基于LoRa 的高校教室節能監控系統設計

楊秀增，宋俊慷

（廣西民族師范學院物聯網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］。 經調查,發現教室的電腦、投影儀、照明燈、風扇和空調等設備經常忘記關機,教室浪費電的現象十分嚴重［3-6］。 因此,設計一套教室節能監控系統,對高校節能減排,降低高校的教學成本,具有很大的現實意義。

針對教室浪費電的現象,本文設計一套基于物聯網的教室節能遠程節能監控系統。 本系統采用LoRa無線擴頻通信技術,把每間教室用電器用電狀態,傳回值班室的數據集中器中,方便值班室管理人員對教室用電進行統一管理。 數據集中器再通過4G 模塊把每一間教室的用電數據發到遠程的數據信息管理平臺,實現信息化和網絡化管理。

1 系統總體拓撲結構

本系統的總體設計的拓撲結構,主要由教室從機控制器、值班室數據集中器和與數據監控中心等部分組成(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,采集每間教室的環境參數和驅動繼電器工作,并把采集到的數據發到值班室主機中。 值班室數據集中器主要由LoRa 通信模塊、ARM 控制器和4G 通信模塊組成。 其主要作用是數據收集和指令發送。 數據監控中心主要由4G 信號發射塔、服務器和監控中心電腦等組成。 其主要作用是管理和儲存數據集中器發回的教室節能數據,實現節能數據的網絡化管理。

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,支持自動中斷組網功能,具有傳輸距離遠、功耗低等優點。 LCD 觸摸顯示模塊是輸出設備,用于顯示教室內工作狀態等。 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,用于感知教室中環境參數。

圖2 教室從機控制電路原理

2.2 數據集中器硬件電路設計

數據集中器硬件主要由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,用于顯示數據。串口4 與4G 通信模塊相連,用于4G 網絡通信,把采集到的數據發到數據監控中心。

圖3 數據集中器

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。 然后,初始化LCD 顯示模塊和打開串口0 中斷。 初始化完成后,系統查詢串口0 是否收到值班數據主機發出的命令,如果收到命令,則執行工作狀態更改程序,根據預設參數值,驅動相關繼電器工作,如果從機沒有收到命令,單片機讀取教室內光照、濕度和溫度環境數據,再通過人體紅外感應模塊判斷教室是否有人。 如果沒有人,則關掉教室內所有的電源,否則單片機執行工作狀態更改程序；如果教室內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 數據集中器程序設計

數據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 無線網絡和打開串口0中斷,并向各教室從機依次發送狀態查詢命令。 命令發出后,單片機執行延時子程序,等待從機響應。 然后,查詢串口0 是否接收到響應數據,如果接收到響應數據,單片機解析數據包及保存數據,否則從機地址加1 返回。 當收到響應數據時,判斷是否是從機數據,如果不是,則從機地址加1 返回。 如果收到的響應數據是最后從機數據,單片機分析數據,則向教室從機發狀態命令。 數據處理完成之后,單處機把從機數據以數據包形式通過4G 通信模塊發送服務器。

圖5 數據集中器程序算法流程

4 系統測試

根據以上技術方案,設計樣機測試系統方案。 把從機樣機安裝在不同教室主機數據集中器放在值班室中進行測試,系統上電之后,從機不斷地把采集到的數據傳回主機,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模不斷擴大,在校大學生人數逐年高攀,為學生提供的教室數量不斷地增大,如何有效地進行教室節能管理是一個問題。 本文利用物聯網技術,設計物聯網的教室節能遠程節能監控系統,具有較好的實用價值。