者全部同時(shí)工作時(shí)，整個(gè)校園內(nèi)每個(gè)小時(shí)，僅教室內(nèi)常用電器將消耗10×20×(2×3500+20×45+10×70)=1 720 kW；但是如果空調(diào)開啟后不開啟風(fēng)扇，整個(gè)校園內(nèi)每小時(shí)將減少10×20×10×70=140 kW；如果電燈能及時(shí)關(guān)閉，整個(gè)校園每小時(shí)將減少10×20×20×45=180 kW；如果在窗戶均為關(guān)閉時(shí)，室內(nèi)達(dá)到相同溫度時(shí)，每個(gè)空調(diào)的平均耗能將增加500 W，此時(shí)，整個(gè)校園內(nèi)每小時(shí)將增加消耗10×20×2×500=220 kW；如果能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控并且自動(dòng)智能地管理這些用電器，則可以減少不必要的能源消耗。

目前國內(nèi)研究中，文獻(xiàn)[1-3]僅僅是對校園的照明進(jìn)行監(jiān)控，而多數(shù)高校教室內(nèi)還有空調(diào)、風(fēng)扇等常用電器，這些文獻(xiàn)并未提出針對這些用電器智能控制的解決方案。文獻(xiàn)[1-2]沒有基于Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)控，使得監(jiān)控系統(tǒng)在使用時(shí)受到地域空間的限制，而文獻(xiàn)[3]中的控制系統(tǒng)雖借助了Internet，但是僅有Web界面，使得控制方式有局限性。

針對這種情況，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到對教學(xué)樓各教室常用電器的控制中，利用ZigBee協(xié)議將各教室用電器控制模塊按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)互聯(lián)起來，結(jié)合傳感器技術(shù)和多種數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，借助校園網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對教學(xué)樓每個(gè)教室的常用電器智能化、集中化和網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)控管理，達(dá)到節(jié)約能源的目的；同時(shí)，為使監(jiān)控變得更加高效便捷，設(shè)計(jì)了基于Internet的3種監(jiān)控客戶端：Windows PC客戶端、Android手機(jī)客戶端和Web客戶端。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)主要由各個(gè)教室內(nèi)的終端感知單元(TSU)、監(jiān)控網(wǎng)關(guān)(MG)、校園網(wǎng)(CN)和客戶端(Clients)4部分組成。

1.1終端感知單元

終端感知單元主要是負(fù)責(zé)環(huán)境參數(shù)的檢測和對教室內(nèi)用電器及門窗的開關(guān)控制。此子系統(tǒng)采用低功耗、低成本和大容量的ZigBee無線自組網(wǎng)方式，實(shí)現(xiàn)近距離、高可靠的雙向無線通信[4]。

每個(gè)教室的終端感知單元包括5個(gè)路由(ZigBee Routers)節(jié)點(diǎn)：此教室的電源總開關(guān)路由節(jié)點(diǎn)、電燈路由節(jié)點(diǎn)、風(fēng)扇路由節(jié)點(diǎn)、空調(diào)路由節(jié)點(diǎn)和門窗路由節(jié)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)內(nèi)容如圖2所示。

圖2　教室內(nèi)的終端感知單元(TSU)

這5個(gè)路由節(jié)點(diǎn)除了包含：溫濕度檢測傳感器、可燃性氣體檢測傳感器、煙霧檢測傳感器、紅外熱釋電檢測傳感器、光照檢測傳感器、雨水檢測傳感器；還根據(jù)不同的受控用電器或設(shè)備，包含相關(guān)的控制模塊。

電燈或風(fēng)扇的路由節(jié)點(diǎn)還包含：用電器運(yùn)行狀態(tài)檢測模塊、電燈或風(fēng)扇開關(guān)控制模塊；空調(diào)路由節(jié)點(diǎn)還包含：用電器運(yùn)行狀態(tài)檢測模塊、空調(diào)控制模塊；電源總開關(guān)路由節(jié)點(diǎn)還包含繼電器模塊；門窗路由節(jié)點(diǎn)還包含：雨水檢測傳感器、門窗開關(guān)狀態(tài)檢測模塊、門窗開關(guān)控制器。

1.2監(jiān)控網(wǎng)關(guān)

監(jiān)控網(wǎng)關(guān)(MG)部分包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器(ZC)和Internet服務(wù)器(Server)兩部分，其間通過UART串口進(jìn)行實(shí)時(shí)的相互通信，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)向服務(wù)器傳送所有路由(ZR)節(jié)點(diǎn)采集的教室環(huán)境參數(shù)，并向相關(guān)路由節(jié)點(diǎn)下達(dá)服務(wù)器依據(jù)這些參數(shù)做出的控制指令，該部分的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　監(jiān)控網(wǎng)關(guān)

服務(wù)器的主控芯片采用意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics，ST)公司的STM32F107VCT6[5]。此芯片為互聯(lián)型芯片，支持以太網(wǎng)(Ethernet、IEEE1588)，集成了ARM CrotexTM-M3 32位RISC內(nèi)核，最高工作頻率為72 MHz，擁有256KB的Flash、64KB的SRAM和連接在2條APB總線的大量增強(qiáng)型I/O，具有高性價(jià)比、低功耗等特點(diǎn)，完全滿足此傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。

1.3客戶端

為此系統(tǒng)設(shè)計(jì)了3種客戶端：Windows PC客戶端、Android手機(jī)客戶端、WEB網(wǎng)頁客戶端。用戶借助各客戶端的UI界面或網(wǎng)頁界面，可實(shí)時(shí)查看各教室用電器的工作狀態(tài)，并且可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程人為控制其開關(guān)?？蛻舳藢τ秒娖骺刂频膬?yōu)先級高于監(jiān)控網(wǎng)關(guān)中服務(wù)器的自動(dòng)控制。

1.4整體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與傳輸

整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建如圖4所示，系統(tǒng)中的監(jiān)控網(wǎng)關(guān)(MG)是整個(gè)異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，整個(gè)監(jiān)控網(wǎng)關(guān)借助協(xié)調(diào)器的ZigBee收發(fā)模塊與ZigBee網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)路由(ZR)通信，同時(shí)借助服務(wù)器通過校園網(wǎng)(CN)，使用數(shù)據(jù)無差錯(cuò)、不丟失、不重復(fù)，并且按序到達(dá)的TCP/IP協(xié)議和HTTP協(xié)議與客戶端(Clients)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)交互。

圖4　整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

由于路由(ZR)節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，且考慮到無線信號功率的穿墻損失，ZigBee設(shè)備組網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用網(wǎng)型結(jié)構(gòu)(MN)[6]，并且路由節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，可以保證ZigBee網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院拖到y(tǒng)的穩(wěn)定以及低功耗。

2硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要是路由(ZC)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

2.1路由節(jié)點(diǎn)總體設(shè)計(jì)

路由(ZC)節(jié)點(diǎn)是路由節(jié)點(diǎn)的主控芯片均采用德州儀器(TI)公司生產(chǎn)的CC2530F256[7]，CC2530F256與其他部分的連接如圖5。

圖5　CC2530F256與其他部分的連接圖

路由節(jié)點(diǎn)中的溫濕度、煙霧、可燃?xì)怏w、光照、雨水等檢測傳感器使用現(xiàn)有的傳感器模塊，其中紅外熱釋電傳感器采用新型的更適合校園教室和圖書館的熱釋電開關(guān)[8]，而非普通的靠近距離人體移動(dòng)而觸發(fā)的傳感器；空調(diào)控制模塊使用改造后的空調(diào)遙控器，這個(gè)無需改造空調(diào)本身，便于開發(fā)；門窗的開關(guān)狀態(tài)檢測模塊使用接觸式開關(guān)；門窗開關(guān)控制器使用現(xiàn)有的控制模塊。

2.2路由節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

電器開關(guān)控制模塊和用電器運(yùn)行狀態(tài)感應(yīng)模塊是路由節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵模塊。

2.2.1用電器開關(guān)控制模塊

為方便每個(gè)教室用電器因不同需要的使用，教室內(nèi)的各用電器的開關(guān)由兩級控制。例如每個(gè)教室所有燈的開關(guān)控制如圖6，當(dāng)遠(yuǎn)程終端或者服務(wù)器打開了繼電器模塊時(shí)，可通過按鍵開關(guān)按需控制教室內(nèi)的燈。

圖6　燈的二級開關(guān)模型

2.2.2用電器運(yùn)行狀態(tài)感應(yīng)模塊[9]

由于CC2530F256芯片無法直接測量220V交流工作電壓的用電器工作狀態(tài)，所以采用電流互感的方法，將互感器與教室內(nèi)常用電器串聯(lián)在220V交流電路中，使電路中的大電流互感成小電流，經(jīng)過如圖7所示電路，轉(zhuǎn)換成CC2530F256可以直接測量的小電壓信號。

圖7　電器運(yùn)行狀態(tài)檢測電路

假設(shè)圖中互感器T1的比例系數(shù)為n:m，二極管D1正向?qū)〞r(shí)兩端電壓為Ud，則對于電阻R3兩端的電壓U3有公式(1)：

(1)

由于教室中不同用電器工作時(shí)電流不同，所以需要根據(jù)不同電器來調(diào)整電位器R1和R3使D1處于擊穿狀態(tài)，從而在電阻R3兩端獲得穩(wěn)定電壓U3。

3軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括三部分：ZigBee網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)、監(jiān)控網(wǎng)關(guān)中服務(wù)器的程序設(shè)計(jì)和客戶端程序設(shè)計(jì)。

3.1ZigBee網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)部分的程序設(shè)計(jì)包括兩部分：路由(ZR)的程序設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)器(ZC)的程序設(shè)計(jì)。其使用TI公司提供的ZStack-CC2530-2.5.1a協(xié)議棧，在IAR for 8051 的8.10版本上進(jìn)行代碼的編輯和編譯；使用ZStack協(xié)議棧[10]時(shí)，開發(fā)者只需調(diào)用API接口函數(shù)即可，可有效節(jié)省開發(fā)時(shí)間。

3.1.1路由程序設(shè)計(jì)

每個(gè)路由(ZR)主要任務(wù)為網(wǎng)絡(luò)的搜索與連接、采集和發(fā)送相關(guān)設(shè)備及環(huán)境的信息、控制相關(guān)設(shè)備，其工作流程如圖8。

圖8　路由(ZC)程序流程 圖9　協(xié)調(diào)器(ZC)程序流程

路由上電后，先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，再搜索并加入可用網(wǎng)絡(luò)，之后進(jìn)入ZStack協(xié)議棧操作系統(tǒng)(operating system abstraction layer，OSAL)的任務(wù)輪循。當(dāng)有中斷事件發(fā)生時(shí)，則判斷事件類型：如果是定時(shí)采集本節(jié)點(diǎn)相關(guān)傳感器信息的事件，則進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)以規(guī)定的格式發(fā)送至協(xié)調(diào)器(ZC)；若是收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的控制命令，則執(zhí)行相應(yīng)的控制命令。

3.1.2協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器(ZC)作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立，節(jié)點(diǎn)的加入與管理和網(wǎng)絡(luò)地址的分配；同時(shí)與服務(wù)器(Server)實(shí)時(shí)通信等。協(xié)調(diào)器的工作流程如圖9所示。

協(xié)調(diào)器上電、系統(tǒng)初始化后，在某個(gè)空閑信道建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)；路由(ZR)節(jié)點(diǎn)認(rèn)證后加入網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)協(xié)調(diào)器為其分配ZigBee一個(gè)網(wǎng)內(nèi)唯一地址，并記錄其地址信息，之后進(jìn)入OSAL的任務(wù)輪循。當(dāng)有中斷事件發(fā)生時(shí)，對事件類型進(jìn)行判斷：如果是ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由發(fā)送過來的各教室檢測信息，則將此消息以規(guī)定的數(shù)據(jù)格式通過串口發(fā)送至服務(wù)器(Server)進(jìn)行分析處理；若是服務(wù)器發(fā)送的控制命令，則向相應(yīng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)控制命令。

3.2服務(wù)器程序設(shè)計(jì)

監(jiān)控網(wǎng)關(guān)中服務(wù)器(Server)程序設(shè)計(jì)包括兩部分：客戶端連接及控制程序設(shè)計(jì)、自動(dòng)智能控制程序設(shè)計(jì)。

3.2.1客戶端連接及控制程序設(shè)計(jì)

服務(wù)器不僅負(fù)責(zé)接收、分析和處理協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并向協(xié)調(diào)器下達(dá)智能處理結(jié)果即控制信息，還將相關(guān)的數(shù)據(jù)(如：各教室用電器工作狀態(tài)、溫濕度等)使用TCP/IP協(xié)議及HTTP協(xié)議分別傳輸?shù)絇C或Android客戶端和Web網(wǎng)頁客戶端；而且還接收各客戶端的控制命令，并向協(xié)調(diào)器發(fā)送客戶端的控制命令。

此部分服務(wù)器的工作流程如圖10所示。

圖10　服務(wù)器程序流程

服務(wù)器上電后，先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，并建立TCP和Web服務(wù)器，之后進(jìn)入main函數(shù)主循環(huán)，檢查是否有中斷發(fā)生；當(dāng)有中斷發(fā)生后，判斷中斷類型，此部分主要有3個(gè)中斷源：各客戶端連接請求中斷、UART接收中斷和各客戶端的發(fā)送的控制命令。如果是各客戶端(Clients)的連接請求，接受并響應(yīng)請求；若是UART接受中斷，則是協(xié)調(diào)器(ZC)發(fā)送的采集信息，對這些信息處理和判斷后，將相應(yīng)的控制命令發(fā)送給協(xié)調(diào)器，并將各用電器狀態(tài)發(fā)送給各客戶端；如果是各客戶端使用TCP協(xié)議發(fā)送的控制用電器開關(guān)的命令，則向協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)此控制命令。

3.2.2自動(dòng)智能控制程序設(shè)計(jì)

服務(wù)器不僅完成整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)雙向數(shù)據(jù)傳輸，更重要的是能根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端感知系統(tǒng)的檢測信息，對各教室的各用電器進(jìn)行智能控制：

1)當(dāng)檢測到某教室光線較暗時(shí)，服務(wù)器下達(dá)開燈命令；

2)當(dāng)收到某教室的煙霧或可燃性氣體傳感器發(fā)出異常信號后，服務(wù)器將通過協(xié)調(diào)器發(fā)送關(guān)閉此教室總電源，以保證用電安全；

3)當(dāng)收到某節(jié)點(diǎn)檢測到雨水的信號時(shí)，服務(wù)器將判斷此教室窗戶開關(guān)狀態(tài)，并發(fā)送關(guān)閉未關(guān)閉的窗戶的信號；以保證雨天因窗戶未及時(shí)關(guān)閉而造成重要儀器和設(shè)備的受潮；

4)當(dāng)某教室空調(diào)開啟后，服務(wù)器將向此教室的終端發(fā)送關(guān)閉門窗和風(fēng)扇的命令，同時(shí)根據(jù)溫濕度檢測信息，智能控制空調(diào)，比如：當(dāng)檢測到室內(nèi)溫度高于20 ℃時(shí)，若當(dāng)前模式是制熱，則減弱制熱，以節(jié)能；

5)當(dāng)某個(gè)教室所有的人體傳感器(PIR)在一定時(shí)間(例如20分鐘)內(nèi)未檢測人員時(shí)，服務(wù)器下達(dá)關(guān)閉此教室所有用電器的命令；當(dāng)檢測到有人時(shí)，根據(jù)此教室其他傳感器信息，服務(wù)器發(fā)送開啟相關(guān)用電器的命令等等。

3.3客戶端設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)支持3種客戶端：PC、Android手機(jī)和Web網(wǎng)頁客戶端。在各客戶端(Clients)均可實(shí)時(shí)查看整個(gè)教學(xué)樓內(nèi)各教室用電器的工作狀態(tài)及工作時(shí)間，并通過各客戶端UI界面上的控制按鈕，控制各用電器的開關(guān)。

其中PC及Android手機(jī)客戶端可使用Qt5開發(fā)環(huán)境開發(fā)。Qt5可編寫跨平臺的GUI(graphical user interface)，簡單方便。Web網(wǎng)頁客戶端可使用CGI(common gateway interface)技術(shù)和KDE(kool desktop environment)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，在無法使用PC及Android手機(jī)時(shí)，可使用Web網(wǎng)頁客戶端對系統(tǒng)進(jìn)行查詢與控制。

4系統(tǒng)功能測試

在實(shí)際測試中，用3個(gè)相距較遠(yuǎn)的教室的用電器控制代替整個(gè)教學(xué)樓的用電器控制。每個(gè)教室所控制的電器有2個(gè)空調(diào)、20個(gè)電燈、10個(gè)風(fēng)扇和此教室的1個(gè)總開關(guān)，還包括4個(gè)窗戶開關(guān)控制器。

4.1測試準(zhǔn)備

首先將電器運(yùn)行狀態(tài)檢測電路、各ZigBee模塊與電器連接，值得注意的是對不同用電器需要調(diào)整電位器R1和R3使D1處于擊穿狀態(tài)，否則遠(yuǎn)程檢測到的用電器狀態(tài)不準(zhǔn)確。

在對每個(gè)ZigBee模塊燒寫程序時(shí)，需要修改ZStack-CC2530-2.5.1a協(xié)議棧SimpleApp下的SimpleApp.c中的MYID變量的值，實(shí)現(xiàn)每個(gè)設(shè)備都有唯一的有規(guī)律的編號，以便在客戶端(Clients)區(qū)別不同教室的ZigBee設(shè)備，實(shí)現(xiàn)集中化數(shù)據(jù)處理。

使用STM32f107VC開發(fā)板作服務(wù)器，將服務(wù)器和ZigBee協(xié)調(diào)器通過UART串口連接，在服務(wù)器(Server)程序下的void InitNet(void)函數(shù)中修改可接入校園網(wǎng)(CN)的IP地址，由于在STM32開發(fā)板上無法簡單的驗(yàn)證IP地址是否有效，可以先將連接至校園網(wǎng)的電腦的IP修改為即將使用的IP來驗(yàn)證其是否可用。將程序編譯后下載至STM32開發(fā)板，接入網(wǎng)線后啟動(dòng)電源，當(dāng)STM32開發(fā)板上液晶顯示：

IP地址：10.10.84.244

路由地址：10.10.83.1

OK！

表示已經(jīng)成功接入校園網(wǎng)并且設(shè)備已經(jīng)初始化完成。

打開所有設(shè)備的電源，檢查所有的ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備LED1指示燈是否常亮，常亮表示已經(jīng)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并完成了初始化，若未常亮，需要重啟協(xié)調(diào)器(ZC)，使設(shè)備重新加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

4.2客戶端測試

將Qt編寫的UI客戶端程序在不同系統(tǒng)下的Qt編譯環(huán)境中編譯，并生成相應(yīng)系統(tǒng)下的UI客戶端。

打開客戶端后，若客戶端成功連接至服務(wù)器，則彈出“連接成功”通知窗，否則需檢查服務(wù)器是否配置合理。在抽屜類的主界面上點(diǎn)擊要監(jiān)控的教室的按鈕，會彈出此教室所有用電器工作的時(shí)間和狀態(tài)控制按鈕，若此設(shè)備已打開，則“打開”按鈕變灰，將不可點(diǎn)擊，相應(yīng)的“關(guān)閉”按鈕可以點(diǎn)擊，在UI界面中不同用電器旁的LCD將顯示此用電器的工作時(shí)間；而在點(diǎn)擊后相應(yīng)教室的用電器將關(guān)閉，同時(shí)UI界面的“關(guān)閉”按鈕失能，“打開”按鈕使能。退出客戶端時(shí)，將會清除相應(yīng)的內(nèi)存，避免多次打開客戶端時(shí)系統(tǒng)崩潰。

4.3服務(wù)器自動(dòng)控制測試

1)將某個(gè)教室窗簾全部拉下，此教室的燈全部自動(dòng)打開，并且客戶端中此教室的燈的“打開”按鈕變灰，同時(shí)燈的運(yùn)行時(shí)間開始計(jì)時(shí)；

2)當(dāng)在某教室制造煙霧時(shí)，此教室總電源自動(dòng)關(guān)閉，并且客戶端中此教室總開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)；

3)將水滴在雨水檢測傳感器上后，此教室的窗戶自動(dòng)關(guān)閉；

4)當(dāng)某教室空調(diào)開啟后，原本打開的門窗、風(fēng)扇自動(dòng)關(guān)閉；

5)當(dāng)某教室空無一人時(shí)間長達(dá)20分鐘左右，此教室所有用電器自動(dòng)關(guān)閉，并且客戶端相應(yīng)的用電器狀態(tài)處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)有人進(jìn)入時(shí)，有關(guān)的用電器會根據(jù)相應(yīng)的環(huán)境開啟或關(guān)閉等等。

系統(tǒng)在實(shí)際的功能測試時(shí)結(jié)果良好，表明此設(shè)計(jì)具有一定的可行性和可靠性。

5結(jié)語

將物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的ZigBee技術(shù)、傳感器技術(shù)與ARM技術(shù)相結(jié)合，并融入TCP/IP、HTTP通信協(xié)議和CGI等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套教學(xué)樓內(nèi)各教室常用電器智能監(jiān)控系統(tǒng)，并編寫了3種不同的遠(yuǎn)程監(jiān)控客戶端，實(shí)現(xiàn)了對一般教學(xué)樓各教室常用電器的集中化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化控制；不但改變了傳統(tǒng)的離散的手動(dòng)控制，而且大大降低了校園能源消耗。在實(shí)際測試中，達(dá)到了預(yù)想的效果，后續(xù)將增加對教室內(nèi)多媒體和監(jiān)控探頭的控制，從而實(shí)現(xiàn)教室內(nèi)所有用電器的智能控制。

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Design of Intelligent Monitoring System of Electrical Devices for Teaching Buildings Based on Internet of Things

Li Yuhuan, Qin Wenhua, Zhou Zili, Wu Dongmei

(College of Physics and Engineering, Qufu Normal University, Qufu273165,China)

Abstract:Aiming at the waste of electric energy and reducing energy consumption in university, a centralized, network and intelligent monitoring system for the electrical devices in the classrooms in the teaching buildings of schools is designed in combination with the Internet of Things and various data transmission technologies. As the automatic control centre of the system, the monitor gateway can do intelligent judgments with the data sent from the terminal sensing unit concerning illumination intensity, temperature, activity of students and switch states of every electrical devices in all classrooms. Meanwhile, using the Browser/Server and Client/Server mode, the monitor gateway connected with campus network can act as server，and the operator can view the working states of every electrical devices and control the switch of every electrical devices, windows and doors in all classrooms in real time by the Windows client, Android client and Web browser. Not only can the electrical devices in one classroom in the teaching buildings of schools be controlled remotely with human intervention，but also can be controlled automatically and intelligently with the light intensity, temperature and human activity of this classroom by this system. Practical tests show that the system has good reliability and stability, greatly reducing the campus waste of energy.

Keywords：internet of things; intelligent classroom; teaching building; monitor gateway; network monitoring system

文章編號：1671-4598(2016)02-0122-04

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.033

中圖分類號：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：李玉環(huán)(1992-)，男，山東臨沂人，本科生，主要從事無線通信、智能控制方向的研究。周子力(1973-)，男，山東濟(jì)寧人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事智能控制、大數(shù)據(jù)及語音控制方向的研究。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(61203301)；國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練基金(201410446012)；山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目基金(2014GGX101027)。

收稿日期：2015-09-01；修回日期：2015-09-25。