基于LoRa 的高校教室節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)設計

楊秀增，宋俊慷

（廣西民族師范學院物聯(lián)網(wǎng)技術集成與應用重點實驗室，廣西 崇左 532200）

0 引言

教室是學生學習和交流的理想場所［1-2］。 經(jīng)調查,發(fā)現(xiàn)教室的電腦、投影儀、照明燈、風扇和空調等設備經(jīng)常忘記關機,教室浪費電的現(xiàn)象十分嚴重［3-6］。 因此,設計一套教室節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng),對高校節(jié)能減排,降低高校的教學成本,具有很大的現(xiàn)實意義。

針對教室浪費電的現(xiàn)象,本文設計一套基于物聯(lián)網(wǎng)的教室節(jié)能遠程節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)。 本系統(tǒng)采用LoRa無線擴頻通信技術,把每間教室用電器用電狀態(tài),傳回值班室的數(shù)據(jù)集中器中,方便值班室管理人員對教室用電進行統(tǒng)一管理。 數(shù)據(jù)集中器再通過4G 模塊把每一間教室的用電數(shù)據(jù)發(fā)到遠程的數(shù)據(jù)信息管理平臺,實現(xiàn)信息化和網(wǎng)絡化管理。

1 系統(tǒng)總體拓撲結構

本系統(tǒng)的總體設計的拓撲結構,主要由教室從機控制器、值班室數(shù)據(jù)集中器和與數(shù)據(jù)監(jiān)控中心等部分組成(見圖1）。 教室從機控制器由傳感器及驅動電路、單片機控制器和LoRa 通信模塊組成。 其主要作用是,采集每間教室的環(huán)境參數(shù)和驅動繼電器工作,并把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)到值班室主機中。 值班室數(shù)據(jù)集中器主要由LoRa 通信模塊、ARM 控制器和4G 通信模塊組成。 其主要作用是數(shù)據(jù)收集和指令發(fā)送。 數(shù)據(jù)監(jiān)控中心主要由4G 信號發(fā)射塔、服務器和監(jiān)控中心電腦等組成。 其主要作用是管理和儲存數(shù)據(jù)集中器發(fā)回的教室節(jié)能數(shù)據(jù),實現(xiàn)節(jié)能數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡化管理。

圖1 總體設計

2 硬件設計

2.1 教室從機控制器硬件設計

教室從機控制電路主要由單片機控制器、LoRa 通信模塊、LCD 觸摸顯示模塊、電流驅動模塊、斷電器、RS232/485 轉換電路、光照傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器和人體紅外感應模塊等電路組成(見圖2）。 單片機控制器采用宏晶科技公司的高速單片機STC15W4K32S4,它不需要外接晶振和復位電路。 本設計采用全新一代擴頻LoRa 技術,采用基于SEMTECH公司SX1268 無線射頻芯片,支持自動中斷組網(wǎng)功能,具有傳輸距離遠、功耗低等優(yōu)點。 LCD 觸摸顯示模塊是輸出設備,用于顯示教室內(nèi)工作狀態(tài)等。 人體紅外感應模塊是基于紅外技術的自動控制模塊,采用LHI778 探頭設計,具有靈敏度高可靠性高等特點。 光照傳感器、濕度傳感器和溫度傳感器是感知設備,用于感知教室中環(huán)境參數(shù)。

圖2 教室從機控制電路原理

2.2 數(shù)據(jù)集中器硬件電路設計

數(shù)據(jù)集中器硬件主要由STM32 控制器、觸摸屏顯示器、JTAG 調試電路、4G 通信模塊、LORA 通信模塊、復位電路和晶振電路等組成(見圖3）。 控制器采用基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核 32 位單片機 STM32F103ZET6。 串口1 接JTAG 調試電路,用于程序下載和JTAG 調試。串口2 與LoRa 無線通信模塊串口相連,用于LoRa 無線通信。 串口3 與觸摸屏顯示器相連,用于顯示數(shù)據(jù)。串口4 與4G 通信模塊相連,用于4G 網(wǎng)絡通信,把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。

圖3 數(shù)據(jù)集中器

3 軟件設計

3.1 教室從機控制器程序設計

教室從機主程序算法流程,如圖4 所示。 上電時,系統(tǒng)首先對LoRa 無線通信模塊進行初始化,主要設置好模塊的工作模式、串口波特率、空中傳輸速率和信道等參數(shù)。 然后,初始化LCD 顯示模塊和打開串口0 中斷。 初始化完成后,系統(tǒng)查詢串口0 是否收到值班數(shù)據(jù)主機發(fā)出的命令,如果收到命令,則執(zhí)行工作狀態(tài)更改程序,根據(jù)預設參數(shù)值,驅動相關繼電器工作,如果從機沒有收到命令,單片機讀取教室內(nèi)光照、濕度和溫度環(huán)境數(shù)據(jù),再通過人體紅外感應模塊判斷教室是否有人。 如果沒有人,則關掉教室內(nèi)所有的電源,否則單片機執(zhí)行工作狀態(tài)更改程序；如果教室內(nèi)的溫度高于開空調的預設置溫度值,則打開教室空調電源；如果教室內(nèi)的溫度不高于開空調的預設置溫度值且高于開風扇的預設置值,則只打開教室風扇電源。

圖4 教室從機控制器主程序算法流程

3.2 數(shù)據(jù)集中器程序設計

數(shù)據(jù)集中器主程序算法流程,如圖5 所示。 當單片機上電時,首先,建立LoRa 無線網(wǎng)絡和打開串口0中斷,并向各教室從機依次發(fā)送狀態(tài)查詢命令。 命令發(fā)出后,單片機執(zhí)行延時子程序,等待從機響應。 然后,查詢串口0 是否接收到響應數(shù)據(jù),如果接收到響應數(shù)據(jù),單片機解析數(shù)據(jù)包及保存數(shù)據(jù),否則從機地址加1 返回。 當收到響應數(shù)據(jù)時,判斷是否是從機數(shù)據(jù),如果不是,則從機地址加1 返回。 如果收到的響應數(shù)據(jù)是最后從機數(shù)據(jù),單片機分析數(shù)據(jù),則向教室從機發(fā)狀態(tài)命令。 數(shù)據(jù)處理完成之后,單處機把從機數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包形式通過4G 通信模塊發(fā)送服務器。

圖5 數(shù)據(jù)集中器程序算法流程

4 系統(tǒng)測試

根據(jù)以上技術方案,設計樣機測試系統(tǒng)方案。 把從機樣機安裝在不同教室主機數(shù)據(jù)集中器放在值班室中進行測試,系統(tǒng)上電之后,從機不斷地把采集到的數(shù)據(jù)傳回主機,在主機的LCD 顯示屏上顯示信息,樣機測試表明,樣機工作穩(wěn)定、滿足設計要求,如圖6 所示。

圖6 主機終端顯示界面

5 結語

隨著我國的高校招生規(guī)模不斷擴大,在校大學生人數(shù)逐年高攀,為學生提供的教室數(shù)量不斷地增大,如何有效地進行教室節(jié)能管理是一個問題。 本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術,設計物聯(lián)網(wǎng)的教室節(jié)能遠程節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng),具有較好的實用價值。