朱文盛，劉保菊

（平頂山學(xué)院信息工程學(xué)院，河南平頂山 467000）

教育決定著一個國家的綜合國力，決定著一個國家是否能夠強大。近些年來，中小學(xué)教育成為了社會關(guān)注的焦點，人們越來越關(guān)注教育的方方面面。學(xué)習(xí)環(huán)境，不僅影響著中小學(xué)生們的身心健康，還影響學(xué)生們的學(xué)習(xí)效率。為了監(jiān)測學(xué)生的學(xué)習(xí)環(huán)境，對教室內(nèi)的物理環(huán)境信息進(jìn)行實時采集[1]。步進(jìn)電機實時控制窗簾來調(diào)節(jié)教室內(nèi)的光線亮暗，保證教室內(nèi)的光線不能太強，也不能太暗[2]。學(xué)校的規(guī)章制度要求學(xué)生們必須按時上課。如果發(fā)現(xiàn)學(xué)生沒有到校，老師們應(yīng)該及時確定原因，為了確保出勤數(shù)據(jù)的真實可靠，通過人臉識別的方式進(jìn)行出勤統(tǒng)計[3]。學(xué)校的管理人員和老師可以通過云智能APP 或者阿里云平臺遠(yuǎn)程監(jiān)控教室內(nèi)的環(huán)境和控制教室的電燈[4]。系統(tǒng)方便了教師的管理，節(jié)省了人力、物力、財力，降低了資源的消耗。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

智慧教室的遠(yuǎn)程無線控制系統(tǒng)主要功能分為感知層、傳輸層、應(yīng)用層三層。感知層包括數(shù)據(jù)采集、出勤統(tǒng)計、控制三部分。數(shù)據(jù)采集包括光照強度傳感器、溫濕度傳感器、空氣質(zhì)量傳感器對教室內(nèi)物理環(huán)境的實時采集。出勤統(tǒng)計包括K210 人臉模塊通過人臉識別的方式對學(xué)生的實到人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計?？刂瓢ɡ^電器對教室內(nèi)電燈的控制和步進(jìn)電機對窗簾的自動化控制。傳輸層是指通過WIFI 模塊將感知層采集的數(shù)據(jù)實時上傳阿里云平臺，并且下發(fā)應(yīng)用層的命令。應(yīng)用層是指云智能APP 和阿里云平臺，學(xué)校的管理人員可以實時了解數(shù)據(jù)以及控制教室內(nèi)電燈的狀態(tài)。圖1 為系統(tǒng)設(shè)計框圖。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件以STM32F103C8T6 單片機作為主控制器[5]，WIFI 通信模塊用于無線通信，DHT11 溫度傳感器用于檢測溫度和濕度，MQ-135 空氣質(zhì)量傳感器用于檢測空氣質(zhì)量，TEMT6000 光照強度傳感器用于檢測光照強度，繼電器模塊控制電燈的狀態(tài)，28BYJ4步進(jìn)電機自動化控制窗簾，1.77 寸LCD 顯示屏顯示數(shù)據(jù)，K210 人臉識別模塊對學(xué)生的身份進(jìn)行識別。

2.1 STM32最小系統(tǒng)板

系統(tǒng)設(shè)計使用了STM32 最小系統(tǒng)板，主控芯片是意法半導(dǎo)體公司推出的的32 位微控制器STM32 F103C8T6。芯片采用的封裝為LQFP48。STM32 最小系統(tǒng)板由主控電路、復(fù)位電路、SWD 下載電路、BOOT 啟動電路、LED 燈電路、晶振電路、5 V 轉(zhuǎn)3.3 V電路、USB 接口電路組成。

2.2 LCD顯示屏模塊

該文設(shè)計采用的1.77 寸LCD 顯示屏的分辨率是128×RGB×160，顏色為65K/256K。它的顯示模式為普通黑色，正常工作溫度在-20～70 ℃之間。除此之外，屏幕的功耗比較低。與0.96 寸OLED 顯示屏相比，不僅顯示的字符多，還能顯示彩色文字和圖片。LCD 屏幕模塊上的VCC 連接單片機的3.3 V 進(jìn)行供電，GND 連接單片機的GND，LCD_CS 連接單片機的PB3，LCD_DC 連接單片機的PB4、LCD_SCL 連接單片機的PB5、LCD_SDI 連接單片機的PB6、LCD_RES連接單片機的PB7。根據(jù)官方提供的字符取模教程，把取好的字模復(fù)制到lcdfont.h 文件里。圖2 為1.77 寸LCD 顯示屏模塊原理圖。

圖2 1.77寸LCD顯示屏模塊原理圖

2.3 溫濕度傳感器

該文設(shè)計采用了DHT11 溫濕度傳感器，它是一種數(shù)字傳感器。該傳感器的優(yōu)點是測量精度高、價格便宜、穩(wěn)定性好。濕度測量的范圍在20～90%RH之間，溫度測量的范圍在0～50 ℃之間。供電范圍在3.3～5 V 之間，該傳感器使用3.3 V 進(jìn)行供電。該模塊的DATA 端接單片機的PB1 引腳。

2.4 光照強度傳感器

該文設(shè)計使用了TEMT6000 光照強度傳感器，它是一種模擬傳感器。它的靈敏度極高，能夠達(dá)到570 nm。光照強度越強，光敏電阻的阻值就越小。通過單片機高精度的ADC 功能，將光照強度傳感器兩端的電壓模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。通過一定的算法，將數(shù)字量轉(zhuǎn)化成光照強度。該光照強度傳感器價格便宜、精度高。模塊的S 端連接單片機的PA0，該I/O 口具備ADC 功能。該傳感器使用5 V 供電。

2.5 空氣質(zhì)量傳感器

該文設(shè)計使用了MQ-135 空氣質(zhì)量傳感器，它是一種模擬傳感器。該傳感器成本低，不僅能檢測多種有害氣體，還能檢測煙霧。當(dāng)空氣中污染氣體濃度升高時，傳感器表面材料的導(dǎo)電率會變大。單片機通過高精度的ADC 功能將傳感器的電壓模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。在程序設(shè)計中，通過一定的算法將數(shù)字量轉(zhuǎn)化成空氣質(zhì)量。AO 端連接單片機的PA1，該I/O 口具備ADC 功能，該傳感器使用了5 V 供電。傳感器正常工作時會發(fā)熱，這是因為內(nèi)部有發(fā)熱絲。

2.6 WIFI通信模塊

該文設(shè)計使用了ESP8266-01 型號的WIFI 模塊，內(nèi)置集成的天線。它最高頻率可達(dá)160 MHz,是由上海樂鑫公司開發(fā)的，其優(yōu)點是經(jīng)濟實惠、功耗低、傳輸速率穩(wěn)定。該設(shè)計使用了AT 指令進(jìn)行開發(fā)，數(shù)據(jù)傳輸使用了物聯(lián)網(wǎng)MQTT 協(xié)議。模塊支持三種工作模式：AP 模式、Station 模式以及AP 和Station 合二為一的模式。該設(shè)計中使用3.3 V 對WIFI 模塊進(jìn)行供電，使用5 V 供電會燒壞WIFI 模組。模組通過串口與單片機進(jìn)行通信，模塊的RXD連接單片機的PA2，模塊的TXD 連接單片機的PA3，模塊的EN 連接單片機的PB12。

2.7 繼電器模塊

該文設(shè)計使用了1 路繼電器，用于對教室內(nèi)電燈進(jìn)行控制。繼電器觸發(fā)方式為低電平觸發(fā)NC 為常閉端，NO 為常開端，COM 為常閉端，左側(cè)相當(dāng)于一個單擲開關(guān)，右側(cè)引腳為模塊供電以及輸入控制信號。當(dāng)右側(cè)的輸入脈沖為高電平時，公共端與常閉端連接，綠色燈LED8 不亮，左側(cè)關(guān)閉開關(guān)。當(dāng)右側(cè)的輸入脈沖為低電平時，公共端與常開端連接，綠色燈LED8 亮，右側(cè)打開開關(guān)。繼電器模塊使用5 V 供電，1N 接單片機的PA15。只要模塊上電，紅燈LED4會一直亮。

2.8 步進(jìn)電機模塊

該文設(shè)計使用了28BYJ4 步進(jìn)電機，它一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的電機。步進(jìn)電機與傳統(tǒng)的直流電機相比，其轉(zhuǎn)動距離是可以控制的，且不受電壓變化的影響。由于步進(jìn)電機的正常工作電壓在5～12 V之間，單片機的接口不能提供這么大的驅(qū)動電壓，需要使用ULN2003 驅(qū)動板驅(qū)動步進(jìn)電機工作。驅(qū)動板需要5 V 電壓進(jìn)供電才能正常工作。步進(jìn)電機的1C連接單片機的PA4，2C 連接單片機的PA5，3C 連接單片機的PA6，4C 分別接單片機的PA7。

2.9 K210人臉識別模塊

該文設(shè)計采用了海凌科公司生產(chǎn)的K210 人臉識別模塊。通過人臉識別的方式對學(xué)生的出勤情況進(jìn)行統(tǒng)計。該模塊不需要二次開發(fā)，內(nèi)置AI 人臉識別算法和模型庫，可快速啟動；STM32 單片機驅(qū)動代碼極少，極易驅(qū)動，直接通過單片機的串口進(jìn)行通信。使用該模塊支持活體識別，可以防照片、防視頻。該該模塊使用單片機的串口3 進(jìn)行通信。該模塊上CH340 芯片的焊點CRX、CTX 分別接單片機的PB11、PB10 引腳。

3 軟件設(shè)計

3.1 主程序設(shè)計

當(dāng)系統(tǒng)開始工作時，溫濕度傳感器、空氣質(zhì)量傳感器模塊、光照強度傳感器模塊、WIFI 模塊等各個硬件模塊進(jìn)行初始化。經(jīng)過短暫時間后，系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)、統(tǒng)計實到人數(shù)。將采集的數(shù)據(jù)顯示在LCD 顯示屏上，并將數(shù)據(jù)上傳到阿里云物聯(lián)平臺。步進(jìn)電機根據(jù)采集的光照強度自動拉動窗簾到合適的位置。根據(jù)阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺或者云智能APP 下發(fā)的命令，系統(tǒng)執(zhí)行對繼電器相應(yīng)的邏輯控制命令。主程序流程圖如圖3 所示。

3.2 光照強度檢測子程序設(shè)計

由于該文設(shè)計使用的光照強度傳感器是模擬傳感器，為了減少誤差值，對單片機ADC 采集到電壓值進(jìn)行五次取平均值。然后，通過算法計算光照強度。最終通過LCD 屏幕進(jìn)行顯示，并且上傳到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺。光強度檢測子程序流程圖如圖4所示。

圖4 光照強度檢測子流程圖

3.3 空氣質(zhì)量檢測子程序設(shè)計

由于設(shè)計使用的空氣質(zhì)量檢測傳感器也是模擬傳感器，為了減少誤差值，對單片機ADC 采集到的電壓值進(jìn)行五次取平均值操作。然后，通過算法計算空氣質(zhì)量指數(shù)。最終通過LCD 屏幕進(jìn)行顯示，并且上傳到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺?？諝赓|(zhì)量檢測子程序流程圖如圖5 所示。

圖5 空氣質(zhì)量檢測子流程圖

3.4 溫濕度檢測子程序設(shè)計

該文設(shè)計使用的溫濕度傳感器是數(shù)字傳感器，所以軟件的數(shù)據(jù)處理部分開發(fā)難度降低了。首先，要對連接單片機的端口進(jìn)行初始化。通過DHT11_Read_Data(&wendu,&shidu)讀取溫濕度值。最終通過LCD 顯示屏進(jìn)行顯示，上傳到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺。溫濕度檢測子程序流程圖如圖6 所示。

圖6 溫濕度檢測子流程圖

4 測試部分

系統(tǒng)經(jīng)過嚴(yán)格的測試，上電后系統(tǒng)能夠正常的運行。經(jīng)過多次測試表明步進(jìn)電機對于窗簾的控制穩(wěn)定，系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)與用相關(guān)的儀器測試的誤差合理。在電腦端登錄阿里云平臺，可以看到實時采集的數(shù)據(jù)，并且能夠?qū)崟r下發(fā)命令控制教室內(nèi)的電燈。同樣，通過手機端云智能APP 也能穩(wěn)定的實現(xiàn)各功能。同時對比兩者與LCD 顯示屏顯示的數(shù)據(jù)，幾乎一致。除此之外，阿里云平臺和云智能APP的使用不受地理位置限制。云智能APP 控制界面如圖7所示。

圖7 云智能APP控制界面

5 結(jié)論

該文主要設(shè)計了一個基于STM32 單片機的智慧教室的遠(yuǎn)程無線控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)教室內(nèi)溫度、濕度、空氣質(zhì)量、光照強度等環(huán)境信息的采集，并通過阿里云平臺或者云智能APP 遠(yuǎn)程下發(fā)命令控制繼電器進(jìn)而控制教室內(nèi)的電燈，采用WIFI 模塊實現(xiàn)對教室內(nèi)環(huán)境信息的數(shù)據(jù)上傳，通過人臉識別來統(tǒng)計出勤，使用步進(jìn)電機自動化控制窗簾。由于使用了WIFI 無線模塊通信，對于WIFI 信號的要求比較高。如果，WIFI信號的質(zhì)量不好，會出現(xiàn)掉線的現(xiàn)象。

該文設(shè)計的創(chuàng)新點：因為出勤統(tǒng)計使用的人臉識別是對活體進(jìn)行識別，防止了圖片和視頻識別，使的出勤數(shù)據(jù)更加真實。步進(jìn)電機對于窗簾的自動化控制，改變了傳統(tǒng)的手動拉窗簾的方式，方便了人們的生活。