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(天津科技大學 電子信息與自動化學院，天津 300222)

OneNET云平臺WiFi遠程控制的智能教室系統(tǒng)

尤琦涵，陳兆仕，張沁

(天津科技大學 電子信息與自動化學院，天津 300222)

針對高校多媒體教室管理效率較低這一問題，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術的自動控制系統(tǒng)。以STM32單片機作為主控制器，利用WiFi組網(wǎng),配合傳感器和易于安裝的開窗裝置，通過系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)或PC終端遠程控制，就可以實現(xiàn)對室內(nèi)光線強度、溫度和CO2濃度的控制，使現(xiàn)有的教室更加舒適，有利于提高學習效率。本系統(tǒng)亦可推廣應用于人員密集的場所。

IoT；智能教室；STM32；開窗裝置

引 言

課堂上學生上課精神狀態(tài)不佳，不僅影響老師上課的思路，而且降低了學生的學習效率。在大容量班級的授課環(huán)境中，有時并不是因為學生睡眠不足導致此問題，而是由于室內(nèi)CO2濃度過高或者光線過暗不利于學習，使學生產(chǎn)生困意。因此，如何改善學習環(huán)境已成為各高校急需解決的問題。開窗和開門可以改善室內(nèi)空氣流通，但是面對教學樓里面數(shù)量多、分布廣的教室，每天開窗關窗需要花費大量的人力和時間。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的迅速發(fā)展，越來越多的設備實現(xiàn)了無線遠程控制。為了科學地對每個教室進行管理，本文將物聯(lián)網(wǎng)技術融入現(xiàn)有的多媒體教室中，通過MG811探頭檢測CO2濃度、DS18B20傳感器檢測溫度、TSL2561傳感器檢測光照強度，配合自主設計的易于安裝在平開窗上的開窗裝置達到自動調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境的目的。用戶也可在手機客戶端或電腦網(wǎng)頁通過WiFi遠程控制該系統(tǒng)，實現(xiàn)管理自動化和網(wǎng)絡化。

1 系統(tǒng)總體設計架構及運行

智能教室系統(tǒng)主要由教室控制單元、無線訪問節(jié)點、云平臺服務器和遠端控制平臺4部分組成。系統(tǒng)結構圖如圖1所示。其中，可選擇智能手機APP或PC網(wǎng)頁作為遠端控制平臺，登陸OneNET云平臺，輸入正確的賬號和密碼便可進入管理界面。教室控制單元中的WiFi模塊通過無線訪問節(jié)點(路由器)連接互聯(lián)網(wǎng)，接入OneNET云平臺API，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器，教室控制單元同時接收和響應遠端控制平臺的命令[1]。

圖1 智能教室系統(tǒng)結構圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 云服務器的選擇

為了縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，物聯(lián)網(wǎng)云平臺選擇中移物聯(lián)網(wǎng)有限公司搭建的OneNET設備云平臺。該平臺提供多元化的API和完善的開發(fā)工具，可實現(xiàn)設備創(chuàng)建、激活、鑒權、修改、下線等整個生命周期的管理，時間序列化數(shù)據(jù)的歸檔及獲取，實時消息傳輸、路由，解決設備控制命令下行及實時通知消息推送問題。其還可以提供常用的RESTful API接口、Socket接口，以及對MQTT、Modbus等接入?yún)f(xié)議的支持。

2.2 教室控制單元設計

每個教室由一個控制單元負責采集數(shù)據(jù)，分別由不同的傳感器檢測各項環(huán)境參數(shù)，并通過無線訪問節(jié)點將數(shù)據(jù)更新至服務器。每個控制單元獨立采集數(shù)據(jù)，通過通信網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)同步到控制終端，進行集中管理。教室控制單元主要由微控制器、WiFi通信模塊、開窗裝置、CO2檢測模塊、溫度檢測模塊、光強檢測模塊以及電源模塊組成，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場監(jiān)控單元硬件框圖

2.2.1 微控制器模塊

微控制器模塊使用ST公司的高性價比控制器STM32F103RCT6(以下簡稱STM32)，該控制器采用ARM Cortex-M3作為內(nèi)核，具有48 KB的SRAM、256 KB的FLASH，滿足系統(tǒng)對存儲和運行速度的要求；芯片采用64引腳的LQFP封裝，具有51個GPIO，便于系統(tǒng)的擴展和維護；具有USART、SPI等豐富的串行接口，使得控制器與外部芯片數(shù)據(jù)交換更加自由靈活。

2.2.2 WiFi通信模塊

WiFi通信模塊采用的是ESP8266，它是一款專門針對無線連接的需求而開發(fā)的芯片，既能獨立運行，又能作為Slave搭載于其他Host運行。ESP8266性能穩(wěn)定、體積小、支持完善簡潔高效的AT指令，提供AP、STA和AP+STA共存三種模式。Android終端作為Station，連入ESP8266可通過UART與設備相連，進行無線控制。ESP8266和STM32之間的通信主要是通過ESP8266端口RXD與STM32上的PA9(UART1～TXD)，端口TXD與STM32上的PA10(UART1～RXD)之間的數(shù)據(jù)交換來完成。其中ESP8266上的TXD是發(fā)送串行數(shù)據(jù)口，RXD是接收串行數(shù)據(jù)口[2]。

2.2.3 開窗裝置設計

(1)電機選型

由于教室窗戶數(shù)量多，安裝空間有限，時常處于潮濕的環(huán)境中，因此動力執(zhí)行部件要求具有成本低、能耗低、無污染、節(jié)省空間、可靠耐用、保護性能好、扭力大等特點。根據(jù)系統(tǒng)的要求，可以選擇步進電機或減速電機作為系統(tǒng)的執(zhí)行部件。如表1所列，減速電機雖然轉(zhuǎn)速慢，但力矩大，足以滿足閉合窗戶的需求。步進電機在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用效率遠低于減速電機。因此，最終選擇減速電機作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件。

表1 直流減速電機與步進電機優(yōu)點對比

(2)減速電機的基本結構

基本結構為動機-連接-減速機-連接-工作機。

原動機即提供整個系統(tǒng)動力的機械。對于減速傳動來講，原動機提供的是高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩的動力。工作機就是減速機的工作對象，帶動工作機實現(xiàn)預定目的，這里是指開窗裝置的連桿結構。

(3)減速電機的控制方法

由于本設計所選擇的減速電機減速比確定，對于減速電機的控制就變?yōu)閷υ瓌訖C的控制，原動機為直流電機，機械特性方程式為：

其中，n為電動機的轉(zhuǎn)速，U為端電壓，R為電樞回路電阻，CE、CT分別為電動勢常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)(CT=9.55CE)，Φ為勵磁磁通。[3]

通過主控芯片STM32F103RCT6的兩個定時器生成兩路PWM，通過L298N電機驅(qū)動芯片，輸入減速電機，從而改變U(U=E1-E2,E1、E2分別為減速電機兩端的電勢)的正負和大小，進而改變方向和轉(zhuǎn)速。

圖3 開窗裝置效果圖

開窗裝置由減速電機和連桿結構組成[4]，如圖3所示。

減速電機選用信達電機公司XD-37GB520直流減速電機，通過開關電源將220 V工頻電轉(zhuǎn)換為24 V電壓，接入L298N直流電機驅(qū)動模塊控制減速電機。

2.2.4 CO2檢測模塊

CO2傳感器采用靈敏度高、使用壽命長、穩(wěn)定性好的MG811二氧化碳感應探頭作為敏感元件，選用DFRobot公司出品的CO2傳感器模塊，測量范圍為0～10 000 ppm。另外，板子上的加熱電路直接把5 V轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定6 V，為探頭加熱供電，對溫度進行補償，提高模塊適應性。模塊上包含一個LM358芯片實現(xiàn)比較功能，將模擬量和設定值比較。設定值可以通過調(diào)節(jié)分壓電阻改變，比較結果的數(shù)字信號可以通過模塊3P引腳輸出。模塊亦可在S引腳輸出模擬電壓，將模擬電壓信號輸入到微處理器的A/D模塊功能引腳，處理器再對轉(zhuǎn)換完畢的數(shù)字信號進行運算,得到對應的二氧化碳濃度值。

2.2.5 溫度檢測模塊

溫度檢測選用美國Dallas半導體公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字溫度傳感器。DS18B20是一款常用的溫度傳感器，具有體積小、硬件成本低、抗干擾能力強、精度高等優(yōu)點，支持單總線接口，占用I/O口資源少。該傳感器完全數(shù)字輸出，省去了傳統(tǒng)溫度傳感器的放大、濾波等電路，使用方便。在9位分辨率時，最多在93.75 ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，響應速度快。測溫分辨率可達0.062 5 ℃，測量范圍為-55～+125 ℃，在-10～+85 ℃時精度為±0.5 ℃，安全可靠。

2.2.6 光強檢測模塊

光強檢測模塊選用TAOS公司推出的TSL2561芯片，該芯片是一種高速、低功耗、寬量程、可編程靈活配置的光強度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片。芯片通過編程設置光強閾值，當實際光照度超過該閾值時給出中斷信號。芯片的數(shù)字輸出符合標準的單總線協(xié)議，模擬增益和數(shù)字輸出時間可編程控制。同時，芯片可自動抑制50 Hz/60 Hz的光照波動。

2.2.7 電源模塊

電源模塊由兩部分組成：一部分是由220 V交流轉(zhuǎn)到24 V直流的開關電源，負責給電機供電；另一部分是24 V直流降壓到3.3 V直流的穩(wěn)壓模塊，負責給主控芯片供電。開關電源選擇信達電機公司S-48-24開關電源，將交流220 V輸出直流電壓24 V，直流電流為2 A。這款開關電源價格便宜，體積小巧，只有112 mm×79 mm×37 mm大小，采用軟啟動電流，有效降低交流輸入沖擊，并有短路保護、過載保護，能為電機提供可靠電壓和電流，穩(wěn)定安全。24 V直流電壓輸出一路接到電機驅(qū)動為作為電機的驅(qū)動電壓，另一路接到直流降壓模塊。直流降壓電路主要由降壓芯片AMS117-3.3和濾波電容組成，將24 V直流電壓降到3.3 V為主控芯片和各路傳感器供電。

3 系統(tǒng)軟件設計

為了實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)軟件設計采用“等待+中斷”方式進行，可選擇運行于手動控制模式或自動控制模式。系統(tǒng)完成初始化后，開始采集環(huán)境參數(shù)。初始化任務主要完成微控制器內(nèi)部和外部設備的配置工作。初始化完畢后，系統(tǒng)會根據(jù)服務器上的記錄數(shù)據(jù)自動選擇進入手動控制模式或自動控制模式。

在手動控制模式中，用戶可通過控制平臺的控制按鈕遠程控制窗戶、日光燈和風扇的開關狀態(tài)。在自動控制模式中，微控制器將根據(jù)已采集的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，自動控制窗戶、日光燈和風扇的開關狀態(tài)。在兩種模式下，每當?shù)竭_采樣周期，都會進行一次數(shù)據(jù)采樣，同時將采樣數(shù)據(jù)上傳到服務器。用戶可以通過電腦或手機連接服務器獲取、查看室內(nèi)環(huán)境具體情況，也可以根據(jù)需要對系統(tǒng)發(fā)送相關的控制指令。

3.1 教室控制單元軟件設計

3.1.1 手動控制模式

手動控制模式下，系統(tǒng)未收到控制中斷命令時，會根據(jù)設定采樣周期循環(huán)采集環(huán)境參數(shù)，如CO2濃度、溫度和光照強度，并將數(shù)據(jù)按EDP協(xié)議封裝上傳至云服務器，通過圖表形式顯示在網(wǎng)頁端或手機客戶端；當系統(tǒng)收到控制中斷命令時，會根據(jù)收到的命令改變相應設備的狀態(tài)，如開關窗戶、亮滅日光燈和開關風扇；當系統(tǒng)收到切換“手/自動模式”的命令時，就自動跳轉(zhuǎn)到自動控制模式，手動控制程序流程圖如圖4所示。

圖4 手動控制程序流程圖

3.1.2 自動控制模式

根據(jù)相關資料顯示，室內(nèi)適宜的CO2濃度是400～600 ppm[5]，適宜溫度在24～27 ℃，適宜光強為200～300 lux[6]。在自動模式下，系統(tǒng)根據(jù)循環(huán)采集的環(huán)境參數(shù)，根據(jù)設定閾值執(zhí)行相應動作。例如，CO2濃度高于700 ppm時通過延時程序自動打開窗戶，保持窗戶開啟狀態(tài)，通過自然風流動降低室內(nèi)CO2濃度；溫度低于20 ℃時窗戶自動關閉；光強低于200 lux時自動打開日光燈，光強高于400 lux時自動關閉日光燈。自動控制模式不僅省去人力開關燈、開關窗的過程，而且有效節(jié)約了能源，以最低的成本改善室內(nèi)環(huán)境，自動控制程序流程圖如圖5所示。

圖5 自動控制程序流程圖

3.2 最小系統(tǒng)與云服務器的數(shù)據(jù)交互

本項目基于STM32最小系統(tǒng)與ESP8266 WiFi模塊，通過STM32與ESP8266建立UART通信，完成ESP8266的AT指令交互。STM32最小系統(tǒng)通過AT指令集控制ESP8266 WiFi模塊，通過無線訪問節(jié)點連接到廣域網(wǎng)，并與OneNET云平臺服務器建立TCP連接，使用EDP協(xié)議將數(shù)據(jù)包上傳，并接收、解析云平臺發(fā)來的控制命令。

3.3 EDP協(xié)議的使用

EDP(Enhanced Device Protocol增強設備協(xié)議)是OneNET平臺根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)特點專門定制的完全公開的基于TCP的協(xié)議，可以廣泛應用到家居、交通、物流、能源以及其他行業(yè)應用中。

EDP協(xié)議主要包含以下部分：請求連接、設備認證、心跳命令、數(shù)據(jù)傳輸、控制命令、斷開連接等部分。首先，最小系統(tǒng)向服務器發(fā)出連接請求，收到服務器響應以后，發(fā)送驗證信息(包含設備ID、鑒權密鑰)。成功建立教室控制單元與云服務器的連接以后，設備可以在2 min內(nèi)向服務器傳輸數(shù)據(jù)或接收服務器的控制命令，如果設備在2 min內(nèi)沒有與服務器進行數(shù)據(jù)更新，就要發(fā)送心跳命令，以維持連接，保持設備在線。

本系統(tǒng)選用EDP協(xié)議，在滿足“物物聯(lián)網(wǎng)”的基礎上，不僅能實現(xiàn)更新傳感器數(shù)據(jù)、發(fā)送和接收控制命令等功能，而且能有效縮短開發(fā)周期。相對于HTTP協(xié)議來說，不論是設備控制效率還是設備運行負荷，EDP協(xié)議都有優(yōu)勢。HTTP協(xié)議優(yōu)點就是代碼直觀易懂，但其代碼運行對設備的硬件要求相對較高，更適用于電腦設備或移動設備的應用端開發(fā)，但是在微控制器平臺上實現(xiàn)HTTP協(xié)議，容易出現(xiàn)設備過負荷。另外，HTTP協(xié)議包含冗余信息，加重了網(wǎng)絡負擔，當系統(tǒng)與服務器進行數(shù)據(jù)交互時，會出現(xiàn)更長的延遲，影響用戶體驗[7]。而EDP協(xié)議在傳輸相同的數(shù)據(jù)時，能做到更輕量、更短的網(wǎng)絡延時和更少的網(wǎng)絡負擔，并且可以實現(xiàn)設備掉線自動重連，使設備在惡劣的網(wǎng)絡環(huán)境中也能繼續(xù)工作。

4 用戶操作界面設計

為了讓用戶可在手機APP或者PC網(wǎng)頁端進行操作，OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺為設計者提供了一個應用開發(fā)工具，可以實現(xiàn)網(wǎng)頁應用和手機客戶端的開發(fā)。通過網(wǎng)頁應用的開發(fā)，可設計出一個能帶有控制按鈕，實時呈現(xiàn)教室環(huán)境狀態(tài)，如溫度、CO2濃度和光強等的界面，如圖6所示。在應用界面中，室內(nèi)實時環(huán)境參數(shù)以“數(shù)字+圖表”顯示，并且數(shù)據(jù)可以保存在云平臺中，并以曲線圖的方式呈現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境在一段時間內(nèi)的變化情況。

圖6 用戶界面設計圖

5 系統(tǒng)測試

5.1 電機選型驗證

項目使用L298N電機驅(qū)動芯片構成減速電機的驅(qū)動電路，工作電壓穩(wěn)定于24 V。通過對窗戶進行反復打開和關閉實驗，測試出減速電機在工作時間內(nèi)的電流波動值。[3]

等效電流公式為：

其中，Ieq為等效電流，tn對應負載電流In時的工作時間。

開窗時的等效電流為：

關窗時的等效電流為：

該減速電機額定電壓為24 V，額定電流為0.55 A，符合系統(tǒng)的設計要求。

5.2 信息反饋

如圖7所示，在網(wǎng)頁上可以看到現(xiàn)場實時反饋的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被記錄，并以曲線的形式呈現(xiàn)。

5.2.1 手動控制功能驗證

如圖8所示，按鈕可以反映遠端設備控制部分的狀態(tài)。按鈕上綠燈亮起代表被控的部分(燈、門、窗戶、風扇)為開啟狀態(tài)，紅燈亮起為關閉狀態(tài)。調(diào)試發(fā)現(xiàn)，從網(wǎng)頁上按鈕改變狀態(tài)到設備端響應有1～2 s的延時，具體視網(wǎng)絡情況而定。

圖8 用戶控制窗口圖

5.2.2 自動控制功能驗證

當打開自動控制系統(tǒng)以后，其采集的環(huán)境參數(shù)將會一直與設定參數(shù)進行比較。若環(huán)境參數(shù)超出合適范圍，STM32最小系統(tǒng)會控制相應的部分做出調(diào)節(jié)，使環(huán)境參數(shù)穩(wěn)定在適宜范圍內(nèi)。經(jīng)測試，當環(huán)境CO2濃度高于設定值(默認700 ppm)時，窗戶會自動打開進行通風，在3～7 min內(nèi)，CO2濃度就可以降到合適的范圍(低于500 ppm)，并保持開啟狀態(tài)。當室內(nèi)光照強度低于200 lux時，系統(tǒng)會自動打開日光燈進行照明，使室內(nèi)的亮度適合學習和閱讀。當室內(nèi)溫度高于設定溫度時(默認26 ℃)，風扇會自動打開進行降溫，然后當室內(nèi)溫度到達26 ℃后，風扇會自動停止工作。

結 語

[1] 于寶堃,胡瑜,尤琦涵.多技術集成的校園公共自行車管理系統(tǒng)的設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2016,16(5):57-60.

[2] 孫靜,徐奕,何瀟.基于移動客戶端的智能教室光溫無線控制系統(tǒng)[J].電子技術與軟件工程,2015(23):32-33.

[3] 許曉峰.電機與拖動[M].北京：高等教育出版社,2009.

[4] 孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理. [M]. 7版.北京：高等教育出版社,2006.

[5] 梁寶生,劉建國.我國二氧化碳室內(nèi)空氣質(zhì)量標準建議值的探討[J].重慶環(huán)境科學,2003,25(12):198-200.

[6] 黃香琳.基于物聯(lián)網(wǎng)的高校教室智慧照明方案研究[J].燈與照明,2015,39(4):17-20.

[7] Totty B,Gourley D,Sayer M,et al.HTTP:The Definitive Guide[J].Oreilly Media,2002,215(11):403-410.

尤琦涵，主要研究方向為電子信息與自動化。

SmartClassroomSystemBasedonOneNETCloudPlatformWiFiRemoteControl

YouQihan,ChenZhaoshi,ZhangQin

(College of Electronic Information and Automation,Tianjin University of Science&Technology,Tianjin 300222,China)

Aiming at the problem of low management efficiency of multimedia classroom in school,a kind of automatic control system based on IoT is proposed.With the use of WiFi and STM32 micro-controller as the main control unit,matching with sensors and window-opening devices that are easily installed,the intensity of light,temperature and concentration of CO2indoor can be controlled through the system automatically control or PC terminal remote control.In this way,the classroom will be more comfortable for students to study and help them to improve learning efficiency.This system can also be applied to the crowded places.

IoT;smart classroom;STM32;window-opening device

TP368.1

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2017-06-23)