李玉環(huán),秦文華,周子力,吳冬梅

(曲阜師范大學 物理工程學院,山東 曲阜　273165)

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基于物聯網技術的教學樓電器智能監(jiān)控系統設計

李玉環(huán),秦文華,周子力,吳冬梅

(曲阜師范大學 物理工程學院,山東 曲阜273165)

摘要：針對校園用電嚴重浪費問題，為實現校園節(jié)能，結合物聯網和多種數據傳輸技術，設計了一種對學校教學樓各教室內電器集中化、網絡化和智能化的監(jiān)控系統;該系統以監(jiān)控網關為自動控制中心，對ZigBee網絡的終端節(jié)點采集的每個教室光強、溫度、人員活動以及所有教室常用電器開關狀態(tài)等信息，自動做出智能判斷并向ZigBee網絡終端下達開關常用電器以及門窗的指令；同時，連接至校園網的監(jiān)控網關也作為服務器，采用瀏覽器/服務器和客戶端/服務器模式，在Windows客戶端、Android手機客戶端和Web瀏覽器實時遠程查看每個教室用電器的工作狀態(tài)，并可以遠程人為干預各教室門窗和用電器的開關;該系統不但實現了遠程人為控制用電器，而且可根據各教室的光強、溫度以及人員活動等情況，自動智能控制每個教室內常用電器及門窗的開關;實際測試表明，該系統具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，大大減少了校園的能源浪費。

關鍵詞：物聯網；智能教室；教學樓；監(jiān)控網關；網絡監(jiān)控系統

0引言

節(jié)能環(huán)保目前越來越受到人們的關注，而人們在節(jié)能減排之時往往忽略身邊公共場所用電器的節(jié)能，如：學校教學樓內空調、電燈和風扇等電器的關閉往往被人們忽視，或者教室門窗未關，而空調卻處于開啟狀態(tài)等現象，造成能源的極大浪費。

假設有10座教學樓，每座教學樓有20個標準教室，每個教室有2個平均功率為3 500 W的立柜空調、20個45 W的電燈和10個70 W的風扇。當每個教室三者全部同時工作時，整個校園內每個小時，僅教室內常用電器將消耗10×20×(2×3500+20×45+10×70)=1 720 kW；但是如果空調開啟后不開啟風扇，整個校園內每小時將減少10×20×10×70=140 kW；如果電燈能及時關閉，整個校園每小時將減少10×20×20×45=180 kW；如果在窗戶均為關閉時，室內達到相同溫度時，每個空調的平均耗能將增加500 W，此時，整個校園內每小時將增加消耗10×20×2×500=220 kW；如果能夠遠程監(jiān)控并且自動智能地管理這些用電器，則可以減少不必要的能源消耗。

目前國內研究中，文獻[1-3]僅僅是對校園的照明進行監(jiān)控，而多數高校教室內還有空調、風扇等常用電器，這些文獻并未提出針對這些用電器智能控制的解決方案。文獻[1-2]沒有基于Internet的遠程監(jiān)控，使得監(jiān)控系統在使用時受到地域空間的限制，而文獻[3]中的控制系統雖借助了Internet，但是僅有Web界面，使得控制方式有局限性。

針對這種情況，將物聯網技術應用到對教學樓各教室常用電器的控制中，利用ZigBee協議將各教室用電器控制模塊按照一定的拓撲結構互聯起來，結合傳感器技術和多種數據傳輸技術，借助校園網，實現對教學樓每個教室的常用電器智能化、集中化和網絡化的監(jiān)控管理，達到節(jié)約能源的目的；同時，為使監(jiān)控變得更加高效便捷，設計了基于Internet的3種監(jiān)控客戶端：Windows PC客戶端、Android手機客戶端和Web客戶端。

1系統設計

圖1　系統整體結構圖

系統的整體結構設計如圖1所示，整個系統主要由各個教室內的終端感知單元(TSU)、監(jiān)控網關(MG)、校園網(CN)和客戶端(Clients)4部分組成。

1.1終端感知單元

終端感知單元主要是負責環(huán)境參數的檢測和對教室內用電器及門窗的開關控制。此子系統采用低功耗、低成本和大容量的ZigBee無線自組網方式，實現近距離、高可靠的雙向無線通信[4]。

每個教室的終端感知單元包括5個路由(ZigBee Routers)節(jié)點：此教室的電源總開關路由節(jié)點、電燈路由節(jié)點、風扇路由節(jié)點、空調路由節(jié)點和門窗路由節(jié)點，結構內容如圖2所示。

圖2　教室內的終端感知單元(TSU)

這5個路由節(jié)點除了包含：溫濕度檢測傳感器、可燃性氣體檢測傳感器、煙霧檢測傳感器、紅外熱釋電檢測傳感器、光照檢測傳感器、雨水檢測傳感器；還根據不同的受控用電器或設備，包含相關的控制模塊。

電燈或風扇的路由節(jié)點還包含：用電器運行狀態(tài)檢測模塊、電燈或風扇開關控制模塊；空調路由節(jié)點還包含：用電器運行狀態(tài)檢測模塊、空調控制模塊；電源總開關路由節(jié)點還包含繼電器模塊；門窗路由節(jié)點還包含：雨水檢測傳感器、門窗開關狀態(tài)檢測模塊、門窗開關控制器。

1.2監(jiān)控網關

監(jiān)控網關(MG)部分包括ZigBee網絡的協調器(ZC)和Internet服務器(Server)兩部分，其間通過UART串口進行實時的相互通信，協調器負責向服務器傳送所有路由(ZR)節(jié)點采集的教室環(huán)境參數，并向相關路由節(jié)點下達服務器依據這些參數做出的控制指令，該部分的結構如圖3所示。

圖3　監(jiān)控網關

服務器的主控芯片采用意法半導體(STMicroelectronics，ST)公司的STM32F107VCT6[5]。此芯片為互聯型芯片，支持以太網(Ethernet、IEEE1588)，集成了ARM CrotexTM-M3 32位RISC內核，最高工作頻率為72 MHz，擁有256KB的Flash、64KB的SRAM和連接在2條APB總線的大量增強型I/O，具有高性價比、低功耗等特點，完全滿足此傳統的設計需要。

1.3客戶端

為此系統設計了3種客戶端：Windows PC客戶端、Android手機客戶端、WEB網頁客戶端。用戶借助各客戶端的UI界面或網頁界面，可實時查看各教室用電器的工作狀態(tài)，并且可以實時遠程人為控制其開關?？蛻舳藢τ秒娖骺刂频膬?yōu)先級高于監(jiān)控網關中服務器的自動控制。

1.4整體網絡構建與傳輸

整個系統的網絡構建如圖4所示，系統中的監(jiān)控網關(MG)是整個異構融合網絡的關鍵，整個監(jiān)控網關借助協調器的ZigBee收發(fā)模塊與ZigBee網絡中各個路由(ZR)通信，同時借助服務器通過校園網(CN)，使用數據無差錯、不丟失、不重復，并且按序到達的TCP/IP協議和HTTP協議與客戶端(Clients)遠程實時交互。

圖4　整體網絡結構

由于路由(ZR)節(jié)點數量多，且考慮到無線信號功率的穿墻損失，ZigBee設備組網的拓撲結構采用網型結構(MN)[6]，并且路由節(jié)點具有數據轉發(fā)功能，可以保證ZigBee網絡中數據傳輸的可靠性和系統的穩(wěn)定以及低功耗。

2硬件設計

硬件設計主要是路由(ZC)節(jié)點的設計。

2.1路由節(jié)點總體設計

路由(ZC)節(jié)點是路由節(jié)點的主控芯片均采用德州儀器(TI)公司生產的CC2530F256[7]，CC2530F256與其他部分的連接如圖5。

圖5　CC2530F256與其他部分的連接圖

路由節(jié)點中的溫濕度、煙霧、可燃氣體、光照、雨水等檢測傳感器使用現有的傳感器模塊，其中紅外熱釋電傳感器采用新型的更適合校園教室和圖書館的熱釋電開關[8]，而非普通的靠近距離人體移動而觸發(fā)的傳感器；空調控制模塊使用改造后的空調遙控器，這個無需改造空調本身，便于開發(fā)；門窗的開關狀態(tài)檢測模塊使用接觸式開關；門窗開關控制器使用現有的控制模塊。

2.2路由節(jié)點關鍵模塊設計

電器開關控制模塊和用電器運行狀態(tài)感應模塊是路由節(jié)點的關鍵模塊。

2.2.1用電器開關控制模塊

為方便每個教室用電器因不同需要的使用，教室內的各用電器的開關由兩級控制。例如每個教室所有燈的開關控制如圖6，當遠程終端或者服務器打開了繼電器模塊時，可通過按鍵開關按需控制教室內的燈。

圖6　燈的二級開關模型

2.2.2用電器運行狀態(tài)感應模塊[9]

由于CC2530F256芯片無法直接測量220V交流工作電壓的用電器工作狀態(tài)，所以采用電流互感的方法，將互感器與教室內常用電器串聯在220V交流電路中，使電路中的大電流互感成小電流，經過如圖7所示電路，轉換成CC2530F256可以直接測量的小電壓信號。

圖7　電器運行狀態(tài)檢測電路

假設圖中互感器T1的比例系數為n:m，二極管D1正向導通時兩端電壓為Ud，則對于電阻R3兩端的電壓U3有公式(1)：

(1)

由于教室中不同用電器工作時電流不同，所以需要根據不同電器來調整電位器R1和R3使D1處于擊穿狀態(tài)，從而在電阻R3兩端獲得穩(wěn)定電壓U3。

3軟件設計

軟件設計包括三部分：ZigBee網絡程序設計、監(jiān)控網關中服務器的程序設計和客戶端程序設計。

3.1ZigBee網絡程序設計

ZigBee網絡部分的程序設計包括兩部分：路由(ZR)的程序設計和協調器(ZC)的程序設計。其使用TI公司提供的ZStack-CC2530-2.5.1a協議棧，在IAR for 8051 的8.10版本上進行代碼的編輯和編譯；使用ZStack協議棧[10]時，開發(fā)者只需調用API接口函數即可，可有效節(jié)省開發(fā)時間。

3.1.1路由程序設計

每個路由(ZR)主要任務為網絡的搜索與連接、采集和發(fā)送相關設備及環(huán)境的信息、控制相關設備，其工作流程如圖8。

圖8　路由(ZC)程序流程 圖9　協調器(ZC)程序流程

路由上電后，先進行系統初始化，再搜索并加入可用網絡，之后進入ZStack協議棧操作系統(operating system abstraction layer，OSAL)的任務輪循。當有中斷事件發(fā)生時，則判斷事件類型：如果是定時采集本節(jié)點相關傳感器信息的事件，則進行數據采集，并將采集的數據以規(guī)定的格式發(fā)送至協調器(ZC)；若是收到協調器發(fā)送的控制命令，則執(zhí)行相應的控制命令。

3.1.2協調器程序設計

協調器(ZC)作為ZigBee網絡的主控節(jié)點，負責網絡的建立，節(jié)點的加入與管理和網絡地址的分配；同時與服務器(Server)實時通信等。協調器的工作流程如圖9所示。

協調器上電、系統初始化后，在某個空閑信道建立ZigBee網絡；路由(ZR)節(jié)點認證后加入網絡，同時協調器為其分配ZigBee一個網內唯一地址，并記錄其地址信息，之后進入OSAL的任務輪循。當有中斷事件發(fā)生時，對事件類型進行判斷：如果是ZigBee網絡路由發(fā)送過來的各教室檢測信息，則將此消息以規(guī)定的數據格式通過串口發(fā)送至服務器(Server)進行分析處理；若是服務器發(fā)送的控制命令，則向相應節(jié)點發(fā)送相應控制命令。

3.2服務器程序設計

監(jiān)控網關中服務器(Server)程序設計包括兩部分：客戶端連接及控制程序設計、自動智能控制程序設計。

3.2.1客戶端連接及控制程序設計

服務器不僅負責接收、分析和處理協調器發(fā)送的數據，并向協調器下達智能處理結果即控制信息，還將相關的數據(如：各教室用電器工作狀態(tài)、溫濕度等)使用TCP/IP協議及HTTP協議分別傳輸到PC或Android客戶端和Web網頁客戶端；而且還接收各客戶端的控制命令，并向協調器發(fā)送客戶端的控制命令。

此部分服務器的工作流程如圖10所示。

圖10　服務器程序流程

服務器上電后，先進行系統初始化，并建立TCP和Web服務器，之后進入main函數主循環(huán)，檢查是否有中斷發(fā)生；當有中斷發(fā)生后，判斷中斷類型，此部分主要有3個中斷源：各客戶端連接請求中斷、UART接收中斷和各客戶端的發(fā)送的控制命令。如果是各客戶端(Clients)的連接請求，接受并響應請求；若是UART接受中斷，則是協調器(ZC)發(fā)送的采集信息，對這些信息處理和判斷后，將相應的控制命令發(fā)送給協調器，并將各用電器狀態(tài)發(fā)送給各客戶端；如果是各客戶端使用TCP協議發(fā)送的控制用電器開關的命令，則向協調器轉發(fā)此控制命令。

3.2.2自動智能控制程序設計

服務器不僅完成整個系統的實時雙向數據傳輸，更重要的是能根據ZigBee網絡終端感知系統的檢測信息，對各教室的各用電器進行智能控制：

1)當檢測到某教室光線較暗時，服務器下達開燈命令；

2)當收到某教室的煙霧或可燃性氣體傳感器發(fā)出異常信號后，服務器將通過協調器發(fā)送關閉此教室總電源，以保證用電安全；

3)當收到某節(jié)點檢測到雨水的信號時，服務器將判斷此教室窗戶開關狀態(tài)，并發(fā)送關閉未關閉的窗戶的信號；以保證雨天因窗戶未及時關閉而造成重要儀器和設備的受潮；

4)當某教室空調開啟后，服務器將向此教室的終端發(fā)送關閉門窗和風扇的命令，同時根據溫濕度檢測信息，智能控制空調，比如：當檢測到室內溫度高于20 ℃時，若當前模式是制熱，則減弱制熱，以節(jié)能；

5)當某個教室所有的人體傳感器(PIR)在一定時間(例如20分鐘)內未檢測人員時，服務器下達關閉此教室所有用電器的命令；當檢測到有人時，根據此教室其他傳感器信息，服務器發(fā)送開啟相關用電器的命令等等。

3.3客戶端設計

該系統支持3種客戶端：PC、Android手機和Web網頁客戶端。在各客戶端(Clients)均可實時查看整個教學樓內各教室用電器的工作狀態(tài)及工作時間，并通過各客戶端UI界面上的控制按鈕，控制各用電器的開關。

其中PC及Android手機客戶端可使用Qt5開發(fā)環(huán)境開發(fā)。Qt5可編寫跨平臺的GUI(graphical user interface)，簡單方便。Web網頁客戶端可使用CGI(common gateway interface)技術和KDE(kool desktop environment)環(huán)境進行設計，在無法使用PC及Android手機時，可使用Web網頁客戶端對系統進行查詢與控制。

4系統功能測試

在實際測試中，用3個相距較遠的教室的用電器控制代替整個教學樓的用電器控制。每個教室所控制的電器有2個空調、20個電燈、10個風扇和此教室的1個總開關，還包括4個窗戶開關控制器。

4.1測試準備

首先將電器運行狀態(tài)檢測電路、各ZigBee模塊與電器連接，值得注意的是對不同用電器需要調整電位器R1和R3使D1處于擊穿狀態(tài)，否則遠程檢測到的用電器狀態(tài)不準確。

在對每個ZigBee模塊燒寫程序時，需要修改ZStack-CC2530-2.5.1a協議棧SimpleApp下的SimpleApp.c中的MYID變量的值，實現每個設備都有唯一的有規(guī)律的編號，以便在客戶端(Clients)區(qū)別不同教室的ZigBee設備，實現集中化數據處理。

使用STM32f107VC開發(fā)板作服務器，將服務器和ZigBee協調器通過UART串口連接，在服務器(Server)程序下的void InitNet(void)函數中修改可接入校園網(CN)的IP地址，由于在STM32開發(fā)板上無法簡單的驗證IP地址是否有效，可以先將連接至校園網的電腦的IP修改為即將使用的IP來驗證其是否可用。將程序編譯后下載至STM32開發(fā)板，接入網線后啟動電源，當STM32開發(fā)板上液晶顯示：

IP地址：10.10.84.244

路由地址：10.10.83.1

OK！

表示已經成功接入校園網并且設備已經初始化完成。

打開所有設備的電源，檢查所有的ZigBee節(jié)點設備LED1指示燈是否常亮，常亮表示已經加入ZigBee網絡，并完成了初始化，若未常亮，需要重啟協調器(ZC)，使設備重新加入ZigBee網絡。

4.2客戶端測試

將Qt編寫的UI客戶端程序在不同系統下的Qt編譯環(huán)境中編譯，并生成相應系統下的UI客戶端。

打開客戶端后，若客戶端成功連接至服務器，則彈出“連接成功”通知窗，否則需檢查服務器是否配置合理。在抽屜類的主界面上點擊要監(jiān)控的教室的按鈕，會彈出此教室所有用電器工作的時間和狀態(tài)控制按鈕，若此設備已打開，則“打開”按鈕變灰，將不可點擊，相應的“關閉”按鈕可以點擊，在UI界面中不同用電器旁的LCD將顯示此用電器的工作時間；而在點擊后相應教室的用電器將關閉，同時UI界面的“關閉”按鈕失能，“打開”按鈕使能。退出客戶端時，將會清除相應的內存，避免多次打開客戶端時系統崩潰。

4.3服務器自動控制測試

1)將某個教室窗簾全部拉下，此教室的燈全部自動打開，并且客戶端中此教室的燈的“打開”按鈕變灰，同時燈的運行時間開始計時；

2)當在某教室制造煙霧時，此教室總電源自動關閉，并且客戶端中此教室總開關處于關閉狀態(tài)；

3)將水滴在雨水檢測傳感器上后，此教室的窗戶自動關閉；

4)當某教室空調開啟后，原本打開的門窗、風扇自動關閉；

5)當某教室空無一人時間長達20分鐘左右，此教室所有用電器自動關閉，并且客戶端相應的用電器狀態(tài)處于關閉狀態(tài)；當有人進入時，有關的用電器會根據相應的環(huán)境開啟或關閉等等。

系統在實際的功能測試時結果良好，表明此設計具有一定的可行性和可靠性。

5結語

將物聯網相關的ZigBee技術、傳感器技術與ARM技術相結合，并融入TCP/IP、HTTP通信協議和CGI等技術，設計了一套教學樓內各教室常用電器智能監(jiān)控系統，并編寫了3種不同的遠程監(jiān)控客戶端，實現了對一般教學樓各教室常用電器的集中化、網絡化和智能化控制；不但改變了傳統的離散的手動控制，而且大大降低了校園能源消耗。在實際測試中，達到了預想的效果，后續(xù)將增加對教室內多媒體和監(jiān)控探頭的控制，從而實現教室內所有用電器的智能控制。

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Design of Intelligent Monitoring System of Electrical Devices for Teaching Buildings Based on Internet of Things

Li Yuhuan, Qin Wenhua, Zhou Zili, Wu Dongmei

(College of Physics and Engineering, Qufu Normal University, Qufu273165,China)

Abstract:Aiming at the waste of electric energy and reducing energy consumption in university, a centralized, network and intelligent monitoring system for the electrical devices in the classrooms in the teaching buildings of schools is designed in combination with the Internet of Things and various data transmission technologies. As the automatic control centre of the system, the monitor gateway can do intelligent judgments with the data sent from the terminal sensing unit concerning illumination intensity, temperature, activity of students and switch states of every electrical devices in all classrooms. Meanwhile, using the Browser/Server and Client/Server mode, the monitor gateway connected with campus network can act as server，and the operator can view the working states of every electrical devices and control the switch of every electrical devices, windows and doors in all classrooms in real time by the Windows client, Android client and Web browser. Not only can the electrical devices in one classroom in the teaching buildings of schools be controlled remotely with human intervention，but also can be controlled automatically and intelligently with the light intensity, temperature and human activity of this classroom by this system. Practical tests show that the system has good reliability and stability, greatly reducing the campus waste of energy.

Keywords：internet of things; intelligent classroom; teaching building; monitor gateway; network monitoring system

文章編號：1671-4598(2016)02-0122-04

DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.02.033

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A

作者簡介：李玉環(huán)(1992-)，男，山東臨沂人，本科生，主要從事無線通信、智能控制方向的研究。周子力(1973-)，男，山東濟寧人，副教授，碩士研究生導師，主要從事智能控制、大數據及語音控制方向的研究。

基金項目：國家自然科學基金(61203301)；國家級大學生創(chuàng)新訓練基金(201410446012)；山東省科技發(fā)展計劃項目基金(2014GGX101027)。

收稿日期：2015-09-01；修回日期：2015-09-25。