高校教學樓智能控制系統

沈加銳 王韜 楊娜 顧鴻虹

摘 要：針對大學公共區域資源浪費，設計實現基于物聯網計數，集環境智能調節、遠程監管、互聯網通信以及實施人數于一體的新型現代化智能控制系統，方便師生使用及學校管理。擬在教學樓內安裝必要的硬件設備，采用紅外對射實現人數統計，通過物聯網技術實現照明設施、控溫設施的節能使用，將相關數據實時顯示在各類終端設施。傳輸協議采用MQTT協議發布/訂閱機制，可遠程查看或控制教室設備開關情況。

關鍵詞：物聯網;教學樓;MQTT協議;ESP32;智能調節;遠程監控

中圖分類號：TP274文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）04-0-03

0 引 言

大學教育在不斷發展，相應大學教育的支出也逐年增加，尤其體現在教室和實驗室等公共區域支出等方面，而在這些區域中，照明以及納涼設施費電量尤為突出。在這些公共區域會經常出現人走燈未關、人空設備未停的現象，多數高校也采用人工管理的方式，由于管理人員并不能及時了解每個教室的實時情況，造成了能源消耗，不符合現代社會綠色節能理念。

隨著物聯網的發展，人們對無人監管區域有了更好的掌控方法，將物聯網和大學結合起來，在大學布置一個物聯網型、智能的調控公共區域。本文系統基于MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）發布/訂閱機制具有實現教室信息監控和教室設備控制的功能，MQTT協議是在計算能力不高、低寬帶、網絡不可靠的傳感器和單片機上實現信息傳遞的協議，由于其具有開銷小、代碼開源、可簡化開發流程、便于后期維護等優點，在信息高效傳輸的情況下能夠做到減少學校布置開支[1]。

1 系統總體設計方案

基于MQTT協議及時信息傳遞功能的智能型教學樓實現以下三個功能。系統總體框圖如圖1所示。

（1）通過ESP32控制各個傳感器讀取教室內有用信息，并發送至服務端，同時接收服務端發來的控制信息，調控教室內設備的狀態;

（2）服務端架設MQTT服務功能，作為信息“中轉站”，發送來自教室的信息到各客戶端，接收來自管理員的控制信息發送至教室;

（3）普通客戶端顯示來自教室的實時信息，管理員端除顯示信息還可發送控制信息至教室。

2 系統部分軟硬件設計

教室部分分為主控芯片、溫度傳感器、光照強度傳感器、紅外對射器四部分。服務器以及PC端（包括管理員）均為軟件設計，搭建MQTT協議通道以及觀察記錄界面[2]。

2.1 教室部分主控芯片的選擇

充分考慮教室過多，成本隨教室的增多而增多等問題，以及考慮到網絡環境并非理想網絡，同時又要連接三種傳感器，所以選擇使用ESP32boards作為主控芯片，ESP32 可作為獨立系統運行應用程序或主機 MCU 的從設備，通過SPI/SDIO或I2C/UART接口提供WiFi和藍牙功能，同時其包括精細分辨時鐘門控、省電模式和動態電壓調整等功能，工作溫度在-40～125 ℃，能夠囊括絕大部分中國地區溫度，減少因為溫度而引起的主控芯片不穩定、失控現象[3-5]。

溫度模塊選擇使用DS18b20，該模塊測溫范圍為-55～125 ℃，誤差為±1 ℃，輸出為數字信號，體積小、抗干擾能力強、高精度等特點都是測溫的最佳選擇。光照強度傳感器使用BH1750，其內置數模轉換器，可以直接輸出一個數字信號，使用I2C接口，測量范圍為1～65 535 lx。

2.2 MQTT協議

MQTT消息隊列遙測傳輸協議是IBM公司采用TCP/IP進行的即時通信協議，此協議可以運行在所有平臺，并且在單片機這樣不可靠的網絡中也能高效地傳輸信息。它通過發布/訂閱機制實現一對多的消息傳輸，減少了信息傳遞的開銷，消息頭部采用2 B，協議交換最小化，降低了信息流量[6-7]。MQTT消息頭見表1所列。

MQTT發布/訂閱機制實現消息一對多的傳輸中，服務器不需要對每個客戶端都開通一個TCP連接，其通過消息代理機制中的主題作為通信中介。MQTT協議就像一個有多入口的箱子，放東西的人可以往箱子里放進東西，多個取東西的人也都有入口取東西，取東西和放東西的人，以及取東西和取東西的人之間并不會妨礙到對方。

2.3 軟硬件實現通信

在教學樓布置溫濕度傳感器、光照強度傳感器、紅外對射傳感器等，將ESP32board作為每間教室的信息處理中心，溫濕度傳感器感應室內溫度濕度，以此作為教室內部控溫設備開關的依據，每個門口放置兩個紅外對射傳感器，判斷教室門口進出的人數。根據教室內部的人數和光照強度傳感器讀到的數據判斷室內光照情況，即判斷白天或夜晚，是否陰天光強不足。當判斷白天光照充足時，教室內部電燈不開，當夜晚或光照不足，且教室內部人數多于一個人時，自動打開燈，當人走空時，關閉燈光。收集傳感器信息、教室人數信息和設備狀態信息，通過ESP32模塊使用MQTT協議發送至總服務器，為實現信息校內外的共享，本文將服務器位置設置在阿里云外網[8]。

在PC端連接阿里云MQTT服務，訂閱查看教室信息，服務器會定時將數據發送至PC端。在教學樓管理員PC端，多增加訂閱控制教室設備消息，發送控制消息至服務器，服務器將控制消息發送至教室ESP32board，再由ESP32board控制教室設備開關[9]。系統信息傳遞示意如圖2所示。

傳感器塊、服務器塊、PC端功能明確，能夠降低程序的耦合性，每個模塊注重自己功能的實現，消息通過MQTT協議傳遞在各個部分之間。

3 具體實現過程

3.1 教室部分

中心處理板使用ESP32實現信息的收集和發送，ESP32板有多種固件選擇，既可以采用Arduino式編程，也可采用MicroPython編程，板子本身提供3.3 V和5 V兩種電壓，為不同傳感器提供實現條件。官方提供多種傳感器庫，在開源社區也有MQTT在ESP32上實現的庫，方便制作者開發。

教室端收集信息，每隔一定時間將數據發送到服務器，多次測試，調整發送格式，方便客戶端接受。同時訂閱由管理員發來的控制信息，讀取信息，若為電燈關閉信號，則關閉教室內電燈。同理，讀取其他設備控制信號，做出相應的改變。

3.2 服務器部分

租用阿里云服務器搭建MQTT環境，將服務器作為一個消息中介，教室模塊以及PC端模塊都可連接到服務器發布/訂閱消息。在Windows中通過網頁形式訪問服務器MQTT連接發送情況。Windows中訪問頁面形式如圖3所示。

3.3 PC部分

實際采用方案前，先通過第三方軟件連接服務器進行測試，包括IP、端口號、MQTT賬戶、密碼、訂閱機制、發布機制。同時測試服務器端發送的數據和PC測試軟件收到的數據是否一致，發送時間是否有延遲，多個連接是否會造成擁擠堵塞、有信息收不到或服務器有信息發送不出去的情況。

通過軟件測試，調整教室部分發送數據的格式，便于讀取接收。通信測試如圖4所示。

通過測試后，做一個PC自己可用的客戶端，專門用于接收數據和輸出數據，便于師生查看。若PC為管理員，再發布控制消息，最終實現遠程控制。PC端顯示界面如圖5所示。

4 結 語

MQTT協議應用于類似單片機這樣通信功能不強，但又需要遠程顯示、收集信息的場景。同時，MQTT為了應對不同場景的應用，也擁有三種不同形式的通信質量服務，可以根據自己單片機和周邊網絡環境選擇使用通信質量服務類型，不僅增加了服務質量，還有效減少了通信流量。師生可以在第一時間了解教室的使用情況，管理員也可以遠程管理教室，有助于改善資源浪費的情況。

參 考 文 獻

[1]王瑞，兀玉潔，李燕蘋.基于MQTT協議的物聯網實訓云平臺設計[J].工業控制計算機，2018，31（9）：101-103.

[2]謝琳，莊建.基于MQTT協議的智慧農場智能化管理系統[J].單片機與嵌入式系統應用，2018，18（9）：62-65.

[3]張玉杰，李楨，馮春倩.基于MQTT的DALI照明擴展系統的設計與實現[J].照明工程學報，2018，29（4）：84-88.

[4]邱雨，彭大芹，梁吉申，等.基于消息過濾算法實現MQTT協議智能家居的識別[J].現代電子技術，2018，41（16）：64-67.

[5]潘慧慧，吳磊，管守榮，等.智能照明系統在照明節能改造中的應用[J].集成電路應用，2018，35（8）：78-80.

[6]邢賽楠.MQTT傳輸安全問題淺析[J].科技與創新，2018（1）：17-18.

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[8]王培元，杜玉勝.一種基于MQTT協議的物聯網智能監控系統[J].信息技術與信息化，2018（1）：107-110.

[9]白昊.基于MQTT協議的物聯網平臺設計與實現[D].西安：西安郵電大學，2018.

[10]馮春倩.基于MQTT的物聯網設備接入及網絡通信方法的研究[D].西安：陜西科技大學，2018.