龍巧玲，牛德雄，林利云

(1.廣東科學技術職業(yè)學院 計算機工程技術學院(人工智能學院)，廣東 珠海 519090；2.華南農(nóng)業(yè)大學 數(shù)學與信息學院軟件學院 ，廣州 510642)

0 引言

目前，高校教室以多媒體教室為主，且建設形式多以投影儀、音響為主，較為單一。自從進入21世紀，計算機與網(wǎng)絡普及，解決實踐教學基地節(jié)約能耗和安全管理等問題的主流技術是依托“智慧校園”[1]。“智慧校園”是指通過云計算、互聯(lián)網(wǎng)技術和物聯(lián)網(wǎng)等新技術的融合，將學校的教學、科研、管理與校園資源和應用系統(tǒng)進行整合，以提高應用交互的明確性、靈活性和響應速度，從而實現(xiàn)智慧化服務和管理的校園模式。在物聯(lián)網(wǎng)背景下，智能控制越來越普及到日常生活中[2]。文獻[3]設計了一種基于云端平臺的智慧節(jié)能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用一種嵌入式環(huán)境架構，為學生營造智能、舒適學習環(huán)境，雖然提高了學生學習效率，但電能耗費較大；文獻[4]設計了基于物聯(lián)網(wǎng)智慧節(jié)能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在Wifi環(huán)境下，能夠智能控制電子設備，但該環(huán)境容易受到黑客攻擊，導致實訓室管理并不安全。

為此，提出了基于OneNET云平臺與物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議的智慧節(jié)能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過“智慧管理”項目的建設管理服務平臺，致力于解決大中小學校實訓室用電器電能浪費以及安全管理的問題，提高學校的信息化服務水平和工作效率，推動學?！爸腔坌@”建設，成為提升學校核心競爭力的手段。

1 系統(tǒng)總體架構設計

將基于OneNET云平臺與物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議的智慧節(jié)能控制系統(tǒng)總體架構應用對學校教室用電器智能控制系統(tǒng)當中，當管理員在移動APP發(fā)出指令，通過后臺數(shù)據(jù)處理傳到服務器；或者后臺服務器讀取已經(jīng)設定好的課表信息，服務器通過基于中國移動OneNet平臺的MQTT協(xié)議跟硬件的HTML5-Net完成網(wǎng)絡通訊。平臺包括移動客戶端、設備控制端和后臺等子系統(tǒng)，移動客戶端與后臺子系統(tǒng)依據(jù)用戶可視時間節(jié)點作出智能控制判斷，實現(xiàn)節(jié)電與安全管理，監(jiān)控過程的查詢、統(tǒng)計。通過硬件控制教室里的多個用電器開關等操作，實現(xiàn)教室智能化控制系統(tǒng)設計。系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構

由圖1可知，該系統(tǒng)包括移動終端，設備控制端兩個子系統(tǒng)。其中，移動終端包含智能課表控制，課表錄入，節(jié)電查詢等功能，移動端app從使用者的角度設計，任何管理員只要擁有安卓手機都能輕松上手使用，操作界面簡潔易用。設備控制端的一個端口跟用電器總開關連接，端口使用的是電磁繼電器開控制開關，這樣就可以達到以小電流驅動大電流的效果，設備的電源跟用電器的電源完全隔離，保證設備運行的安全[5]。

2 系統(tǒng)硬件結構設計

硬件設備端的端口使用電磁繼電器控制開關并與用電器總開關連接，實現(xiàn)以小電流驅動大電流的效果。通過人體紅外感應模塊，能夠智能識別教室有無人[6]。設備端的電源跟用電器的電源完全隔離，保證設備端運行安全。系統(tǒng)硬件結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結構

由圖2可知，通過采集實訓室的數(shù)據(jù)上傳到管理平臺，平臺發(fā)出控制指令；后臺服務器讀取已經(jīng)設定好的配置數(shù)據(jù)(如實訓室使用安排信息)自動控制或者手動產(chǎn)生控制流信號，再通過中國移動OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺基于MQTT協(xié)議與工控板完成網(wǎng)絡通訊，最后通過設備端控制教室的多個用電器的開、關操作，從而實現(xiàn)實訓室智能化控制[7]。

2.1 OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺

基于物聯(lián)網(wǎng)技術和產(chǎn)業(yè)特點打造的OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺和生態(tài)環(huán)境，適配各種網(wǎng)絡環(huán)境和協(xié)議類型，支持各類傳感器和智能硬件的快速接入和大數(shù)據(jù)服務，提供豐富的API和應用模板以支持各類行業(yè)應用和智能硬件的開發(fā)，能夠有效降低物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)和部署成本，滿足物聯(lián)網(wǎng)領域設備連接、協(xié)議適配、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)安全、大數(shù)據(jù)分析等平臺級服務需求。

2.2 HTML5-20工控板

工業(yè)控制板HTML5-20主控板采用HTML5-20主控模式，支持 WIFI無線網(wǎng)絡連接模式，同時也支持 MQTT協(xié)議與發(fā)布訂閱模式[8]。該工控板能夠實時接收控制指令，通過 WebSocket協(xié)議與MQTT進行快速透明通信?？刂瓢鍍?nèi)部含有紅外遙控模塊，可連接攝像機、溫濕度傳感器等多種傳感器模塊，通過程序連接 OneNET云平臺，實現(xiàn)與工業(yè)板的通信。

工控板跟用電器連接整體結構圖如圖3所示。

圖3 工控板跟用電器接整體結構圖

工控板在-20 ℃和20 ℃間可以穩(wěn)定、無故障運行，其除了可以提供類似遠程管理外，還可以實現(xiàn)無人值守自動開關機工作，通過嵌入的IPMB模塊，可以實現(xiàn)系統(tǒng)實時運行信息的記錄與管理作用[9-10]。在遇到系統(tǒng)突然無法工作情況時，工控板相當于看門狗，實現(xiàn)自動重啟工作，保證系統(tǒng)在復雜環(huán)境下達到穩(wěn)定性要求。

2.3 傳感器

使用MLX90614型號紅外溫度傳感器，在器件接收到輻射能源之后，溫度隨之升高，使傳感器中某一組件與溫度發(fā)生改變，通過檢測出某一組件發(fā)生改變，就可探測出輻射。MLX90614 是一款無接觸式的紅外線溫度感應芯片，它在同一TO-39封裝內(nèi)整合了紅外熱電堆感應器與一款定制的信號調節(jié)芯片。在信號調節(jié)芯片中使用了先進的低噪音放大器，實現(xiàn)高精度溫度測量。

2.4 HC-SR501人體紅外感應模塊

HC-SR501人體紅外感應模塊是基于紅外線技術的自動控制模塊，廣泛應用于自動感應電器設備之中，功效小且用干電池也能為其供電。當其檢測到移動中人的時候，可將輸出端轉變?yōu)楦唠娖?，而當人離開后，延時一段時間后，輸出端恢復成低電平形式。一旦拆開透視鏡，就能看到熱釋電紅外傳感器，對人體發(fā)射的紅外線敏感，其長方形黑色玻璃就是人體紅外感受區(qū)，該區(qū)域主要是由兩個探頭元件組成的，當兩個元件接收到較大紅外強度差時，該模塊就會在輸出端轉變?yōu)楦唠娖叫问?。利用平臺監(jiān)控實訓室是否按時開關門，同時通過人體紅外感應模塊HC-SR501自動感應實訓室內(nèi)是否有人，智能開啟與關閉教室用電器，給管理員發(fā)出預警信號，從而在實訓室、辦公場所等應用上起到節(jié)能和安全防患的作用。

2.5 后臺服務器

后臺服務器通常用作數(shù)據(jù)備份，并與前臺交換數(shù)據(jù)，通過注冊的安全賬號，保存有用數(shù)據(jù)。通過該服務器，即使前臺被攻擊，后臺數(shù)據(jù)還是相對安全的。后臺服務器隨著PC技術提高，配置也升級，通常采用SCSI接口硬盤，采用SATA串行接口，支持16 GB數(shù)據(jù)存儲，充分滿足教案共享、數(shù)據(jù)處理和簡單數(shù)據(jù)庫應用標準。

后臺服務器除了可以跟學校的官網(wǎng)互相聯(lián)通，還可以根據(jù)課表后臺系統(tǒng)對設備進行智能控制。服務器根據(jù)學校官網(wǎng)提供的課程表信息，分析出不同時間段不同教室需要使用，對需要使用的教室及時打開教室設備，給學生營造一個舒適的上課環(huán)境。對不需要使用的教室及時關閉用電器的電源，避免造成電能的浪費。

3 系統(tǒng)軟件部分設計

物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議之一MQTT協(xié)議，根據(jù)手動或是自動利用MQTT協(xié)議發(fā)送信息。使用 TCP/IP 提供網(wǎng)絡連接，提供有序、無損、雙向連接；MQTT 是一種連接協(xié)議，它指定了如何組織數(shù)據(jù)字節(jié)并通過 TCP/IP 網(wǎng)絡傳輸它們。對負載內(nèi)容屏蔽的消息傳輸；可以對消息訂閱者所接收到的內(nèi)容有所屏蔽。

系統(tǒng)軟件部分功能模塊設計如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件部分功能模塊

由圖4可知，擁有該學校教室管理權限的教室管理員登錄手機App，把教室的使用時間節(jié)點(或課表)信息錄入系統(tǒng)，系統(tǒng)便會根據(jù)課表信息自動化按時管理教室用電器，同時教室管理員還可以直接登錄手機App控制教室的用電器，管理哪些用電器需要根據(jù)課表情況定時開關，即個性化選擇。比如冬天不需要開空調，管理員則可關閉空調的智能控制。

3.1 移動控制功能

通過手機app端等移動設備進行控制，獲取教室設備(如空調)的信息并控制其運行。本功能是通過物聯(lián)網(wǎng)設備提供的，也是由互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡傳輸控制信息的。教師可以通過手機應用程序隨時隨地獲取學校內(nèi)各教室的用電器信息，如果教室需要臨時使用，教師可以通過手機應用程序查詢到該教室所需的時間段，讓教室的用電器在規(guī)定的時間段內(nèi)開啟，不在規(guī)定的時間段內(nèi)的指定用電器將保持關閉狀態(tài)，打開指定用電器后通過應用程序通知教師該教室的用電器已經(jīng)打開，教師無需走進教室就能輕松管理教室的用電器，拿著手機就能輕而易舉地管理各教室的設備狀態(tài)。

3.2 遠程智能控制功能

在遠程智能控制中接入OneNET平臺，接入流程為：通過登錄注冊，創(chuàng)建新產(chǎn)品，并新增電子設備和數(shù)據(jù)流，通過該功能查看數(shù)據(jù)，并建立新功能。

1)機構管理員的管理功能:

學校機構的管理員可以在后臺對各個教室的信息進行管理，管理后臺數(shù)據(jù)庫信息，其管理流程如圖5所示。

圖5 管理流程

2)設備運行報表功能:

用電器的每次開啟和關閉，都會對設備名稱、年月日時分秒、對設備的操作作記錄，形成一個報表提供給管理員校對教室設備的運行情況。

3)自動檢修功能:

當管理員使用APP發(fā)送的指令沒有及時得到相應的返回結果，我們的平臺就會判斷這臺教室設備出了故障，便會自動通過后臺服務器返回信息，然后管理員可以通過查看信息及時檢查各個設備的情況，進而作出相應維護。

綜上所述，基于OneNET云平臺與物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議的智慧節(jié)能控制系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。

圖6 智慧節(jié)能控制系統(tǒng)軟件流程圖

如圖6所示，在C++平臺實現(xiàn)軟件編程，通過手機端app控制電器設備，并接入OneNET平臺，分別設計遠程智能控制功能的機構管理員管理功能、設備運行報表功能及自動檢修功能，實現(xiàn)智慧節(jié)能控制系統(tǒng)軟件設計。

4 實驗分析

系統(tǒng)開發(fā)的目的就是實際使用于工作場景中，所以對開發(fā)的每項功能和性能都進行反復測試。主要從功能測試、物聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)通測試、數(shù)據(jù)庫測試等方面進行，不斷排查bug，編輯測試用例，提交問題反饋給開發(fā)人員，循環(huán)檢測，最終完美實現(xiàn)功能運用。

4.1 電能浪費檢測

分別使用基于云端平臺的智慧節(jié)能控制系統(tǒng)、基于物聯(lián)網(wǎng)智慧節(jié)能控制系統(tǒng)和基于OneNET云平臺與物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議控制系統(tǒng)，檢測電能浪費情況，對比結果如表1所示。

表1 不同系統(tǒng)電能浪費對比結果

由表1可知，使用OneNET云平臺與物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議系統(tǒng)的風扇耗電量比兩種傳統(tǒng)方法要少，最少耗電為40 W。而電燈耗電也比兩種傳統(tǒng)方法少，最少耗電為0.1度。由此可見，基于OneNET云平臺與物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議的智慧節(jié)能控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)電器節(jié)能控制。

4.2 實訓室安全管理檢測

分別使用基于云端平臺的智慧節(jié)能控制系統(tǒng)、基于物聯(lián)網(wǎng)智慧節(jié)能控制系統(tǒng)和基于OneNET云平臺與物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議控制系統(tǒng)，檢測實訓室安全管理情況，對比結果如表2所示。

表2 不同系統(tǒng)實訓室安全管理檢測對比結果

由表2可知，使用文獻[3]系統(tǒng)和文獻[4]系統(tǒng)的溫度高、濕度低，說明實訓室出現(xiàn)了不安全情況，而使用OneNET云平臺與物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議系統(tǒng)在溫度和濕度均在正常監(jiān)管范圍內(nèi)，說明實訓室處于安全狀態(tài)。通過上述分析可知，所設計系統(tǒng)的安全管理效果較好。

5 結束語

設計的基于OneNET云平臺與物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議的智慧節(jié)能控制系統(tǒng)，從實現(xiàn)工控板與用電器的連接，再到編寫移動客戶端程序及后臺程序，應用物聯(lián)網(wǎng)、基于OneNET云平臺、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術，實現(xiàn)手機設備端、網(wǎng)絡服務器、教室用電設備的互聯(lián)互通，從而實現(xiàn)對教室用電器的控制。通過進行多次測試證明，本系統(tǒng)運行正常，功耗低，實用性強，可大力推廣運用。