賴瑞鏹，黃真真，朱娟玉

（泉州華光職業(yè)學(xué)院，福建 泉州 362121）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)和生活水平的不斷發(fā)展，人們對工作環(huán)境條件、智能化的要求也不斷提高。國家在2018年6月7日，發(fā)布了《智慧校園總體框架》。該標準對智慧校園的智能監(jiān)測、智慧教學(xué)環(huán)境等術(shù)語進行了規(guī)范[1]。智慧校園是將云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等信息技術(shù)與校園教學(xué)、科研、管理、服務(wù)相融合，實現(xiàn)對教育教學(xué)、教育管理等進行觀察和預(yù)測的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境[2]。隨著智能化的不斷提高，信息技術(shù)的不斷發(fā)展對智慧校園的建設(shè)和發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)為目前階段的挑戰(zhàn)提供了有力的技術(shù)支持。物聯(lián)網(wǎng)是基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上發(fā)展而來的，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用使學(xué)校教學(xué)、計算機房設(shè)備等的管理更加智能化、人性化。

系統(tǒng)基于 NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)，能夠?qū)崟r監(jiān)測計算機機房的環(huán)境參數(shù)，并可通過物聯(lián)網(wǎng)平臺進行遠程控制，具有智能調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)功能，不僅能為老師、學(xué)生提供良好的工作和學(xué)習(xí)環(huán)境，同時能保證計算機正常工作。人臉識別門禁系統(tǒng)的應(yīng)用則使計算機機房的管理更加智能化、人性化。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件電路主要包括：主控板、ATF人機交互顯示屏、NB-IoT模塊、溫濕度傳感器、紅外遙控智能調(diào)溫、灰塵檢測傳感器、光照度檢測傳感器、人臉識別門禁系統(tǒng)、PWM燈光調(diào)節(jié)等模塊。系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

2.1 主控芯片

系統(tǒng)主控需要與多個串口設(shè)備進行通信，因此采用Arduino Mega2560作為主控板，該主控板是基于ATmega2560的微控制板。8位ATmega2560芯片提供了閃電般的處理速度和強大的運算能力，輕松適應(yīng)復(fù)雜項目的研發(fā)。主控板有4路UART串口通信接口滿足本系統(tǒng)的需求，并提供預(yù)留接口，可專門用于調(diào)試。

2.2 溫濕度傳感器

本系統(tǒng)利用數(shù)字溫濕度傳感器AM2302（DHT22）采集機房環(huán)境溫度和濕度。DHT22是一款能夠采集溫度和濕度的復(fù)合型傳感器[3]。該傳感器主要應(yīng)用于暖通空調(diào)、自動控制、濕度調(diào)節(jié)器等領(lǐng)域中。為了提高數(shù)據(jù)的準確度采用多點式采集溫濕度。DTH22溫濕度傳感器長距離傳輸?shù)奶攸c為本系統(tǒng)多點式分布采集信號提供了解決方案。DTH22溫濕度傳感器的測量分辨率均為16位，為了保證測量精度，在采樣過程中采樣周期間隔不得低于2s。傳感器在溫度25℃條件下濕度的測量精度為±2%RH，溫度測量范圍在10～50℃時其精度在±0.25℃。DTH22溫濕度傳感器為單總線雙向通信方式，通過傳感器DATA接口即可完成信號傳輸。

2.3 灰塵檢測傳感器

系統(tǒng)利用GP2Y1014AU灰塵傳感器檢測灰塵度。GP2Y1014AU是一種基于光學(xué)傳感系統(tǒng)的灰塵傳感器[4]。傳感器的中間有一個能讓空氣自然流過的孔，傳感器的對角線位置上分別有一個紅外發(fā)射二極管（IRED）和一個光電探測器（PD）。檢測灰塵的原理是紅外發(fā)射二極管定向發(fā)射紅外光，當發(fā)射的光經(jīng)過含有不同濃度灰塵的空氣時會發(fā)生不同的漫反射，不同的光照射在光電探測器上，信號輸出引腳則輸出不同的電壓。輸出的電壓在一定范圍里與灰塵的濃度呈線性關(guān)系，在使用該傳感器過程中，只要測得信號引腳輸出的電壓即可計算出空氣中的灰塵濃度。灰塵傳感器的工作原理如圖2所示。

圖2 灰塵傳感器的工作原理圖

GP2Y1014AU傳感器可測量0.8μm以上的微小粒子?；覊m濃度每變化0.1mg/m3，輸出電壓變化0.5V。根據(jù)傳感器產(chǎn)品說明書中輸出電壓與灰塵濃度特性圖，可以得到濃度在0mg/m3～0.5mg/m3范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。在0mg/m3～0.5mg/m3范圍內(nèi)取部分電壓與濃度的對應(yīng)值[5]，經(jīng)過轉(zhuǎn)換即可得到如下公式：

式（1）中V為輸出電壓，N為灰塵濃度。

測得傳感器信號輸出引腳的電壓值后代入到公式（1）中即可得到機房環(huán)境中灰塵濃度。當機房中的灰塵濃度超過設(shè)定的值時，顯示屏上顯示需要清理圖標，NB-IoT模塊將清理信息傳送到平臺并發(fā)送通知提醒管理人員及時處理。

2.4 光照度檢測傳感器

光照度作為機房的重要環(huán)境參數(shù)之一，本系統(tǒng)采用的是16位數(shù)字輸出型環(huán)境光強度傳感器BH1750FVI。BH1750FVI是采用I2C總線進行通信的數(shù)字型光強度傳感器集成電路[6]。

傳感器模塊由光敏二極管（PD）、集成運算放大器（AMP）、ADC采集、內(nèi)部晶振（OSC）等組成。高靈敏度的光敏二極管接收到光照，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號（電流）。這個電流信號被運算放大器放大并轉(zhuǎn)換成電壓，ADC將電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字數(shù)據(jù)通過光照度計算后存儲在內(nèi)部的寄存器中。接收到的光照越強，轉(zhuǎn)換的電流也越大，電壓也就越大。光照度傳感器電路原理圖如圖3所示。設(shè)計規(guī)范中要求計算機機房在使用過程中光照度不低于500LX。根據(jù)這個要求，在使用機房過程中如果檢測到的環(huán)境光照強度高于或低于500LX，系統(tǒng)通過PWM調(diào)光模塊控制LED燈調(diào)節(jié)光照度，使整個機房的光照度穩(wěn)定在500LX。

圖3 光照度傳感器電路原理圖

2.5 NB-IoT模塊

NB-IoT模塊作為下位機與物聯(lián)網(wǎng)平臺之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備，本系統(tǒng)選用的是基于聯(lián)發(fā)科MT2625芯片平臺研發(fā)的BC26[7]。SIM卡槽位于模塊的正面，在使用模塊過程中注意不要插拔USIM卡，在帶電下插拔USIM卡時會出現(xiàn)各種異常的情況。模塊默認通信波特率為115200Bd/s。模塊的左側(cè)為7個引腳，使用過程中只需要接+3V、GND、TXD、RXD四個引腳。其中+3V、GND與電源連接，TXD和RXD分別與主控芯片Arduino MEGA 2560的TXD1和RXD1連接。模塊接入阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺后，管理人員通過平臺對每一個傳感器進行管理、監(jiān)測和操作，也可以通過平臺的推送機制接收、查看和處理報警信息。

2.6 人機交互顯示屏

為了方便管理人員的操作與管理，本系統(tǒng)下位機的人機交互操作屏幕采用ATF070顯示屏。ATF070顯示屏是一款大小為7英寸的TFT彩色顯示屏。電容觸摸功能為管理人員的操作提供了便利。顯示屏模塊主要由四大功能模塊構(gòu)成：顯示及觸摸模塊、資源存儲器、圖形界面系統(tǒng)（GUI服務(wù)引擎）、UART通信接口。模塊的通信接口為串行UART（TTL電平）接口，將模塊的TXD、RXD分別與主控板的RXD、TXD連接即可。ATF070顯示屏模塊具有字符串直接打印模式（Print Mode），無需任何操作便可將模塊串口接收到的字符串打印在顯示屏上（使用默認字符大小及字符色）；因此顯示屏可直接用于串口調(diào)試。也可通過發(fā)送顯示指令控制模塊進行繪圖、字符及圖片顯示等。本系統(tǒng)中主要用到的指令如表1。

表1 本系統(tǒng)中主要用到的指令

2.7 人臉識別模塊

本系統(tǒng)的門禁識別功能采用人臉識別的方式[8]，采用的模塊是HuskyLens人工智能攝像頭。HuskyLens模塊板載UART/I2C接口，可與主控器直接連接實現(xiàn)硬件無縫對接。人臉錄入與識別流程如下：將要學(xué)習(xí)的人臉與HuskyLens屏幕中央的“+”字對準，長按“學(xué)習(xí)按鍵”不松開，當屏幕上顯示“人臉：ID1”時表示正在學(xué)習(xí)人臉，然后人移動從不同的角度和距離學(xué)習(xí)錄入人臉。在學(xué)習(xí)過程中，人臉要始終在黃色框內(nèi)。松開“學(xué)習(xí)按鍵”，結(jié)束學(xué)習(xí)。如果要繼續(xù)錄入人臉，在松開“學(xué)習(xí)按鍵”后再按一次即可錄入下一個人的人臉。HuskyLens模塊識別到學(xué)習(xí)過的人臉，屏幕上會顯示出該人臉的ID，并將此ID直接反饋給主控。當主控接收到的ID號是指定管理人員時，則電磁鎖通電開啟門。

2.8 紅外學(xué)習(xí)模塊

紅外學(xué)習(xí)模塊用于遠程控制空調(diào)[9]。在使用紅外學(xué)習(xí)模塊控制空調(diào)前，先有一個學(xué)習(xí)的過程。用戶先給紅外學(xué)習(xí)模塊的串口發(fā)送命令，使模塊進入內(nèi)部或外部存儲學(xué)習(xí)模式。進入內(nèi)部編碼存儲學(xué)習(xí)模式（AFN=10H）的指令為 680800FF10000F16；進入外部存儲紅外學(xué)習(xí)模式（AFN=20H）指令為6807 00FF201F16。進入學(xué)習(xí)模式后，空調(diào)遙控器對準模塊紅外接收頭并且點擊上面的按鈕，模塊會收到紅外編碼數(shù)據(jù)，用戶可將該編碼數(shù)據(jù)存儲到模塊內(nèi)部。當用戶發(fā)送指令調(diào)取模塊內(nèi)部存儲的編碼數(shù)據(jù)或直接給模塊發(fā)送編碼數(shù)據(jù)時，模塊會把編碼數(shù)據(jù)調(diào)制為38kHz紅外載波，通過紅外發(fā)射頭發(fā)送出去，進而達到控制空調(diào)的目的。內(nèi)部存儲編碼數(shù)據(jù)指令簡單，但最多只能存儲7組編碼數(shù)據(jù)；而外部存儲操作指令復(fù)雜、數(shù)據(jù)較大，但是存儲靈活。因此在本系統(tǒng)中采用兩者結(jié)合的方式，常用的按鍵功能存儲在內(nèi)部，而其他的存儲在主控芯片中。

2.9 硬件電路圖

下位機硬件包括：主控Arduino Mega2560、電源、灰塵檢測傳感器電路、光照度檢測傳感器、人臉識別模塊、PWM調(diào)光模塊、DHT22溫濕度檢測傳感器電路、紅外學(xué)習(xí)模塊、ATF顯示屏、NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)模塊。下位機整體硬件電路圖如圖4所示。

圖4 下位機整體硬件電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)下位機軟件開發(fā)采用Arduino IDE。主程序框圖如圖5所示。各個傳感器實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測到的數(shù)據(jù)參數(shù)通過NB-IoT模塊上傳到阿里云物理網(wǎng)平臺。管理人員可通過物聯(lián)網(wǎng)平臺查看數(shù)據(jù)，并通過物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)遠程控制。當機房內(nèi)的溫度、濕度高于設(shè)定值，則通過紅外遙控器打開空調(diào)，給機房降溫。當灰塵傳感器檢測到機房內(nèi)灰塵高于預(yù)設(shè)值，則發(fā)送提醒信息并在ATF顯示屏上顯示清理圖標。當檢測到光照度傳感器檢測光照度超過或低于500LX，則通過PWM進行調(diào)光。當人臉識別模塊識別到已經(jīng)學(xué)習(xí)過的人臉，則控制電磁鎖打開門。

圖5 主程序框圖

4 顯示界面的設(shè)計

4.1 待機界面

系統(tǒng)開機后顯示待機界面。在待機界面中間顯示系統(tǒng)名稱，右側(cè)顯示當前時間和日期以及進入的按鈕。在整界面的下方顯示著當前的溫度、濕度。

4.2 空調(diào)設(shè)置界面

點擊空調(diào)設(shè)置按鈕，進入空調(diào)設(shè)置界面。在空調(diào)設(shè)置界面中左側(cè)顯示當前室內(nèi)溫度，圓圈中的數(shù)值為當前空調(diào)設(shè)定的溫度。右側(cè)則是當前空調(diào)風(fēng)速與設(shè)定的空調(diào)風(fēng)速。點擊下方的“－”和“＋”對溫度和風(fēng)速進行調(diào)節(jié)。在界面的右上角有一個乒乓按鈕控件，紅色表示空調(diào)關(guān)閉，綠色表示空調(diào)開啟。

5 結(jié)語

基于NB-IoT的計算機機房管理系統(tǒng)以Arduino Mage2560為主控器。利用NB-IoT通信技術(shù)將檢測到的溫度、濕度、光照度、灰塵等數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨⒗镌莆锫?lián)網(wǎng)平臺。ATF顯示屏實現(xiàn)人性化的人機交互界面；紅外學(xué)習(xí)模塊和PWM模塊實現(xiàn)了對空調(diào)和LED燈的智能控制。利用人臉識別模塊實現(xiàn)門禁管理，提高了安全性。管理人員通過阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)遠程監(jiān)控，智能化管理，節(jié)省了時間和人工成本。