基于STM32 與Python 的智慧教室控制系統(tǒng)

林鵬程

（廈門(mén)理工學(xué)院 繼續(xù)教育學(xué)院，福建 廈門(mén) 361005）

0 引 言

智慧教室是指為教學(xué)活動(dòng)提供智慧應(yīng)用服務(wù)的教室空間及其軟硬件裝備的總和[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展讓智慧教室在全國(guó)各個(gè)高校逐漸普及。作為技術(shù)與教育相結(jié)合的產(chǎn)物，智慧教室不僅僅是教師教授知識(shí)的場(chǎng)所，更是教師探索新方式、完成課程改革的重要手段。全國(guó)各學(xué)校也紛紛圍繞智慧教室展開(kāi)了一系列改革，甚至將智慧教室所提供的技術(shù)完全融入到課堂當(dāng)中。因此，建設(shè)智慧教室，實(shí)現(xiàn)智能化教學(xué)、智能化管理、智能化學(xué)習(xí)是每所學(xué)校都要考慮的事情。

關(guān)于智慧教室的建設(shè)已有諸多研究。王建[2]系統(tǒng)闡述了智慧教室的建設(shè)原則與目標(biāo)，并從體系架構(gòu)、功能模塊設(shè)計(jì)、技術(shù)實(shí)現(xiàn)3 個(gè)層面展開(kāi)論述；程敏[3]在智慧教室中加入了智能控制和管理、顯示系統(tǒng)、分組協(xié)作互動(dòng)、課程錄播、遠(yuǎn)程教學(xué)、學(xué)習(xí)資源、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、AI 系統(tǒng)、VR 系統(tǒng)和課堂支持等，以應(yīng)對(duì)不同的教學(xué)模式；陳志華[4]采用ZigBee、RFID 技術(shù)，結(jié)合各種傳感器開(kāi)發(fā)了一套智慧教室控制管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了信息化、智能化、集成化管理。盧志翠同樣采用ZigBee 技術(shù)實(shí)現(xiàn)智慧教室多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的感知與控制，并且使用PID 控制算法來(lái)保持智慧教室的環(huán)境參數(shù)；孟秉恒[5]、侯恩碩[6]則是在智慧教室中引入手勢(shì)識(shí)別、腦電設(shè)備以滿足各自對(duì)智慧教室應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

智慧教室朝著豐富的應(yīng)用方向發(fā)展，但隨之而來(lái)的是復(fù)雜的操作流程以及臃腫的硬件設(shè)施。針對(duì)該問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套基于STM32 控制板與Python、Window 客戶端相結(jié)合的高度集成的智慧教室系統(tǒng)[7-8]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

圖1 所示為系統(tǒng)框架。計(jì)算機(jī)是距離教師最近的設(shè)備，也是本系統(tǒng)的核心機(jī)器之一。計(jì)算機(jī)首先需要連接路由器（或者交換機(jī)）并獲取IP 地址才能與因特網(wǎng)連接；其次，電腦也是控制智慧教室內(nèi)設(shè)備的主要控制端，在該系統(tǒng)中，電腦需經(jīng)過(guò)一塊控制卡間接與設(shè)備相連，控制卡與講臺(tái)計(jì)算機(jī)間采用串口通信。控制卡通過(guò)各種接口連接至智慧教室的常見(jiàn)終端設(shè)備。智慧教室中常見(jiàn)的終端設(shè)備，如投影儀、幕布、音響、有線及無(wú)線麥克風(fēng)、功率放大器、燈以及用于投屏的多臺(tái)電視機(jī)構(gòu)成的矩陣電視。終端設(shè)備需要220 V 交流電供電，系統(tǒng)采用6 路繼電器分別控制設(shè)備的電源。此外，有的設(shè)備還需要額外的控制線，比如，投影儀需要RS 232 控制線；電視需要紅外發(fā)射器控制電視；燈光除可以通過(guò)命令來(lái)控制外，系統(tǒng)還設(shè)置了實(shí)體按鍵控制。

2 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包含了一塊STM32 控制卡，根據(jù)系統(tǒng)框架及接口需求，STM32 控制燈光、繼電器組使用普通的GPIO 即可，紅外發(fā)射與接收器也需要2 個(gè)具有復(fù)用功能的GPIO口，另需兩個(gè)串口用來(lái)進(jìn)行通信與控制，因此系統(tǒng)選擇STM32F103RCT6 作為主控芯片。

該芯片的最小系統(tǒng)已在圖2 的硬件原理圖中給出，驅(qū)動(dòng)該芯片需由復(fù)位電路、外部晶振、啟動(dòng)模式配合。此外，為了確保芯片穩(wěn)定工作，系統(tǒng)額外增加了濾波電容電路。通信方面，系統(tǒng)采用JTAG-SW 接口燒錄程序，與外圍通信所需的串口則使用芯片提供的1 號(hào)及5 號(hào)串口；電源模塊使用AMS1117 芯片將5 V 直流電壓降壓至STM32 芯片的工作電壓3.3 V。

圖2 硬件原理

系統(tǒng)外設(shè)接口也在圖2 給出，紅外發(fā)射接收模塊用于控制智慧教室內(nèi)的矩陣電視、空調(diào)等需要遙控的設(shè)備；燈光實(shí)體按鍵用于控制教室內(nèi)的燈光，教室燈分成兩組，因此使用兩個(gè)實(shí)體按鍵；系統(tǒng)中各設(shè)備的電源采用六路繼電器控制，燈光、音響功放電源接至繼電器常閉接口，其他設(shè)備電源接至繼電器常開(kāi)接口，方便平常使用[9]。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 STM32 控制端軟件設(shè)計(jì)

圖3 是該STM32 控制端采用的軟件流程，主要完成數(shù)據(jù)通信解析與外接設(shè)備的控制。上電后，芯片首先進(jìn)行初始化，初始化1 號(hào)UART 的波特率為115 200 bit/s，5 號(hào)串口的波特率則根據(jù)連接的投影儀型號(hào)更改，接著完成控制繼電器組、實(shí)體按鍵、紅外發(fā)射接收GPIO 口的初始化。在設(shè)置紅外發(fā)射接收GPIO 口時(shí)，對(duì)定時(shí)器1 和定時(shí)器4 進(jìn)行初始化，定時(shí)器1 將用于捕獲紅外接收管接收的信號(hào)，因此初始化時(shí)將其設(shè)置為上升沿捕獲；定時(shí)器4 將用于產(chǎn)生待發(fā)射信號(hào)及38 kHz 載波，因此在初始化時(shí)，使用定時(shí)器4 的脈寬調(diào)制功能。

圖3 STM32 軟件主體流程

初始化完成后，程序進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)，處理按鍵及1 號(hào)串口接收的數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到實(shí)體按鍵開(kāi)關(guān)狀態(tài)發(fā)生改變后，芯片將控制燈光的繼電器做出相應(yīng)改變；當(dāng)1 號(hào)串口接收到講臺(tái)電腦發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)，將解析并控制外設(shè)做出相應(yīng)的動(dòng)作。1 號(hào)串口的數(shù)據(jù)格式如圖4 所示，數(shù)據(jù)幀共占4 個(gè)字節(jié)，2 個(gè)起始字節(jié)，1 個(gè)結(jié)束字節(jié)，有效數(shù)據(jù)1 個(gè)字節(jié)。有效數(shù)據(jù)字節(jié)中，高4 位用于標(biāo)識(shí)繼電器狀態(tài)，接下來(lái)2 位用于標(biāo)識(shí)投影儀及矩陣電視的開(kāi)關(guān)，低2 位作為數(shù)據(jù)類(lèi)型的標(biāo)識(shí)。標(biāo)識(shí)繼電器的數(shù)據(jù)位中，將第一位用于標(biāo)識(shí)燈光狀態(tài)是否發(fā)生改變，以免與實(shí)體按鍵發(fā)生沖突。矩陣電視的控制將通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外信號(hào)控制，投影儀的控制將通過(guò)5 號(hào)串口根據(jù)投影儀的型號(hào)傳輸相應(yīng)代碼。以索尼投影儀為例，需將串口5 波特率設(shè)置為38 400 bit/s，當(dāng)需開(kāi)機(jī)時(shí)發(fā)送代碼A9172E0000003F9A 即可。數(shù)據(jù)類(lèi)型用于判斷該數(shù)據(jù)包屬于查詢數(shù)據(jù)包還是控制數(shù)據(jù)包，“00”表示查詢數(shù)據(jù)包，“01”表示控制數(shù)據(jù)包，“10”與“11”保留。

圖4 串口數(shù)據(jù)格式

3.2 客戶端軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)框架，客戶端完成外設(shè)操作并與STM32 控制板通信。客戶端運(yùn)行于講臺(tái)計(jì)算機(jī)的Windows 系統(tǒng)，采用Python 的Tkinter 庫(kù)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)使用的組件框架如圖5 所示，在一個(gè)窗口內(nèi)設(shè)計(jì)2 個(gè)LabelFrame，分別用于集成化一鍵控制和設(shè)備單獨(dú)控制。

圖5 界面組件框架

系統(tǒng)使用串口與STM32 控制板通信，故在“一鍵設(shè)置”界面中配合Label 和Button 組件以連接串口建立通信。“一鍵上課”與“一鍵下課”為多設(shè)備同時(shí)控制按鈕，例如，當(dāng)按下“一鍵上課”按鈕，就能同時(shí)打開(kāi)投影儀、燈光、電視、功放等設(shè)備。

設(shè)備狀態(tài)與設(shè)置用于顯示當(dāng)前設(shè)備的狀態(tài)并可通過(guò)按鈕控制各設(shè)備的開(kāi)關(guān)。設(shè)備狀態(tài)的顯示采用TreeView 組件設(shè)計(jì)2 行6 列的表格，設(shè)備的控制則使用8 組打開(kāi)、關(guān)閉的按鈕，按鈕使用Button 組件設(shè)計(jì)，并關(guān)聯(lián)至串口數(shù)據(jù)生成函數(shù)，最終界面如圖6 所示。

圖6 客戶端界面

圖7 是Windows 客戶端軟件的主要流程，創(chuàng)建完UI界面后即進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)等待按鍵按下。當(dāng)按下UI 界面的“關(guān)閉”后，流程結(jié)束。若檢測(cè)到圖6 界面中的控制按鍵按下，則跳轉(zhuǎn)到按鍵綁定的響應(yīng)函數(shù)，作出相應(yīng)動(dòng)作。例如，當(dāng)檢測(cè)到“一鍵上課”按鈕按下，則進(jìn)入one_begin 函數(shù)。在函數(shù)內(nèi)部將生成待發(fā)送的數(shù)據(jù)0x5D7EFD00，最后調(diào)用串口數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)write_bytes 將數(shù)據(jù)發(fā)送至STM32 控制板[10]。

圖7 客戶端軟件流程

4 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)智慧教室的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合STM32 與Python技術(shù)，設(shè)計(jì)了集成化的智慧教室控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能通過(guò)客戶端控制智慧教室內(nèi)的所有設(shè)備，硬件高度集成，操作簡(jiǎn)單，應(yīng)用前景廣泛。