楊秀增，宋俊慷

（廣西民族師范學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 崇左 532200）

0 引言

教室是學(xué)生學(xué)習(xí)和交流的理想場(chǎng)所［1-2］。 經(jīng)調(diào)查,發(fā)現(xiàn)教室的電腦、投影儀、照明燈、風(fēng)扇和空調(diào)等設(shè)備經(jīng)常忘記關(guān)機(jī),教室浪費(fèi)電的現(xiàn)象十分嚴(yán)重［3-6］。 因此,設(shè)計(jì)一套教室節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)高校節(jié)能減排,降低高校的教學(xué)成本,具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

針對(duì)教室浪費(fèi)電的現(xiàn)象,本文設(shè)計(jì)一套基于物聯(lián)網(wǎng)的教室節(jié)能遠(yuǎn)程節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)。 本系統(tǒng)采用LoRa無(wú)線擴(kuò)頻通信技術(shù),把每間教室用電器用電狀態(tài),傳回值班室的數(shù)據(jù)集中器中,方便值班室管理人員對(duì)教室用電進(jìn)行統(tǒng)一管理。 數(shù)據(jù)集中器再通過(guò)4G 模塊把每一間教室的用電數(shù)據(jù)發(fā)到遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)信息管理平臺(tái),實(shí)現(xiàn)信息化和網(wǎng)絡(luò)化管理。

1 系統(tǒng)總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),主要由教室從機(jī)控制器、值班室數(shù)據(jù)集中器和與數(shù)據(jù)監(jiān)控中心等部分組成(見(jiàn)圖1）。 教室從機(jī)控制器由傳感器及驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)控制器和LoRa 通信模塊組成。 其主要作用是,采集每間教室的環(huán)境參數(shù)和驅(qū)動(dòng)繼電器工作,并把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)到值班室主機(jī)中。 值班室數(shù)據(jù)集中器主要由LoRa 通信模塊、ARM 控制器和4G 通信模塊組成。 其主要作用是數(shù)據(jù)收集和指令發(fā)送。 數(shù)據(jù)監(jiān)控中心主要由4G 信號(hào)發(fā)射塔、服務(wù)器和監(jiān)控中心電腦等組成。 其主要作用是管理和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)集中器發(fā)回的教室節(jié)能數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)節(jié)能數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化管理。

圖1 總體設(shè)計(jì)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 教室從機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)

教室從機(jī)控制電路主要由單片機(jī)控制器、LoRa 通信模塊、LCD 觸摸顯示模塊、電流驅(qū)動(dòng)模塊、斷電器、RS232/485 轉(zhuǎn)換電路、光照傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器和人體紅外感應(yīng)模塊等電路組成(見(jiàn)圖2）。 單片機(jī)控制器采用宏晶科技公司的高速單片機(jī)STC15W4K32S4,它不需要外接晶振和復(fù)位電路。 本設(shè)計(jì)采用全新一代擴(kuò)頻LoRa 技術(shù),采用基于SEMTECH公司SX1268 無(wú)線射頻芯片,支持自動(dòng)中斷組網(wǎng)功能,具有傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。 LCD 觸摸顯示模塊是輸出設(shè)備,用于顯示教室內(nèi)工作狀態(tài)等。 人體紅外感應(yīng)模塊是基于紅外技術(shù)的自動(dòng)控制模塊,采用LHI778 探頭設(shè)計(jì),具有靈敏度高可靠性高等特點(diǎn)。 光照傳感器、濕度傳感器和溫度傳感器是感知設(shè)備,用于感知教室中環(huán)境參數(shù)。

圖2 教室從機(jī)控制電路原理

2.2 數(shù)據(jù)集中器硬件電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)集中器硬件主要由STM32 控制器、觸摸屏顯示器、JTAG 調(diào)試電路、4G 通信模塊、LORA 通信模塊、復(fù)位電路和晶振電路等組成(見(jiàn)圖3）。 控制器采用基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核 32 位單片機(jī) STM32F103ZET6。 串口1 接JTAG 調(diào)試電路,用于程序下載和JTAG 調(diào)試。串口2 與LoRa 無(wú)線通信模塊串口相連,用于LoRa 無(wú)線通信。 串口3 與觸摸屏顯示器相連,用于顯示數(shù)據(jù)。串口4 與4G 通信模塊相連,用于4G 網(wǎng)絡(luò)通信,把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)到數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。

圖3 數(shù)據(jù)集中器

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 教室從機(jī)控制器程序設(shè)計(jì)

教室從機(jī)主程序算法流程,如圖4 所示。 上電時(shí),系統(tǒng)首先對(duì)LoRa 無(wú)線通信模塊進(jìn)行初始化,主要設(shè)置好模塊的工作模式、串口波特率、空中傳輸速率和信道等參數(shù)。 然后,初始化LCD 顯示模塊和打開(kāi)串口0 中斷。 初始化完成后,系統(tǒng)查詢串口0 是否收到值班數(shù)據(jù)主機(jī)發(fā)出的命令,如果收到命令,則執(zhí)行工作狀態(tài)更改程序,根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)值,驅(qū)動(dòng)相關(guān)繼電器工作,如果從機(jī)沒(méi)有收到命令,單片機(jī)讀取教室內(nèi)光照、濕度和溫度環(huán)境數(shù)據(jù),再通過(guò)人體紅外感應(yīng)模塊判斷教室是否有人。 如果沒(méi)有人,則關(guān)掉教室內(nèi)所有的電源,否則單片機(jī)執(zhí)行工作狀態(tài)更改程序；如果教室內(nèi)的溫度高于開(kāi)空調(diào)的預(yù)設(shè)置溫度值,則打開(kāi)教室空調(diào)電源；如果教室內(nèi)的溫度不高于開(kāi)空調(diào)的預(yù)設(shè)置溫度值且高于開(kāi)風(fēng)扇的預(yù)設(shè)置值,則只打開(kāi)教室風(fēng)扇電源。

圖4 教室從機(jī)控制器主程序算法流程

3.2 數(shù)據(jù)集中器程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)集中器主程序算法流程,如圖5 所示。 當(dāng)單片機(jī)上電時(shí),首先,建立LoRa 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和打開(kāi)串口0中斷,并向各教室從機(jī)依次發(fā)送狀態(tài)查詢命令。 命令發(fā)出后,單片機(jī)執(zhí)行延時(shí)子程序,等待從機(jī)響應(yīng)。 然后,查詢串口0 是否接收到響應(yīng)數(shù)據(jù),如果接收到響應(yīng)數(shù)據(jù),單片機(jī)解析數(shù)據(jù)包及保存數(shù)據(jù),否則從機(jī)地址加1 返回。 當(dāng)收到響應(yīng)數(shù)據(jù)時(shí),判斷是否是從機(jī)數(shù)據(jù),如果不是,則從機(jī)地址加1 返回。 如果收到的響應(yīng)數(shù)據(jù)是最后從機(jī)數(shù)據(jù),單片機(jī)分析數(shù)據(jù),則向教室從機(jī)發(fā)狀態(tài)命令。 數(shù)據(jù)處理完成之后,單處機(jī)把從機(jī)數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包形式通過(guò)4G 通信模塊發(fā)送服務(wù)器。

圖5 數(shù)據(jù)集中器程序算法流程

4 系統(tǒng)測(cè)試

根據(jù)以上技術(shù)方案,設(shè)計(jì)樣機(jī)測(cè)試系統(tǒng)方案。 把從機(jī)樣機(jī)安裝在不同教室主機(jī)數(shù)據(jù)集中器放在值班室中進(jìn)行測(cè)試,系統(tǒng)上電之后,從機(jī)不斷地把采集到的數(shù)據(jù)傳回主機(jī),在主機(jī)的LCD 顯示屏上顯示信息,樣機(jī)測(cè)試表明,樣機(jī)工作穩(wěn)定、滿足設(shè)計(jì)要求,如圖6 所示。

圖6 主機(jī)終端顯示界面

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)的高校招生規(guī)模不斷擴(kuò)大,在校大學(xué)生人數(shù)逐年高攀,為學(xué)生提供的教室數(shù)量不斷地增大,如何有效地進(jìn)行教室節(jié)能管理是一個(gè)問(wèn)題。 本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)的教室節(jié)能遠(yuǎn)程節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng),具有較好的實(shí)用價(jià)值。