基于物聯網的智能教室環境測控系統

石鑫 張興宇 邵金彪 江朝暉

摘 要：為了提供舒適、節能的教室環境，文中設計了一款基于物聯網架構的教室環境測控系統。測控終端以STM32嵌入式微處理器為核心，采集教室內溫度、光照和人數等信息，按照設定的規則控制風扇、日光燈和窗簾動作，并將數據上傳到OneNET平臺，供后臺統計分析。系統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;環境測控;紅外感知;OneNET平臺;節能;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

智能教室是教室發展和變革的階段性產物[1]，是現代教育的發展方向，主要包括教學設施運用管理和室內環境測控兩部分。智能教室環境測控系統著眼于提供舒適、節能的室內環境[2]，例如浙江財經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能系統來實現節能目標，但實際效果不好;華南理工大學采用人工手動選擇，但節能效果并不理想，還有待發展和提高。總體來說，目前的教室環境測控系統多為區域化控制[3]，手動控制居多，無法實現智能目標。

本文采用嵌入式微處理器與中國移動物聯網開發平臺OneNET[4]設計并制作了一款智能教室環境測控系統，該系統采用DS18B20傳感器采集室內溫度，采用BH1750FVI傳感器采集光照強度，采用紅外對管統計室內人數，根據實際數據經運算自動控制風扇、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。為了實現管理的網絡化，用戶可以在OneNET云平臺上實時監控室內環境。

1 系統結構

智能教室環境測控系統結構如圖1所示。該系統由數據采集模塊、控制模塊、執行模塊、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 數據采集

2.1.1 溫度采集

溫度采集使用型號為DS18B20的數字溫度傳感器。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字量。

2.1.3 人數統計

人數統計主要由紅外對管及電壓比較器LM324（運算放大器開環作為電壓比較器）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，同時根據兩組紅外對管來判斷是進入還是外出。通過統計進出教室的人數來判斷教室中現有學生的數量，從而改變MCU計數器上的值為教室人數值。人數統計硬件電路如圖2所示，人數統計流程如圖3所示。

2.2 與云平臺通信

傳感器采集到的數據可通過ESP8266-01S WiFi芯片接入互聯網。該芯片在較小尺寸上集成了業界領先的Tensilica L106超低功耗32位微型MCU，支持標準的IEEE 802.11b/g/n協議，擁有完整的TCP/IP協議棧和多樣化的接口[7]。

中國移動物聯網開放平臺是基于物聯網技術和產業特點設計的PaaS物聯網開放平臺和生態環境。OneNET可適配各種網絡環境和協議類型，支持各類傳感器和智能硬件的快速接入和大數據服務，提供豐富的API和應用模板以支持各類行業應用和智能硬件的開發，能夠有效降低物聯網應用開發和部署成本，滿足物聯網領域設備連接、協議適配、數據存儲、數據安全、大數據分析等平臺服務需求[8]。

本系統通過ESP8266模塊的UART接口與單片機通信，通過AT指令與OneNET物聯網開放平臺建立TCP連接[9]，傳輸傳感器采集到的環境數據與統計人數，用戶可以通過網頁或手機隨時隨地在平臺上監測教室中的各項數據，也可以通過平臺上的工具將數據以一定的格式繪制成表圖，分析教室中各項參數的變化趨勢。WiFi模塊接線圖如圖4所示。

2.3 執行單元

MCU分析傳感器的數據，當某個值達到設定的閾值時便可觸發對應電器的操作，如開關燈、開關風扇、開關窗簾等。

本系統設計了兩種觸發執行單元模式，用戶可根據實際需要選擇自動模式或手動模式。

自動模式：當溫度、光照、人數滿足設定閾值時觸發對繼電器的操作，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。

所有觸發用電器的操作都可通過MCU向各繼電器發送控制指令，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為角位移或線位移[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[11]，從而達到控制窗簾開閉的目的。

2.4 控制單元

系統采用意法半導體公司生產的STM32F429芯片控制系統運行。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境數據，與設定閾值比較以控制執行單元的操作;接收紅外遙控和觸摸控制改變設置的閾值和執行模式;向OneNET云平臺傳輸教室環境參數，從而使得整個系統使用便捷且直觀。

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，數據采集進程根據總線協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，對執行單元發送操作信號。執行單元工作的初始條件：當室內人數大于0時，開始工作;當光照強度低于350 Lux時觸發開燈指令、卷起窗簾，并根據教室內人數與總座位數的比例開啟燈光，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。初始設定溫度觸發閾值為：當溫度大于26 ℃，根據教室內人數開啟風扇，風扇開啟狀態溫度降至24 ℃以下時關閉風扇，初始值可根據實際情況通過觸屏修改。

2.5 人機交互

本次設計實現了MCU自動控制或手動控制用電器的開關。

2.5.1 紅外遙控

紅外線系統一般由紅外發射裝置和紅外接收設備兩部分組成[13]。紅外發射裝置由鍵盤電路、紅外編碼芯片、電源和紅外發射電路組成。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

系統移植了μC/OS-Ⅲ實時操作系統和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，μC/OS-Ⅲ是一個可裁剪、可剝奪型的多任務內核，且無任務數限制;提供實時操作系統所需的所有功能，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的穩定、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提供的函數接口開發嵌入式圖形界面變得簡單快捷，數據的采集與分析以小進程形式進行，通過屏幕將數據直觀反映出來。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測室內環境數據。

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人機交互。終端交互界面如圖6所示。

3.2 數據Web展示

教室中的溫度、光照強度和人數數據將通過WiFi上傳到OneNET平臺。每個不同的數據都對應著不同的數據流，平臺不斷查詢數據流是否更新，并將已更新的數據顯示在網頁上繪制成圖表。同時，通過OneNET官方提供的數據導出工具OneNET Server1.16.10.9_packed.exe將監測數據導出至數據庫。OneNET平臺數據顯示如圖7所示。智能教室環境測控系統測試結果見表1所列。

3.3 系統功耗

經測試，若一間教室中使用一套該系統，則系統最大工作電流小于300 mA，在顯示屏處于熄滅狀態時電流小于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]，斷電時仍能監測教室中的數據并上傳。

4 結 語

本文根據智能教室的需求，設計了基于物聯網結構的教室環境測控系統，采用多種傳感器監測教室內的環境參數，按設定的規則對風扇、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，教室的各種數據會被上傳到物聯網云平臺，一方面可以隨時隨地查看某個教室的數據，另一方面也可以對這些數據進行統計分析，得到一些規律性的結果。經測試，智能教室環境測控系統運行正常，控制效果良好，功耗低，具有較好的應用前景。

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