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，文中設計了一款基于物聯(lián)網(wǎng)架構的教室環(huán)境測控系統(tǒng)。測控終端以STM32嵌入式微處理器為核心，采集教室內溫度、光照和人數(shù)等信息，按照設定的規(guī)則控制風扇、日光燈和窗簾動作，并將數(shù)據(jù)上傳到OneNET平臺，供后臺統(tǒng)計分析。系統(tǒng)還設置了紅外遙控和觸摸屏兩種人機交互方式，便于設置閾值或手動控制。測試表明，該系統(tǒng)運行正常，控制效果良好，功耗低，具有較好的應用前景。

關鍵詞：智能教室;環(huán)境測控;紅外感知;OneNET平臺;節(jié)能;人機交互

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：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，主要包括教學設施運用管理和室內環(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)能的室內環(huán)境[2]，例如浙江財經(jīng)學院在教室內的每盞燈上安裝了“感應器”，通過光感和紅外傳感器控制，以機械的管理方式來降低學生在不同教室上自習的概率，促使學生對教室進行集中使用，從而達到對教學樓進行智能化管理的目的;山東大學、濟南大學等高校嘗試采用教室照明節(jié)能系統(tǒng)來實現(xiàn)節(jié)能目標，但實際效果不好;華南理工大學采用人工手動選擇，但節(jié)能效果并不理想，還有待發(fā)展和提高?？傮w來說，目前的教室環(huán)境測控系統(tǒng)多為區(qū)域化控制[3]，手動控制居多，無法實現(xiàn)智能目標。

本文采用嵌入式微處理器與中國移動物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺OneNET[4]設計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傳感器采集室內溫度，采用BH1750FVI傳感器采集光照強度，采用紅外對管統(tǒng)計室內人數(shù)，根據(jù)實際數(shù)據(jù)經(jīng)運算自動控制風扇、燈光照明和窗簾的開關，也可以通過紅外遙控手動控制用電器的開關。為了實現(xiàn)管理的網(wǎng)絡化，用戶可以在OneNET云平臺上實時監(jiān)控室內環(huán)境。

1 系統(tǒng)結構

智能教室環(huán)境測控系統(tǒng)結構如圖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 模塊設計

2.1 數(shù)據(jù)采集

2.1.1 溫度采集

溫度采集使用型號為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，可將溫度直接轉化為數(shù)字溫度值，與MCU之間采用1-wire總線通信[5]，每個DS18B20都有自己唯一的ID，可以在一根1-wire總線上掛載多個DS18B20芯片，通過ID識別讀取每個DS18B20的溫度值，無需其他外圍電路，快捷高效，安裝方便。

2.1.2 光照強度采集

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

2.1.3 人數(shù)統(tǒng)計

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

2.2 與云平臺通信

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)界領先的Tensilica L106超低功耗32位微型MCU，支持標準的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]。

中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺是基于物聯(lián)網(wǎng)技術和產(chǎn)業(yè)特點設計的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放平臺和生態(tài)環(huán)境。OneNET可適配各種網(wǎng)絡環(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，提供豐富的API和應用模板以支持各類行業(yè)應用和智能硬件的開發(fā)，能夠有效降低物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)和部署成本，滿足物聯(lián)網(wǎng)領域設備連接、協(xié)議適配、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)安全、大數(shù)據(jù)分析等平臺服務需求[8]。

本系統(tǒng)通過ESP8266模塊的UART接口與單片機通信，通過AT指令與OneNET物聯(lián)網(wǎng)開放平臺建立TCP連接[9]，傳輸傳感器采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)與統(tǒng)計人數(shù)，用戶可以通過網(wǎng)頁或手機隨時隨地在平臺上監(jiān)測教室中的各項數(shù)據(jù)，也可以通過平臺上的工具將數(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)，當某個值達到設定的閾值時便可觸發(fā)對應電器的操作，如開關燈、開關風扇、開關窗簾等。

本系統(tǒng)設計了兩種觸發(fā)執(zhí)行單元模式，用戶可根據(jù)實際需要選擇自動模式或手動模式。

自動模式：當溫度、光照、人數(shù)滿足設定閾值時觸發(fā)對繼電器的操作，從而打開或者切斷所需控制電器的電源，從而達到開關電器的目的。

手動模式：可通過觸摸屏或紅外遙控器手動控制用電器的開關。

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，其中窗簾采用步進電機控制，以精確控制窗簾打開的距離。步進電機將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移[10]。通過單片機控制脈沖來控制步進電機正反轉以及轉動圈數(shù)[11]，從而達到控制窗簾開閉的目的。

2.4 控制單元

系統(tǒng)采用意法半導體公司生產(chǎn)的STM32F429芯片控制系統(tǒng)運行。STM32系列芯片是一款高性能、低功耗、高性價比的控制芯片，被廣泛運用在微控制領域。本系統(tǒng)采用基于ARM-Cortex-M4內核的芯片，其最大工作頻率達180 MHz，與其他型號相比，因其內部有Chrom-ART Accelerator圖像加速器[12]，所以運行GUI會更加流暢。

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設置的閾值和執(zhí)行模式;向OneNET云平臺傳輸教室環(huán)境參數(shù)，從而使得整個系統(tǒng)使用便捷且直觀。

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

800 Lux時關閉燈光，當光照強度大于1 200 Lux時將窗簾關閉一半。初始設定溫度觸發(fā)閾值為：當溫度大于26 ℃，根據(jù)教室內人數(shù)開啟風扇，風扇開啟狀態(tài)溫度降至24 ℃以下時關閉風扇，初始值可根據(jù)實際情況通過觸屏修改。

2.5 人機交互

本次設計實現(xiàn)了MCU自動控制或手動控制用電器的開關。

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。紅外接收設備可由紅外接收電路、紅外解碼芯片、電源和應用電路組成。本文采用HS0038紅外接收探頭，集遙控信號的接收、放大、檢波、整形于一身，可輸出便于單片機識別的TTL信號，大大簡化了接收電路的復雜程度和電路的設計工作，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實時操作系統(tǒng)和emWin圖形化操作界面。μC/OS是Micrium公司出品的RTOS類實時操作系統(tǒng)，μC/OS-Ⅲ是一個可裁剪、可剝奪型的多任務內核，且無任務數(shù)限制;提供實時操作系統(tǒng)所需的所有功能，包括資源管理、同步、任務通信等[15]。emWin是Segger公司針對嵌入式平臺開發(fā)的穩(wěn)定、高效的圖形軟件庫，適用于任何圖形LCD的操作應用，并可輸出高質量、無鋸齒的文字和圖形，通過調用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程形式進行，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設計GUI界面，可直接導出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，調用嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅲ管理。

3 測試結果與分析

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：用戶可以在終端實時監(jiān)測室內環(huán)境數(shù)據(jù)。

虛擬按鍵部分：終端交互界面設置有自動/手動模式按鍵，窗簾、照明、風扇控制按鍵，無線連接按鍵，時間校準按鍵，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現(xiàn)人機交互。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、光照強度和人數(shù)數(shù)據(jù)將通過WiFi上傳到OneNET平臺。每個不同的數(shù)據(jù)都對應著不同的數(shù)據(jù)流，平臺不斷查詢數(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，通過OneNET官方提供的數(shù)據(jù)導出工具OneNET Server1.16.10.9_packed.exe將監(jiān)測數(shù)據(jù)導出至數(shù)據(jù)庫。OneNET平臺數(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]，斷電時仍能監(jiān)測教室中的數(shù)據(jù)并上傳。

4 結 語

本文根據(jù)智能教室的需求，設計了基于物聯(lián)網(wǎng)結構的教室環(huán)境測控系統(tǒng)，采用多種傳感器監(jiān)測教室內的環(huán)境參數(shù)，按設定的規(guī)則對風扇、日光燈和窗簾進行自動控制，并提供方便的閾值設置和手動控制功能。同時，教室的各種數(shù)據(jù)會被上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，一方面可以隨時隨地查看某個教室的數(shù)據(jù)，另一方面也可以對這些數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到一些規(guī)律性的結果。經(jīng)測試，智能教室環(huán)境測控系統(tǒng)運行正常，控制效果良好，功耗低，具有較好的應用前景。

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