智慧教室的遠程無線控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

朱文盛，劉保菊

（平頂山學院信息工程學院，河南平頂山 467000）

教育決定著一個國家的綜合國力，決定著一個國家是否能夠強大。近些年來，中小學教育成為了社會關注的焦點，人們越來越關注教育的方方面面。學習環(huán)境，不僅影響著中小學生們的身心健康，還影響學生們的學習效率。為了監(jiān)測學生的學習環(huán)境，對教室內的物理環(huán)境信息進行實時采集[1]。步進電機實時控制窗簾來調節(jié)教室內的光線亮暗，保證教室內的光線不能太強，也不能太暗[2]。學校的規(guī)章制度要求學生們必須按時上課。如果發(fā)現(xiàn)學生沒有到校，老師們應該及時確定原因，為了確保出勤數(shù)據(jù)的真實可靠，通過人臉識別的方式進行出勤統(tǒng)計[3]。學校的管理人員和老師可以通過云智能APP 或者阿里云平臺遠程監(jiān)控教室內的環(huán)境和控制教室的電燈[4]。系統(tǒng)方便了教師的管理，節(jié)省了人力、物力、財力，降低了資源的消耗。

1 系統(tǒng)總體設計方案

智慧教室的遠程無線控制系統(tǒng)主要功能分為感知層、傳輸層、應用層三層。感知層包括數(shù)據(jù)采集、出勤統(tǒng)計、控制三部分。數(shù)據(jù)采集包括光照強度傳感器、溫濕度傳感器、空氣質量傳感器對教室內物理環(huán)境的實時采集。出勤統(tǒng)計包括K210 人臉模塊通過人臉識別的方式對學生的實到人數(shù)進行統(tǒng)計。控制包括繼電器對教室內電燈的控制和步進電機對窗簾的自動化控制。傳輸層是指通過WIFI 模塊將感知層采集的數(shù)據(jù)實時上傳阿里云平臺，并且下發(fā)應用層的命令。應用層是指云智能APP 和阿里云平臺，學校的管理人員可以實時了解數(shù)據(jù)以及控制教室內電燈的狀態(tài)。圖1 為系統(tǒng)設計框圖。

圖1 系統(tǒng)設計框圖

2 硬件設計

系統(tǒng)硬件以STM32F103C8T6 單片機作為主控制器[5]，WIFI 通信模塊用于無線通信，DHT11 溫度傳感器用于檢測溫度和濕度，MQ-135 空氣質量傳感器用于檢測空氣質量，TEMT6000 光照強度傳感器用于檢測光照強度，繼電器模塊控制電燈的狀態(tài)，28BYJ4步進電機自動化控制窗簾，1.77 寸LCD 顯示屏顯示數(shù)據(jù)，K210 人臉識別模塊對學生的身份進行識別。

2.1 STM32最小系統(tǒng)板

系統(tǒng)設計使用了STM32 最小系統(tǒng)板，主控芯片是意法半導體公司推出的的32 位微控制器STM32 F103C8T6。芯片采用的封裝為LQFP48。STM32 最小系統(tǒng)板由主控電路、復位電路、SWD 下載電路、BOOT 啟動電路、LED 燈電路、晶振電路、5 V 轉3.3 V電路、USB 接口電路組成。

2.2 LCD顯示屏模塊

該文設計采用的1.77 寸LCD 顯示屏的分辨率是128×RGB×160，顏色為65K/256K。它的顯示模式為普通黑色，正常工作溫度在-20～70 ℃之間。除此之外，屏幕的功耗比較低。與0.96 寸OLED 顯示屏相比，不僅顯示的字符多，還能顯示彩色文字和圖片。LCD 屏幕模塊上的VCC 連接單片機的3.3 V 進行供電，GND 連接單片機的GND，LCD_CS 連接單片機的PB3，LCD_DC 連接單片機的PB4、LCD_SCL 連接單片機的PB5、LCD_SDI 連接單片機的PB6、LCD_RES連接單片機的PB7。根據(jù)官方提供的字符取模教程，把取好的字模復制到lcdfont.h 文件里。圖2 為1.77 寸LCD 顯示屏模塊原理圖。

圖2 1.77寸LCD顯示屏模塊原理圖

2.3 溫濕度傳感器

該文設計采用了DHT11 溫濕度傳感器，它是一種數(shù)字傳感器。該傳感器的優(yōu)點是測量精度高、價格便宜、穩(wěn)定性好。濕度測量的范圍在20～90%RH之間，溫度測量的范圍在0～50 ℃之間。供電范圍在3.3～5 V 之間，該傳感器使用3.3 V 進行供電。該模塊的DATA 端接單片機的PB1 引腳。

2.4 光照強度傳感器

該文設計使用了TEMT6000 光照強度傳感器，它是一種模擬傳感器。它的靈敏度極高，能夠達到570 nm。光照強度越強，光敏電阻的阻值就越小。通過單片機高精度的ADC 功能，將光照強度傳感器兩端的電壓模擬量轉化成數(shù)字量。通過一定的算法，將數(shù)字量轉化成光照強度。該光照強度傳感器價格便宜、精度高。模塊的S 端連接單片機的PA0，該I/O 口具備ADC 功能。該傳感器使用5 V 供電。

2.5 空氣質量傳感器

該文設計使用了MQ-135 空氣質量傳感器，它是一種模擬傳感器。該傳感器成本低，不僅能檢測多種有害氣體，還能檢測煙霧。當空氣中污染氣體濃度升高時，傳感器表面材料的導電率會變大。單片機通過高精度的ADC 功能將傳感器的電壓模擬量轉化成數(shù)字量。在程序設計中，通過一定的算法將數(shù)字量轉化成空氣質量。AO 端連接單片機的PA1，該I/O 口具備ADC 功能，該傳感器使用了5 V 供電。傳感器正常工作時會發(fā)熱，這是因為內部有發(fā)熱絲。

2.6 WIFI通信模塊

該文設計使用了ESP8266-01 型號的WIFI 模塊，內置集成的天線。它最高頻率可達160 MHz,是由上海樂鑫公司開發(fā)的，其優(yōu)點是經(jīng)濟實惠、功耗低、傳輸速率穩(wěn)定。該設計使用了AT 指令進行開發(fā)，數(shù)據(jù)傳輸使用了物聯(lián)網(wǎng)MQTT 協(xié)議。模塊支持三種工作模式：AP 模式、Station 模式以及AP 和Station 合二為一的模式。該設計中使用3.3 V 對WIFI 模塊進行供電，使用5 V 供電會燒壞WIFI 模組。模組通過串口與單片機進行通信，模塊的RXD連接單片機的PA2，模塊的TXD 連接單片機的PA3，模塊的EN 連接單片機的PB12。

2.7 繼電器模塊

該文設計使用了1 路繼電器，用于對教室內電燈進行控制。繼電器觸發(fā)方式為低電平觸發(fā)NC 為常閉端，NO 為常開端，COM 為常閉端，左側相當于一個單擲開關，右側引腳為模塊供電以及輸入控制信號。當右側的輸入脈沖為高電平時，公共端與常閉端連接，綠色燈LED8 不亮，左側關閉開關。當右側的輸入脈沖為低電平時，公共端與常開端連接，綠色燈LED8 亮，右側打開開關。繼電器模塊使用5 V 供電，1N 接單片機的PA15。只要模塊上電，紅燈LED4會一直亮。

2.8 步進電機模塊

該文設計使用了28BYJ4 步進電機，它一種將電脈沖轉化為角位移的電機。步進電機與傳統(tǒng)的直流電機相比，其轉動距離是可以控制的，且不受電壓變化的影響。由于步進電機的正常工作電壓在5～12 V之間，單片機的接口不能提供這么大的驅動電壓，需要使用ULN2003 驅動板驅動步進電機工作。驅動板需要5 V 電壓進供電才能正常工作。步進電機的1C連接單片機的PA4，2C 連接單片機的PA5，3C 連接單片機的PA6，4C 分別接單片機的PA7。

2.9 K210人臉識別模塊

該文設計采用了海凌科公司生產(chǎn)的K210 人臉識別模塊。通過人臉識別的方式對學生的出勤情況進行統(tǒng)計。該模塊不需要二次開發(fā)，內置AI 人臉識別算法和模型庫，可快速啟動；STM32 單片機驅動代碼極少，極易驅動，直接通過單片機的串口進行通信。使用該模塊支持活體識別，可以防照片、防視頻。該該模塊使用單片機的串口3 進行通信。該模塊上CH340 芯片的焊點CRX、CTX 分別接單片機的PB11、PB10 引腳。

3 軟件設計

3.1 主程序設計

當系統(tǒng)開始工作時，溫濕度傳感器、空氣質量傳感器模塊、光照強度傳感器模塊、WIFI 模塊等各個硬件模塊進行初始化。經(jīng)過短暫時間后，系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)、統(tǒng)計實到人數(shù)。將采集的數(shù)據(jù)顯示在LCD 顯示屏上，并將數(shù)據(jù)上傳到阿里云物聯(lián)平臺。步進電機根據(jù)采集的光照強度自動拉動窗簾到合適的位置。根據(jù)阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺或者云智能APP 下發(fā)的命令，系統(tǒng)執(zhí)行對繼電器相應的邏輯控制命令。主程序流程圖如圖3 所示。

3.2 光照強度檢測子程序設計

由于該文設計使用的光照強度傳感器是模擬傳感器，為了減少誤差值，對單片機ADC 采集到電壓值進行五次取平均值。然后，通過算法計算光照強度。最終通過LCD 屏幕進行顯示，并且上傳到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺。光強度檢測子程序流程圖如圖4所示。

圖4 光照強度檢測子流程圖

3.3 空氣質量檢測子程序設計

由于設計使用的空氣質量檢測傳感器也是模擬傳感器，為了減少誤差值，對單片機ADC 采集到的電壓值進行五次取平均值操作。然后，通過算法計算空氣質量指數(shù)。最終通過LCD 屏幕進行顯示，并且上傳到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺。空氣質量檢測子程序流程圖如圖5 所示。

圖5 空氣質量檢測子流程圖

3.4 溫濕度檢測子程序設計

該文設計使用的溫濕度傳感器是數(shù)字傳感器，所以軟件的數(shù)據(jù)處理部分開發(fā)難度降低了。首先，要對連接單片機的端口進行初始化。通過DHT11_Read_Data(&wendu,&shidu)讀取溫濕度值。最終通過LCD 顯示屏進行顯示，上傳到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺。溫濕度檢測子程序流程圖如圖6 所示。

圖6 溫濕度檢測子流程圖

4 測試部分

系統(tǒng)經(jīng)過嚴格的測試，上電后系統(tǒng)能夠正常的運行。經(jīng)過多次測試表明步進電機對于窗簾的控制穩(wěn)定，系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)與用相關的儀器測試的誤差合理。在電腦端登錄阿里云平臺，可以看到實時采集的數(shù)據(jù)，并且能夠實時下發(fā)命令控制教室內的電燈。同樣，通過手機端云智能APP 也能穩(wěn)定的實現(xiàn)各功能。同時對比兩者與LCD 顯示屏顯示的數(shù)據(jù)，幾乎一致。除此之外，阿里云平臺和云智能APP的使用不受地理位置限制。云智能APP 控制界面如圖7所示。

圖7 云智能APP控制界面

5 結論

該文主要設計了一個基于STM32 單片機的智慧教室的遠程無線控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)教室內溫度、濕度、空氣質量、光照強度等環(huán)境信息的采集，并通過阿里云平臺或者云智能APP 遠程下發(fā)命令控制繼電器進而控制教室內的電燈，采用WIFI 模塊實現(xiàn)對教室內環(huán)境信息的數(shù)據(jù)上傳，通過人臉識別來統(tǒng)計出勤，使用步進電機自動化控制窗簾。由于使用了WIFI 無線模塊通信，對于WIFI 信號的要求比較高。如果，WIFI信號的質量不好，會出現(xiàn)掉線的現(xiàn)象。

該文設計的創(chuàng)新點：因為出勤統(tǒng)計使用的人臉識別是對活體進行識別，防止了圖片和視頻識別，使的出勤數(shù)據(jù)更加真實。步進電機對于窗簾的自動化控制，改變了傳統(tǒng)的手動拉窗簾的方式，方便了人們的生活。