OneNET云平台WiFi远程控制的智能教室系统

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(天津科技大学 电子信息与自动化学院，天津 300222)

OneNET云平台WiFi远程控制的智能教室系统

尤琦涵，陈兆仕，张沁

(天津科技大学 电子信息与自动化学院，天津 300222)

针对高校多媒体教室管理效率较低这一问题，提出一种基于物联网技术的自动控制系统。以STM32单片机作为主控制器，利用WiFi组网,配合传感器和易于安装的开窗装置，通过系统自动调节或PC终端远程控制，就可以实现对室内光线强度、温度和CO2浓度的控制，使现有的教室更加舒适，有利于提高学习效率。本系统亦可推广应用于人员密集的场所。

IoT；智能教室；STM32；开窗装置

引 言

课堂上学生上课精神状态不佳，不仅影响老师上课的思路，而且降低了学生的学习效率。在大容量班级的授课环境中，有时并不是因为学生睡眠不足导致此问题，而是由于室内CO2浓度过高或者光线过暗不利于学习，使学生产生困意。因此，如何改善学习环境已成为各高校急需解决的问题。开窗和开门可以改善室内空气流通，但是面对教学楼里面数量多、分布广的教室，每天开窗关窗需要花费大量的人力和时间。随着物联网技术的迅速发展，越来越多的设备实现了无线远程控制。为了科学地对每个教室进行管理，本文将物联网技术融入现有的多媒体教室中，通过MG811探头检测CO2浓度、DS18B20传感器检测温度、TSL2561传感器检测光照强度，配合自主设计的易于安装在平开窗上的开窗装置达到自动调节室内环境的目的。用户也可在手机客户端或电脑网页通过WiFi远程控制该系统，实现管理自动化和网络化。

1 系统总体设计架构及运行

智能教室系统主要由教室控制单元、无线访问节点、云平台服务器和远端控制平台4部分组成。系统结构图如图1所示。其中，可选择智能手机APP或PC网页作为远端控制平台，登陆OneNET云平台，输入正确的账号和密码便可进入管理界面。教室控制单元中的WiFi模块通过无线访问节点(路由器)连接互联网，接入OneNET云平台API，将采集的数据发送到服务器，教室控制单元同时接收和响应远端控制平台的命令[1]。

图1 智能教室系统结构图

2 系统硬件设计

2.1 云服务器的选择

为了缩短开发周期，降低开发成本，物联网云平台选择中移物联网有限公司搭建的OneNET设备云平台。该平台提供多元化的API和完善的开发工具，可实现设备创建、激活、鉴权、修改、下线等整个生命周期的管理，时间序列化数据的归档及获取，实时消息传输、路由，解决设备控制命令下行及实时通知消息推送问题。其还可以提供常用的RESTful API接口、Socket接口，以及对MQTT、Modbus等接入协议的支持。

2.2 教室控制单元设计

每个教室由一个控制单元负责采集数据，分别由不同的传感器检测各项环境参数，并通过无线访问节点将数据更新至服务器。每个控制单元独立采集数据，通过通信网络将数据同步到控制终端，进行集中管理。教室控制单元主要由微控制器、WiFi通信模块、开窗装置、CO2检测模块、温度检测模块、光强检测模块以及电源模块组成，如图2所示。

图2 现场监控单元硬件框图

2.2.1 微控制器模块

微控制器模块使用ST公司的高性价比控制器STM32F103RCT6(以下简称STM32)，该控制器采用ARM Cortex-M3作为内核，具有48 KB的SRAM、256 KB的FLASH，满足系统对存储和运行速度的要求；芯片采用64引脚的LQFP封装，具有51个GPIO，便于系统的扩展和维护；具有USART、SPI等丰富的串行接口，使得控制器与外部芯片数据交换更加自由灵活。

2.2.2 WiFi通信模块

WiFi通信模块采用的是ESP8266，它是一款专门针对无线连接的需求而开发的芯片，既能独立运行，又能作为Slave搭载于其他Host运行。ESP8266性能稳定、体积小、支持完善简洁高效的AT指令，提供AP、STA和AP+STA共存三种模式。Android终端作为Station，连入ESP8266可通过UART与设备相连，进行无线控制。ESP8266和STM32之间的通信主要是通过ESP8266端口RXD与STM32上的PA9(UART1～TXD)，端口TXD与STM32上的PA10(UART1～RXD)之间的数据交换来完成。其中ESP8266上的TXD是发送串行数据口，RXD是接收串行数据口[2]。

2.2.3 开窗装置设计

(1)电机选型

由于教室窗户数量多，安装空间有限，时常处于潮湿的环境中，因此动力执行部件要求具有成本低、能耗低、无污染、节省空间、可靠耐用、保护性能好、扭力大等特点。根据系统的要求，可以选择步进电机或减速电机作为系统的执行部件。如表1所列，减速电机虽然转速慢，但力矩大，足以满足闭合窗户的需求。步进电机在体积重量方面没有优势，能源利用效率远低于减速电机。因此，最终选择减速电机作为控制系统的执行部件。

表1 直流减速电机与步进电机优点对比

(2)减速电机的基本结构

基本结构为动机-连接-减速机-连接-工作机。

原动机即提供整个系统动力的机械。对于减速传动来讲，原动机提供的是高转速、低转矩的动力。工作机就是减速机的工作对象，带动工作机实现预定目的，这里是指开窗装置的连杆结构。

(3)减速电机的控制方法

由于本设计所选择的减速电机减速比确定，对于减速电机的控制就变为对原动机的控制，原动机为直流电机，机械特性方程式为：

其中，n为电动机的转速，U为端电压，R为电枢回路电阻，CE、CT分别为电动势常数和转矩常数(CT=9.55CE)，Φ为励磁磁通。[3]

通过主控芯片STM32F103RCT6的两个定时器生成两路PWM，通过L298N电机驱动芯片，输入减速电机，从而改变U(U=E1-E2,E1、E2分别为减速电机两端的电势)的正负和大小，进而改变方向和转速。

图3 开窗装置效果图

开窗装置由减速电机和连杆结构组成[4]，如图3所示。

减速电机选用信达电机公司XD-37GB520直流减速电机，通过开关电源将220 V工频电转换为24 V电压，接入L298N直流电机驱动模块控制减速电机。

2.2.4 CO2检测模块

CO2传感器采用灵敏度高、使用寿命长、稳定性好的MG811二氧化碳感应探头作为敏感元件，选用DFRobot公司出品的CO2传感器模块，测量范围为0～10 000 ppm。另外，板子上的加热电路直接把5 V转换成稳定6 V，为探头加热供电，对温度进行补偿，提高模块适应性。模块上包含一个LM358芯片实现比较功能，将模拟量和设定值比较。设定值可以通过调节分压电阻改变，比较结果的数字信号可以通过模块3P引脚输出。模块亦可在S引脚输出模拟电压，将模拟电压信号输入到微处理器的A/D模块功能引脚，处理器再对转换完毕的数字信号进行运算,得到对应的二氧化碳浓度值。

2.2.5 温度检测模块

温度检测选用美国Dallas半导体公司生产的DS18B20数字温度传感器。DS18B20是一款常用的温度传感器，具有体积小、硬件成本低、抗干扰能力强、精度高等优点，支持单总线接口，占用I/O口资源少。该传感器完全数字输出，省去了传统温度传感器的放大、滤波等电路，使用方便。在9位分辨率时，最多在93.75 ms内把温度转换为数字信号，响应速度快。测温分辨率可达0.062 5 ℃，测量范围为-55～+125 ℃，在-10～+85 ℃时精度为±0.5 ℃，安全可靠。

2.2.6 光强检测模块

光强检测模块选用TAOS公司推出的TSL2561芯片，该芯片是一种高速、低功耗、宽量程、可编程灵活配置的光强度数字转换芯片。芯片通过编程设置光强阈值，当实际光照度超过该阈值时给出中断信号。芯片的数字输出符合标准的单总线协议，模拟增益和数字输出时间可编程控制。同时，芯片可自动抑制50 Hz/60 Hz的光照波动。

2.2.7 电源模块

电源模块由两部分组成：一部分是由220 V交流转到24 V直流的开关电源，负责给电机供电；另一部分是24 V直流降压到3.3 V直流的稳压模块，负责给主控芯片供电。开关电源选择信达电机公司S-48-24开关电源，将交流220 V输出直流电压24 V，直流电流为2 A。这款开关电源价格便宜，体积小巧，只有112 mm×79 mm×37 mm大小，采用软启动电流，有效降低交流输入冲击，并有短路保护、过载保护，能为电机提供可靠电压和电流，稳定安全。24 V直流电压输出一路接到电机驱动为作为电机的驱动电压，另一路接到直流降压模块。直流降压电路主要由降压芯片AMS117-3.3和滤波电容组成，将24 V直流电压降到3.3 V为主控芯片和各路传感器供电。

3 系统软件设计

为了实现实时数据显示，系统软件设计采用“等待+中断”方式进行，可选择运行于手动控制模式或自动控制模式。系统完成初始化后，开始采集环境参数。初始化任务主要完成微控制器内部和外部设备的配置工作。初始化完毕后，系统会根据服务器上的记录数据自动选择进入手动控制模式或自动控制模式。

在手动控制模式中，用户可通过控制平台的控制按钮远程控制窗户、日光灯和风扇的开关状态。在自动控制模式中，微控制器将根据已采集的室内环境参数，自动控制窗户、日光灯和风扇的开关状态。在两种模式下，每当到达采样周期，都会进行一次数据采样，同时将采样数据上传到服务器。用户可以通过电脑或手机连接服务器获取、查看室内环境具体情况，也可以根据需要对系统发送相关的控制指令。

3.1 教室控制单元软件设计

3.1.1 手动控制模式

手动控制模式下，系统未收到控制中断命令时，会根据设定采样周期循环采集环境参数，如CO2浓度、温度和光照强度，并将数据按EDP协议封装上传至云服务器，通过图表形式显示在网页端或手机客户端；当系统收到控制中断命令时，会根据收到的命令改变相应设备的状态，如开关窗户、亮灭日光灯和开关风扇；当系统收到切换“手/自动模式”的命令时，就自动跳转到自动控制模式，手动控制程序流程图如图4所示。

图4 手动控制程序流程图

3.1.2 自动控制模式

根据相关资料显示，室内适宜的CO2浓度是400～600 ppm[5]，适宜温度在24～27 ℃，适宜光强为200～300 lux[6]。在自动模式下，系统根据循环采集的环境参数，根据设定阈值执行相应动作。例如，CO2浓度高于700 ppm时通过延时程序自动打开窗户，保持窗户开启状态，通过自然风流动降低室内CO2浓度；温度低于20 ℃时窗户自动关闭；光强低于200 lux时自动打开日光灯，光强高于400 lux时自动关闭日光灯。自动控制模式不仅省去人力开关灯、开关窗的过程，而且有效节约了能源，以最低的成本改善室内环境，自动控制程序流程图如图5所示。

图5 自动控制程序流程图

3.2 最小系统与云服务器的数据交互

本项目基于STM32最小系统与ESP8266 WiFi模块，通过STM32与ESP8266建立UART通信，完成ESP8266的AT指令交互。STM32最小系统通过AT指令集控制ESP8266 WiFi模块，通过无线访问节点连接到广域网，并与OneNET云平台服务器建立TCP连接，使用EDP协议将数据包上传，并接收、解析云平台发来的控制命令。

3.3 EDP协议的使用

EDP(Enhanced Device Protocol增强设备协议)是OneNET平台根据物联网特点专门定制的完全公开的基于TCP的协议，可以广泛应用到家居、交通、物流、能源以及其他行业应用中。

EDP协议主要包含以下部分：请求连接、设备认证、心跳命令、数据传输、控制命令、断开连接等部分。首先，最小系统向服务器发出连接请求，收到服务器响应以后，发送验证信息(包含设备ID、鉴权密钥)。成功建立教室控制单元与云服务器的连接以后，设备可以在2 min内向服务器传输数据或接收服务器的控制命令，如果设备在2 min内没有与服务器进行数据更新，就要发送心跳命令，以维持连接，保持设备在线。

本系统选用EDP协议，在满足“物物联网”的基础上，不仅能实现更新传感器数据、发送和接收控制命令等功能，而且能有效缩短开发周期。相对于HTTP协议来说，不论是设备控制效率还是设备运行负荷，EDP协议都有优势。HTTP协议优点就是代码直观易懂，但其代码运行对设备的硬件要求相对较高，更适用于电脑设备或移动设备的应用端开发，但是在微控制器平台上实现HTTP协议，容易出现设备过负荷。另外，HTTP协议包含冗余信息，加重了网络负担，当系统与服务器进行数据交互时，会出现更长的延迟，影响用户体验[7]。而EDP协议在传输相同的数据时，能做到更轻量、更短的网络延时和更少的网络负担，并且可以实现设备掉线自动重连，使设备在恶劣的网络环境中也能继续工作。

4 用户操作界面设计

为了让用户可在手机APP或者PC网页端进行操作，OneNET物联网平台为设计者提供了一个应用开发工具，可以实现网页应用和手机客户端的开发。通过网页应用的开发，可设计出一个能带有控制按钮，实时呈现教室环境状态，如温度、CO2浓度和光强等的界面，如图6所示。在应用界面中，室内实时环境参数以“数字+图表”显示，并且数据可以保存在云平台中，并以曲线图的方式呈现室内环境在一段时间内的变化情况。

图6 用户界面设计图

5 系统测试

5.1 电机选型验证

项目使用L298N电机驱动芯片构成减速电机的驱动电路，工作电压稳定于24 V。通过对窗户进行反复打开和关闭实验，测试出减速电机在工作时间内的电流波动值。[3]

等效电流公式为：

其中，Ieq为等效电流，tn对应负载电流In时的工作时间。

开窗时的等效电流为：

关窗时的等效电流为：

该减速电机额定电压为24 V，额定电流为0.55 A，符合系统的设计要求。

5.2 信息反馈

如图7所示，在网页上可以看到现场实时反馈的数据，这些数据被记录，并以曲线的形式呈现。

5.2.1 手动控制功能验证

如图8所示，按钮可以反映远端设备控制部分的状态。按钮上绿灯亮起代表被控的部分(灯、门、窗户、风扇)为开启状态，红灯亮起为关闭状态。调试发现，从网页上按钮改变状态到设备端响应有1～2 s的延时，具体视网络情况而定。

图8 用户控制窗口图

5.2.2 自动控制功能验证

当打开自动控制系统以后，其采集的环境参数将会一直与设定参数进行比较。若环境参数超出合适范围，STM32最小系统会控制相应的部分做出调节，使环境参数稳定在适宜范围内。经测试，当环境CO2浓度高于设定值(默认700 ppm)时，窗户会自动打开进行通风，在3～7 min内，CO2浓度就可以降到合适的范围(低于500 ppm)，并保持开启状态。当室内光照强度低于200 lux时，系统会自动打开日光灯进行照明，使室内的亮度适合学习和阅读。当室内温度高于设定温度时(默认26 ℃)，风扇会自动打开进行降温，然后当室内温度到达26 ℃后，风扇会自动停止工作。

结 语

[1] 于宝堃,胡瑜,尤琦涵.多技术集成的校园公共自行车管理系统的设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2016,16(5):57-60.

[2] 孙静,徐奕,何潇.基于移动客户端的智能教室光温无线控制系统[J].电子技术与软件工程,2015(23):32-33.

[3] 许晓峰.电机与拖动[M].北京：高等教育出版社,2009.

[4] 孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理. [M]. 7版.北京：高等教育出版社,2006.

[5] 梁宝生,刘建国.我国二氧化碳室内空气质量标准建议值的探讨[J].重庆环境科学,2003,25(12):198-200.

[6] 黄香琳.基于物联网的高校教室智慧照明方案研究[J].灯与照明,2015,39(4):17-20.

[7] Totty B,Gourley D,Sayer M,et al.HTTP:The Definitive Guide[J].Oreilly Media,2002,215(11):403-410.

尤琦涵，主要研究方向为电子信息与自动化。

SmartClassroomSystemBasedonOneNETCloudPlatformWiFiRemoteControl

YouQihan,ChenZhaoshi,ZhangQin

(College of Electronic Information and Automation,Tianjin University of Science&Technology,Tianjin 300222,China)

Aiming at the problem of low management efficiency of multimedia classroom in school,a kind of automatic control system based on IoT is proposed.With the use of WiFi and STM32 micro-controller as the main control unit,matching with sensors and window-opening devices that are easily installed,the intensity of light,temperature and concentration of CO2indoor can be controlled through the system automatically control or PC terminal remote control.In this way,the classroom will be more comfortable for students to study and help them to improve learning efficiency.This system can also be applied to the crowded places.

IoT;smart classroom;STM32;window-opening device

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2017-06-23)