基于物聯(lián)網(wǎng)的智能教室環(huán)境測控系統(tǒng)

石鑫 張興宇 邵金彪 江朝暉

摘 要：為了提供舒適、節(jié)能的教室環(huán)境，文中設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的教室環(huán)境測控系統(tǒng)。測控終端以STM32嵌入式微處理器為核心，采集教室內(nèi)溫度、光照和人數(shù)等信息，按照設(shè)定的規(guī)則控制風(fēng)扇、日光燈和窗簾動(dòng)作，并將數(shù)據(jù)上傳到OneNET平臺(tái)，供后臺(tái)統(tǒng)計(jì)分析。系統(tǒng)還設(shè)置了紅外遙控和觸摸屏兩種人機(jī)交互方式，便于設(shè)置閾值或手動(dòng)控制。測試表明，該系統(tǒng)運(yùn)行正常，控制效果良好，功耗低，具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：智能教室;環(huán)境測控;紅外感知;OneNET平臺(tái);節(jié)能;人機(jī)交互

中圖分類號(hào)：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）07-00-04

0 引 言

智能教室是教室發(fā)展和變革的階段性產(chǎn)物[1]，是現(xiàn)代教育的發(fā)展方向，主要包括教學(xué)設(shè)施運(yùn)用管理和室內(nèi)環(huán)境測控兩部分。智能教室環(huán)境測控系統(tǒng)著眼于提供舒適、節(jié)能的室內(nèi)環(huán)境[2]，例如浙江財(cái)經(jīng)學(xué)院在教室內(nèi)的每盞燈上安裝了“感應(yīng)器”，通過光感和紅外傳感器控制，以機(jī)械的管理方式來降低學(xué)生在不同教室上自習(xí)的概率，促使學(xué)生對(duì)教室進(jìn)行集中使用，從而達(dá)到對(duì)教學(xué)樓進(jìn)行智能化管理的目的;山東大學(xué)、濟(jì)南大學(xué)等高校嘗試采用教室照明節(jié)能系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，但實(shí)際效果不好;華南理工大學(xué)采用人工手動(dòng)選擇，但節(jié)能效果并不理想，還有待發(fā)展和提高。總體來說，目前的教室環(huán)境測控系統(tǒng)多為區(qū)域化控制[3]，手動(dòng)控制居多，無法實(shí)現(xiàn)智能目標(biāo)。

本文采用嵌入式微處理器與中國移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)OneNET[4]設(shè)計(jì)并制作了一款智能教室環(huán)境測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用DS18B20傳感器采集室內(nèi)溫度，采用BH1750FVI傳感器采集光照強(qiáng)度，采用紅外對(duì)管統(tǒng)計(jì)室內(nèi)人數(shù)，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)經(jīng)運(yùn)算自動(dòng)控制風(fēng)扇、燈光照明和窗簾的開關(guān)，也可以通過紅外遙控手動(dòng)控制用電器的開關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)管理的網(wǎng)絡(luò)化，用戶可以在OneNET云平臺(tái)上實(shí)時(shí)監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能教室環(huán)境測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、執(zhí)行模塊、紅外遙控模塊、觸摸控制模塊及無線傳輸模塊等組成。

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集

2.1.1 溫度采集

溫度采集使用型號(hào)為DS18B20的數(shù)字溫度傳感器。該傳感器具有體積小、精度高、成本低等特點(diǎn)，可將溫度直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字溫度值，與MCU之間采用1-wire總線通信[5]，每個(gè)DS18B20都有自己唯一的ID，可以在一根1-wire總線上掛載多個(gè)DS18B20芯片，通過ID識(shí)別讀取每個(gè)DS18B20的溫度值，無需其他外圍電路，快捷高效，安裝方便。

2.1.2 光照強(qiáng)度采集

光照采集使用BH1750FVI I2C總線接口的數(shù)字型光照強(qiáng)度傳感器。該傳感器分辨率高，且能探測大范圍的光照強(qiáng)度的變化，與MCU通過兩條線進(jìn)行通信，輸出為光照強(qiáng)度的數(shù)字量。

2.1.3 人數(shù)統(tǒng)計(jì)

人數(shù)統(tǒng)計(jì)主要由紅外對(duì)管及電壓比較器LM324（運(yùn)算放大器開環(huán)作為電壓比較器）組成[6]。紅外接收頭在無光照時(shí)，有很小的飽和反向漏電流（暗電流），此時(shí)光敏管不導(dǎo)通。當(dāng)有光照時(shí)，飽和反向漏電流快速增加，形成光電流，在一定范圍內(nèi)隨入射光強(qiáng)度的變化而增大，通過與基準(zhǔn)電壓比較，經(jīng)電壓比較器輸出高低電平。當(dāng)有紅外光照射時(shí)，紅外接收管反向電壓增大，可使電壓比較器LM324輸出為低電平;當(dāng)無紅外光照射時(shí)，紅外接收頭反向電壓小，可使電壓比較器LM324輸出為高電平，然后通過單片機(jī)處理，使輸出精準(zhǔn)的計(jì)數(shù)值通過兩組紅外對(duì)管，判斷接收管是否準(zhǔn)確接收到紅外線為信號(hào)來判斷是否有人通過，同時(shí)根據(jù)兩組紅外對(duì)管來判斷是進(jìn)入還是外出。通過統(tǒng)計(jì)進(jìn)出教室的人數(shù)來判斷教室中現(xiàn)有學(xué)生的數(shù)量，從而改變MCU計(jì)數(shù)器上的值為教室人數(shù)值。人數(shù)統(tǒng)計(jì)硬件電路如圖2所示，人數(shù)統(tǒng)計(jì)流程如圖3所示。

2.2 與云平臺(tái)通信

傳感器采集到的數(shù)據(jù)可通過ESP8266-01S WiFi芯片接入互聯(lián)網(wǎng)。該芯片在較小尺寸上集成了業(yè)界領(lǐng)先的Tensilica L106超低功耗32位微型MCU，支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.11b/g/n協(xié)議，擁有完整的TCP/IP協(xié)議棧和多樣化的接口[7]。

中國移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)和生態(tài)環(huán)境。OneNET可適配各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和協(xié)議類型，支持各類傳感器和智能硬件的快速接入和大數(shù)據(jù)服務(wù)，提供豐富的API和應(yīng)用模板以支持各類行業(yè)應(yīng)用和智能硬件的開發(fā)，能夠有效降低物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)和部署成本，滿足物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域設(shè)備連接、協(xié)議適配、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)安全、大數(shù)據(jù)分析等平臺(tái)服務(wù)需求[8]。

本系統(tǒng)通過ESP8266模塊的UART接口與單片機(jī)通信，通過AT指令與OneNET物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)建立TCP連接[9]，傳輸傳感器采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)人數(shù)，用戶可以通過網(wǎng)頁或手機(jī)隨時(shí)隨地在平臺(tái)上監(jiān)測教室中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，也可以通過平臺(tái)上的工具將數(shù)據(jù)以一定的格式繪制成表圖，分析教室中各項(xiàng)參數(shù)的變化趨勢。WiFi模塊接線圖如圖4所示。

2.3 執(zhí)行單元

MCU分析傳感器的數(shù)據(jù)，當(dāng)某個(gè)值達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)便可觸發(fā)對(duì)應(yīng)電器的操作，如開關(guān)燈、開關(guān)風(fēng)扇、開關(guān)窗簾等。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種觸發(fā)執(zhí)行單元模式，用戶可根據(jù)實(shí)際需要選擇自動(dòng)模式或手動(dòng)模式。

自動(dòng)模式：當(dāng)溫度、光照、人數(shù)滿足設(shè)定閾值時(shí)觸發(fā)對(duì)繼電器的操作，從而打開或者切斷所需控制電器的電源，從而達(dá)到開關(guān)電器的目的。

手動(dòng)模式：可通過觸摸屏或紅外遙控器手動(dòng)控制用電器的開關(guān)。

所有觸發(fā)用電器的操作都可通過MCU向各繼電器發(fā)送控制指令，其中窗簾采用步進(jìn)電機(jī)控制，以精確控制窗簾打開的距離。步進(jìn)電機(jī)將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移[10]。通過單片機(jī)控制脈沖來控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)[11]，從而達(dá)到控制窗簾開閉的目的。

2.4 控制單元

系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F429芯片控制系統(tǒng)運(yùn)行。STM32系列芯片是一款高性能、低功耗、高性價(jià)比的控制芯片，被廣泛運(yùn)用在微控制領(lǐng)域。本系統(tǒng)采用基于ARM-Cortex-M4內(nèi)核的芯片，其最大工作頻率達(dá)180 MHz，與其他型號(hào)相比，因其內(nèi)部有Chrom-ART Accelerator圖像加速器[12]，所以運(yùn)行GUI會(huì)更加流暢。

通過STM32F429分析傳感器采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)，與設(shè)定閾值比較以控制執(zhí)行單元的操作;接收紅外遙控和觸摸控制改變?cè)O(shè)置的閾值和執(zhí)行模式;向OneNET云平臺(tái)傳輸教室環(huán)境參數(shù)，從而使得整個(gè)系統(tǒng)使用便捷且直觀。

對(duì)STM32單片機(jī)進(jìn)行初始化，包括I/O口初始化及各總線的初始化，數(shù)據(jù)采集進(jìn)程根據(jù)總線協(xié)議對(duì)每個(gè)傳感器的值進(jìn)行讀取并保存到緩存中。然后將讀取的傳感器值與預(yù)先設(shè)定好的閾值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)執(zhí)行單元發(fā)送操作信號(hào)。執(zhí)行單元工作的初始條件：當(dāng)室內(nèi)人數(shù)大于0時(shí)，開始工作;當(dāng)光照強(qiáng)度低于350 Lux時(shí)觸發(fā)開燈指令、卷起窗簾，并根據(jù)教室內(nèi)人數(shù)與總座位數(shù)的比例開啟燈光，當(dāng)光照強(qiáng)度高于

800 Lux時(shí)關(guān)閉燈光，當(dāng)光照強(qiáng)度大于1 200 Lux時(shí)將窗簾關(guān)閉一半。初始設(shè)定溫度觸發(fā)閾值為：當(dāng)溫度大于26 ℃，根據(jù)教室內(nèi)人數(shù)開啟風(fēng)扇，風(fēng)扇開啟狀態(tài)溫度降至24 ℃以下時(shí)關(guān)閉風(fēng)扇，初始值可根據(jù)實(shí)際情況通過觸屏修改。

2.5 人機(jī)交互

本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了MCU自動(dòng)控制或手動(dòng)控制用電器的開關(guān)。

2.5.1 紅外遙控

紅外線系統(tǒng)一般由紅外發(fā)射裝置和紅外接收設(shè)備兩部分組成[13]。紅外發(fā)射裝置由鍵盤電路、紅外編碼芯片、電源和紅外發(fā)射電路組成。紅外接收設(shè)備可由紅外接收電路、紅外解碼芯片、電源和應(yīng)用電路組成。本文采用HS0038紅外接收探頭，集遙控信號(hào)的接收、放大、檢波、整形于一身，可輸出便于單片機(jī)識(shí)別的TTL信號(hào)，大大簡化了接收電路的復(fù)雜程度和電路的設(shè)計(jì)工作，使用方便[14]。紅外接收器接線圖如圖5所示。

2.5.2 觸摸控制

系統(tǒng)移植了μC/OS-Ⅲ實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和emWin圖形化操作界面。μC/OS是Micrium公司出品的RTOS類實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，μC/OS-Ⅲ是一個(gè)可裁剪、可剝奪型的多任務(wù)內(nèi)核，且無任務(wù)數(shù)限制;提供實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)所需的所有功能，包括資源管理、同步、任務(wù)通信等[15]。emWin是Segger公司針對(duì)嵌入式平臺(tái)開發(fā)的穩(wěn)定、高效的圖形軟件庫，適用于任何圖形LCD的操作應(yīng)用，并可輸出高質(zhì)量、無鋸齒的文字和圖形，通過調(diào)用emWin提供的函數(shù)接口開發(fā)嵌入式圖形界面變得簡單快捷，數(shù)據(jù)的采集與分析以小進(jìn)程形式進(jìn)行，通過屏幕將數(shù)據(jù)直觀反映出來。通過emWin可以輕松完成設(shè)置頁面切換等圖形化的操作，直觀方便[16]。

本次使用emWin官方軟件GUIbuilder設(shè)計(jì)GUI界面，可直接導(dǎo)出C程序，將程序拷貝到本文工程中移植GUIConf.c

文件、GUIConf.h文件和觸摸屏源程序，調(diào)用嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅲ管理。

3 測試結(jié)果與分析

3.1 終端界面

界面分為顯示部分和虛擬按鍵部分。

顯示部分：用戶可以在終端實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。

虛擬按鍵部分：終端交互界面設(shè)置有自動(dòng)/手動(dòng)模式按鍵，窗簾、照明、風(fēng)扇控制按鍵，無線連接按鍵，時(shí)間校準(zhǔn)按鍵，溫度閾值按鍵和熄屏按鍵。

顯示部分與虛擬按鍵部分相互配合可更好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。終端交互界面如圖6所示。

3.2 數(shù)據(jù)Web展示

教室中的溫度、光照強(qiáng)度和人數(shù)數(shù)據(jù)將通過WiFi上傳到OneNET平臺(tái)。每個(gè)不同的數(shù)據(jù)都對(duì)應(yīng)著不同的數(shù)據(jù)流，平臺(tái)不斷查詢數(shù)據(jù)流是否更新，并將已更新的數(shù)據(jù)顯示在網(wǎng)頁上繪制成圖表。同時(shí)，通過OneNET官方提供的數(shù)據(jù)導(dǎo)出工具OneNET Server1.16.10.9_packed.exe將監(jiān)測數(shù)據(jù)導(dǎo)出至數(shù)據(jù)庫。OneNET平臺(tái)數(shù)據(jù)顯示如圖7所示。智能教室環(huán)境測控系統(tǒng)測試結(jié)果見表1所列。

3.3 系統(tǒng)功耗

經(jīng)測試，若一間教室中使用一套該系統(tǒng)，則系統(tǒng)最大工作電流小于300 mA，在顯示屏處于熄滅狀態(tài)時(shí)電流小于200 mA，平均功率小于1 W，通過電源控制器可使用市電與鋰電池共同供電[17]，斷電時(shí)仍能監(jiān)測教室中的數(shù)據(jù)并上傳。

4 結(jié) 語

本文根據(jù)智能教室的需求，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的教室環(huán)境測控系統(tǒng)，采用多種傳感器監(jiān)測教室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，按設(shè)定的規(guī)則對(duì)風(fēng)扇、日光燈和窗簾進(jìn)行自動(dòng)控制，并提供方便的閾值設(shè)置和手動(dòng)控制功能。同時(shí)，教室的各種數(shù)據(jù)會(huì)被上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，一方面可以隨時(shí)隨地查看某個(gè)教室的數(shù)據(jù)，另一方面也可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到一些規(guī)律性的結(jié)果。經(jīng)測試，智能教室環(huán)境測控系統(tǒng)運(yùn)行正常，控制效果良好，功耗低，具有較好的應(yīng)用前景。

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