但堂詠　張國慶　張紅亮

摘要：為解決教室無人時電器仍在使用，學(xué)校用電量大的問題，從用電時間方面進(jìn)行研究，設(shè)計出一個系統(tǒng)。該系統(tǒng)會在預(yù)選設(shè)定的時間或紅外人體感應(yīng)識別不到人體信號時返回對應(yīng)信息至服務(wù)器，使用MQTT協(xié)議發(fā)送控制指令至通信單元，并在教室內(nèi)使用ZigBee協(xié)議進(jìn)行指令轉(zhuǎn)發(fā)驅(qū)動控制單元，達(dá)到控制電器的目的。實踐表明，該系統(tǒng)可以根據(jù)課表上下課時間自動控制電器開關(guān)或人為控制開關(guān)。

關(guān)鍵詞：自動化;人工智能;軟件開發(fā);分布式

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009—9492（2021）03—0120—03

0引言

為了解決學(xué)校教室無人時電器仍在使用，導(dǎo)致學(xué)校用電量大及人力維護(hù)成本高的問題，本文從用電時間人手，開發(fā)一個智能系統(tǒng)以降低用電時間。目前的智能教室系統(tǒng)，有的只能人工操作，無法達(dá)到自動化控制電器;有的能自動化控制，但是缺少數(shù)據(jù)采集用來分析。本系統(tǒng)針對上述短板，采用了MQTT&ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)M2M（Machine to Machine）模式，在達(dá)到自動化控制的同時，采集相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并按照對應(yīng)的時間點或相關(guān)環(huán)境實現(xiàn)完全自動化，無需人員參與管理。該系統(tǒng)的使用不局限于高校的教學(xué)樓環(huán)境，類似于工廠、商場等高度集中的用電區(qū)域也可使用，從而達(dá)到自主管理，使更多的場合實現(xiàn)節(jié)能的理念。

1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計主要有軟件端、硬件端以及服務(wù)器，通過以太網(wǎng)的方式搭建通信橋梁，構(gòu)成一整個完整系統(tǒng)。

系統(tǒng)是由運(yùn)行在Linux或Windows操作系統(tǒng)上的軟件端，通過讀取數(shù)據(jù)庫中的對應(yīng)課表排表，形成判斷是否啟用或關(guān)閉用電設(shè)備的數(shù)據(jù)，并通過MQTT&Tomcat服務(wù)器與硬件端STM32控制板和CC2530通信板達(dá)成通信，將數(shù)據(jù)通過TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)連接方式進(jìn)行接收發(fā)，從而實現(xiàn)用控制板自動控制和監(jiān)控教室中的空調(diào)、多媒體、電燈等用電設(shè)備，避免在無課或無人預(yù)約使用的時候造成教室用電浪費(fèi)，達(dá)到高效節(jié)能的目的。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)的整體設(shè)計中考慮到模塊化因素，如紅外人體的檢測、智能門鎖感應(yīng)等可根據(jù)相關(guān)需求自主添加相應(yīng)模塊，軟件端也能適應(yīng)性地識別相關(guān)模塊的添加，對該模塊進(jìn)行匹配，實現(xiàn)指令接收發(fā)。

整套系統(tǒng)考慮到多級別調(diào)用，采用分布式設(shè)計，通過多級調(diào)用實現(xiàn)上層控制機(jī)對下層控制機(jī)的管理，并且所用軟件所搭建的框架也能夠多系統(tǒng)運(yùn)行，對微型計算機(jī)的要求較低且兼容性更高。該設(shè)計有著利于管理和多兼容的特點，是對多間、多層、多棟的教學(xué)樓統(tǒng)一管理的最佳設(shè)計方案。

為順應(yīng)現(xiàn)代智能移動設(shè)備的發(fā)展，該套系統(tǒng)還有對應(yīng)的小程序、App版本，通過系統(tǒng)移植的手段，讓教室的管理人員和預(yù)約人員都能用移動電話等移動設(shè)備做到遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控或遠(yuǎn)程申請。直接點觸控制的方式使用戶更加便捷地使用該系統(tǒng)，同時也符合現(xiàn)代科技發(fā)展的趨勢。

2硬件端結(jié)構(gòu)

硬件方面，使用搭載LAN8720芯片，帶有以太網(wǎng)口的STM32單片機(jī)，運(yùn)用MQTT協(xié)議接收并解析服務(wù)器發(fā)送的指令，可以控制繼電器等模塊或者將指令從串口發(fā)送出去。CC2530通信板使用串口連接STM32單片機(jī)，使用ZigBee協(xié)議，負(fù)責(zé)將從STM32單片機(jī)發(fā)出的指令傳到其他連接CC2530通信板的單片機(jī)，用來控制其他電器。

2.1指令接收和發(fā)送

該系統(tǒng)采用MQTT協(xié)議，系統(tǒng)信息流向過程：控制端發(fā)布指令到代理服務(wù)器，代理服務(wù)器將信息再發(fā)布到其中一塊STM32單片機(jī)上，該單片機(jī)作為教室指令傳輸中轉(zhuǎn)站，然后該單片機(jī)通過CC2530使用ZigBee協(xié)議將指令發(fā)送到其他終端。

2.1.1基于MQTT協(xié)議的信息收發(fā)

MQTF是基于客戶端/服務(wù)器的傳輸協(xié)議，受控終端不必知道控制端的IP和端口，控制端也不必知道受控端的IP和端口，受控端和控制端只要連接到代理服務(wù)器上，終端訂閱了相應(yīng)的主題，只要有終端使用這個主題發(fā)布消息，訂閱者就會收到信息。

基于MQTT協(xié)議的特性，STM32需要使用以太網(wǎng)連接到代理服務(wù)器，然后訂閱相關(guān)的主題，當(dāng)控制端需要使用相關(guān)主題發(fā)布指令來控制電器，單片機(jī)就可以接收并解析指令，從而選擇控制電器或者再將指令繼續(xù)發(fā)送。如圖2所示。

2.1.2基于ZigBee協(xié)議的信息收發(fā)

ZigBee是低速短距離的無線傳輸協(xié)議，在一定范圍內(nèi)，使用該協(xié)議的設(shè)備會自動進(jìn)行組網(wǎng)，一般會組成星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備會以3種形式存在：（1）路由器，負(fù)責(zé)將信息轉(zhuǎn)發(fā);（2）協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)組網(wǎng)和管理網(wǎng)絡(luò);（3）終端，是信息傳輸終點。

基于ZigBee協(xié)議的特性，當(dāng)MQTT服務(wù)器將指令發(fā)送到其中一塊STM32單片機(jī)上，經(jīng)過解析后，若發(fā)現(xiàn)該指令不是該單片機(jī)所需，則STM32單片機(jī)通過串口將指令傳到CC2530通信板。通信板作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由器，將指令發(fā)送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的其他終端，當(dāng)其他終端收到指令后，根據(jù)指令執(zhí)行操作。如圖3所示。

2.2用電器控制

控制系統(tǒng)使用的是STM32單片機(jī)和繼電器模塊。STM32單片機(jī)是主要控制系統(tǒng)，接收從MQTF代理服務(wù)器或者CC2530通信板傳送來的指令。單片機(jī)連接繼電器，當(dāng)收到指令后，單片機(jī)控制相關(guān)10口，進(jìn)而控制繼電器，繼電器本身連接在電器的電線上，從而達(dá)到由單片機(jī)間接控制電源開關(guān)。

2.3總體結(jié)構(gòu)

每間教室里有多個由STM32單片機(jī)和CC2530通信板組成的整體。其中一個整體里的STM32連接通過以太網(wǎng)連接MQTT代理服務(wù)器，稱為總機(jī)，CC2530在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中作為路由節(jié)點。

當(dāng)指令從控制端通過代理服務(wù)器發(fā)布到總機(jī)，總機(jī)接收并解析指令，然后將指令由串口發(fā)送到CC2530路由節(jié)點，路由節(jié)點再將指令發(fā)送到各個終端，然后以控制繼電器的開關(guān)間接控制電器的開關(guān)。如圖4所示。

3軟件端結(jié)構(gòu)

在軟件設(shè)計上，采用Qt框架對整套軟件做可視化設(shè)計，通過可后臺運(yùn)行和圖形用戶界面人為控制的設(shè)計以及數(shù)據(jù)庫的建立，構(gòu)成整個軟件結(jié)構(gòu)。軟件與硬件互相配合，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制管理的模式。

3.1圖形用戶界面與內(nèi)部邏輯

運(yùn)用Qt圖形用戶界面開發(fā)框架開發(fā)可視化界面，并在后臺做相關(guān)數(shù)據(jù)的處理。例如在監(jiān)控用電器是否為工作狀態(tài)時，回傳數(shù)據(jù)的分析和判斷;將電源啟動指令發(fā)送等。

軟件的界面設(shè)計主要對用電器監(jiān)控視圖與用電器開關(guān)控制視圖2個界面做開發(fā)。

（1）用電器監(jiān)控界面中，其主要形式為監(jiān)控視圖。大屏監(jiān)控模式可具體到每個教室用電器的情況，管理員可觀察用電器的工作狀態(tài)，此界面可與用電開關(guān)控制視圖在同一界面上顯示，也可單獨顯示，但只有監(jiān)控畫面，無法做到控制其用電器的開關(guān)。

（2）用電開關(guān)控制視圖中，有各個教室用電器的開關(guān)按鈕，也有整個教室的所有用電器的開關(guān)按鈕和單個用電器按鈕的開關(guān)或其他組合開關(guān)，該界面也可單獨顯示，做到一鍵開關(guān)的功能。軟件界面如圖5所示。

同時，軟件內(nèi)部本身有著相關(guān)邏輯的實現(xiàn)，如指令的轉(zhuǎn)換識別、數(shù)據(jù)的遍歷排序等，采用C++的代碼風(fēng)格實現(xiàn)基本的運(yùn)算處理和算法設(shè)計。

3.2數(shù)據(jù)庫搭建與數(shù)據(jù)接收發(fā)

為了與學(xué)校原先的數(shù)據(jù)庫匹配且相關(guān)數(shù)據(jù)不交叉，需要重新搭建數(shù)據(jù)庫，并在數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)中插入學(xué)校原先的課程數(shù)據(jù)安排。

在聯(lián)合數(shù)據(jù)庫的作用下，在軟件內(nèi)部通過相關(guān)邏輯代碼將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化互通，形成時間排序表，利用軟件內(nèi)部時鐘跟國家授時中心標(biāo)準(zhǔn)時間的北京時間做核對，在對應(yīng)時間段內(nèi)對不同的用電器發(fā)送指令;同時可視化界面可隨意控制某一特定用電器的工作狀態(tài)，達(dá)成人工可控、并行自動化的效果，意味著如果軟件在失去了可控面板不能人為調(diào)節(jié)的情況下，也能根據(jù)課表自動化運(yùn)行，不受影響。

3.3軟件匹配與IP尋址

在軟件運(yùn)行后，需要自適應(yīng)的匹配。匹配過程類似于密鑰連接，通過廣播信號的方式與路由器或相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備獲取許可，得到數(shù)據(jù)接收發(fā)的權(quán)限。

將軟件運(yùn)行在一計算機(jī)內(nèi)，并將其跟一服務(wù)器連接，服務(wù)器中有著各個教室路由器的IP地址，通過IP地址的匹配對應(yīng)到相應(yīng)的教室，通過以太網(wǎng)并能將數(shù)據(jù)指定傳輸?shù)侥骋粏纹瑱C(jī)，讓單片機(jī)執(zhí)行控制任務(wù)。其中數(shù)據(jù)庫中的課表也會隨著預(yù)約教室、調(diào)課等情況作出調(diào)整。IP尋址方式如圖6所示。

4軟硬端間通信橋梁

在軟件和硬件的搭橋上，考慮到實際情況的數(shù)據(jù)通信情況，固采用多級分布式路由，通過匯總的方式與服務(wù)器之間進(jìn)行訪問，再由服務(wù)器與軟件客戶端之間的API調(diào)用形成整個數(shù)據(jù)的回路。

服務(wù)器為整個橋梁的一個中轉(zhuǎn)站，用戶在客戶端或者小程序執(zhí)行了相關(guān)有效操作時，要先將數(shù)據(jù)調(diào)用服務(wù)器的相關(guān)接口通過Session在前端、后端之間傳輸數(shù)據(jù)，同時服務(wù)器在收到前端、客戶端的相關(guān)指令后，會進(jìn)行對應(yīng)的操作。例如尋址，找到要執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)對象對應(yīng)的IP，再通過硬件部分的多級路由內(nèi)部尋址，多次級別傳輸最終找到目標(biāo)對象，如某教學(xué)樓某教室的燈，通過找到該對象后再對其進(jìn)行對應(yīng)的指令操作，如開燈、關(guān)燈、返回目標(biāo)的狀態(tài)信息。

硬件部分考慮到安全等相關(guān)因素，所有用電器的啟動、關(guān)閉、信息返回都由服務(wù)器的后臺程序自動調(diào)用以及客戶端或小程序人為操控，硬件單體無法自主調(diào)用。在服務(wù)器發(fā)送相關(guān)的指令并在對應(yīng)的用電器接收到后，硬件部分會通過一系列的有線、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，將需要的數(shù)據(jù)（如燈的狀態(tài)、空調(diào)的狀態(tài)）回傳給服務(wù)器。上述的硬件信息獲取過程只有在客戶端或者小程序聯(lián)網(wǎng)后，主動或被動向服務(wù)器發(fā)送請求下才會執(zhí)行。軟硬件連接方式如圖7所示。

5實驗測試與分析

本項目完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計和系統(tǒng)搭建，完成實驗和功能調(diào)試，在相關(guān)教學(xué)樓教室現(xiàn)場測試，滿足要求。管理界面如圖8～10所示。

6結(jié)束語

本文介紹了基于STM32與Qt框架的智能教室節(jié)能管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)為減少學(xué)校教室用電量及人力成本，從用電時間著手，主要是控制電器開關(guān)，設(shè)計出此自動化系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的智能教室系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)將服務(wù)器和路由器建立聯(lián)系，在預(yù)選設(shè)定的時間或紅外人體感應(yīng)識別不到人體信號時，返回對應(yīng)信息至服務(wù)器，通過服務(wù)器發(fā)送指令控制教室電器，大大降低了教室用電成本以及人力維護(hù)成本。本設(shè)計成果也可以應(yīng)用到其他場所，具有一定的經(jīng)濟(jì)和社會效益。