基于物联网的智能教室环境测控系统

石鑫 张兴宇 邵金彪 江朝晖

摘 要：为了提供舒适、节能的教室环境，文中设计了一款基于物联网架构的教室环境测控系统。测控终端以STM32嵌入式微处理器为核心，采集教室内温度、光照和人数等信息，按照设定的规则控制风扇、日光灯和窗帘动作，并将数据上传到OneNET平台，供后台统计分析。系统还设置了红外遥控和触摸屏两种人机交互方式，便于设置阈值或手动控制。测试表明，该系统运行正常，控制效果良好，功耗低，具有较好的应用前景。

关键词：智能教室;环境测控;红外感知;OneNET平台;节能;人机交互

中图分类号：TP39文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）07-00-04

0 引 言

智能教室是教室发展和变革的阶段性产物[1]，是现代教育的发展方向，主要包括教学设施运用管理和室内环境测控两部分。智能教室环境测控系统着眼于提供舒适、节能的室内环境[2]，例如浙江财经学院在教室内的每盏灯上安装了“感应器”，通过光感和红外传感器控制，以机械的管理方式来降低学生在不同教室上自习的概率，促使学生对教室进行集中使用，从而达到对教学楼进行智能化管理的目的;山东大学、济南大学等高校尝试采用教室照明节能系统来实现节能目标，但实际效果不好;华南理工大学采用人工手动选择，但节能效果并不理想，还有待发展和提高。总体来说，目前的教室环境测控系统多为区域化控制[3]，手动控制居多，无法实现智能目标。

本文采用嵌入式微处理器与中国移动物联网开发平台OneNET[4]设计并制作了一款智能教室环境测控系统，该系统采用DS18B20传感器采集室内温度，采用BH1750FVI传感器采集光照强度，采用红外对管统计室内人数，根据实际数据经运算自动控制风扇、灯光照明和窗帘的开关，也可以通过红外遥控手动控制用电器的开关。为了实现管理的网络化，用户可以在OneNET云平台上实时监控室内环境。

1 系统结构

智能教室环境测控系统结构如图1所示。该系统由数据采集模块、控制模块、执行模块、红外遥控模块、触摸控制模块及无线传输模块等组成。

2 模块设计

2.1 数据采集

2.1.1 温度采集

温度采集使用型号为DS18B20的数字温度传感器。该传感器具有体积小、精度高、成本低等特点，可将温度直接转化为数字温度值，与MCU之间采用1-wire总线通信[5]，每个DS18B20都有自己唯一的ID，可以在一根1-wire总线上挂载多个DS18B20芯片，通过ID识别读取每个DS18B20的温度值，无需其他外围电路，快捷高效，安装方便。

2.1.2 光照强度采集

光照采集使用BH1750FVI I2C总线接口的数字型光照强度传感器。该传感器分辨率高，且能探测大范围的光照强度的变化，与MCU通过两条线进行通信，输出为光照强度的数字量。

2.1.3 人数统计

人数统计主要由红外对管及电压比较器LM324（运算放大器开环作为电压比较器）组成[6]。红外接收头在无光照时，有很小的饱和反向漏电流（暗電流），此时光敏管不导通。当有光照时，饱和反向漏电流快速增加，形成光电流，在一定范围内随入射光强度的变化而增大，通过与基准电压比较，经电压比较器输出高低电平。当有红外光照射时，红外接收管反向电压增大，可使电压比较器LM324输出为低电平;当无红外光照射时，红外接收头反向电压小，可使电压比较器LM324输出为高电平，然后通过单片机处理，使输出精准的计数值通过两组红外对管，判断接收管是否准确接收到红外线为信号来判断是否有人通过，同时根据两组红外对管来判断是进入还是外出。通过统计进出教室的人数来判断教室中现有学生的数量，从而改变MCU计数器上的值为教室人数值。人数统计硬件电路如图2所示，人数统计流程如图3所示。

2.2 与云平台通信

传感器采集到的数据可通过ESP8266-01S WiFi芯片接入互联网。该芯片在较小尺寸上集成了业界领先的Tensilica L106超低功耗32位微型MCU，支持标准的IEEE 802.11b/g/n协议，拥有完整的TCP/IP协议栈和多样化的接口[7]。

中国移动物联网开放平台是基于物联网技术和产业特点设计的PaaS物联网开放平台和生态环境。OneNET可适配各种网络环境和协议类型，支持各类传感器和智能硬件的快速接入和大数据服务，提供丰富的API和应用模板以支持各类行业应用和智能硬件的开发，能够有效降低物联网应用开发和部署成本，满足物联网领域设备连接、协议适配、数据存储、数据安全、大数据分析等平台服务需求[8]。

本系统通过ESP8266模块的UART接口与单片机通信，通过AT指令与OneNET物联网开放平台建立TCP连接[9]，传输传感器采集到的环境数据与统计人数，用户可以通过网页或手机随时随地在平台上监测教室中的各项数据，也可以通过平台上的工具将数据以一定的格式绘制成表图，分析教室中各项参数的变化趋势。WiFi模块接线图如图4所示。

2.3 执行单元

MCU分析传感器的数据，当某个值达到设定的阈值时便可触发对应电器的操作，如开关灯、开关风扇、开关窗帘等。

本系统设计了两种触发执行单元模式，用户可根据实际需要选择自动模式或手动模式。

自动模式：当温度、光照、人数满足设定阈值时触发对继电器的操作，从而打开或者切断所需控制电器的电源，从而达到开关电器的目的。

手动模式：可通过触摸屏或红外遥控器手动控制用电器的开关。

所有触发用电器的操作都可通过MCU向各继电器发送控制指令，其中窗帘采用步进电机控制，以精确控制窗帘打开的距离。步进电机将电脉冲信号转变为角位移或线位移[10]。通过单片机控制脉冲来控制步进电机正反转以及转动圈数[11]，从而达到控制窗帘开闭的目的。

2.4 控制单元

系统采用意法半导体公司生产的STM32F429芯片控制系统运行。STM32系列芯片是一款高性能、低功耗、高性价比的控制芯片，被广泛运用在微控制领域。本系统采用基于ARM-Cortex-M4内核的芯片，其最大工作频率达180 MHz，与其他型号相比，因其内部有Chrom-ART Accelerator图像加速器[12]，所以运行GUI会更加流畅。

通过STM32F429分析传感器采集到的环境数据，与设定阈值比较以控制执行单元的操作;接收红外遥控和触摸控制改变设置的阈值和执行模式;向OneNET云平台传输教室环境参数，从而使得整个系统使用便捷且直观。

对STM32单片机进行初始化，包括I/O口初始化及各总线的初始化，数据采集进程根据总线协议对每个传感器的值进行读取并保存到缓存中。然后将读取的传感器值与预先设定好的阈值进行对比，对执行单元发送操作信号。执行单元工作的初始条件：当室内人數大于0时，开始工作;当光照强度低于350 Lux时触发开灯指令、卷起窗帘，并根据教室内人数与总座位数的比例开启灯光，当光照强度高于

800 Lux时关闭灯光，当光照强度大于1 200 Lux时将窗帘关闭一半。初始设定温度触发阈值为：当温度大于26 ℃，根据教室内人数开启风扇，风扇开启状态温度降至24 ℃以下时关闭风扇，初始值可根据实际情况通过触屏修改。

2.5 人机交互

本次设计实现了MCU自动控制或手动控制用电器的开关。

2.5.1 红外遥控

红外线系统一般由红外发射装置和红外接收设备两部分组成[13]。红外发射装置由键盘电路、红外编码芯片、电源和红外发射电路组成。红外接收设备可由红外接收电路、红外解码芯片、电源和应用电路组成。本文采用HS0038红外接收探头，集遥控信号的接收、放大、检波、整形于一身，可输出便于单片机识别的TTL信号，大大简化了接收电路的复杂程度和电路的设计工作，使用方便[14]。红外接收器接线图如图5所示。

2.5.2 触摸控制

系统移植了μC/OS-Ⅲ实时操作系统和emWin图形化操作界面。μC/OS是Micrium公司出品的RTOS类实时操作系统，μC/OS-Ⅲ是一个可裁剪、可剥夺型的多任务内核，且无任务数限制;提供实时操作系统所需的所有功能，包括资源管理、同步、任务通信等[15]。emWin是Segger公司针对嵌入式平台开发的稳定、高效的图形软件库，适用于任何图形LCD的操作应用，并可输出高质量、无锯齿的文字和图形，通过调用emWin提供的函数接口开发嵌入式图形界面变得简单快捷，数据的采集与分析以小进程形式进行，通过屏幕将数据直观反映出来。通过emWin可以轻松完成设置页面切换等图形化的操作，直观方便[16]。

本次使用emWin官方软件GUIbuilder设计GUI界面，可直接导出C程序，将程序拷贝到本文工程中移植GUIConf.c

文件、GUIConf.h文件和触摸屏源程序，调用嵌入式操作系统μC/OS-Ⅲ管理。

3 测试结果与分析

3.1 终端界面

界面分为显示部分和虚拟按键部分。

显示部分：用户可以在终端实时监测室内环境数据。

虚拟按键部分：终端交互界面设置有自动/手动模式按键，窗帘、照明、风扇控制按键，无线连接按键，时间校准按键，温度阈值按键和熄屏按键。

显示部分与虚拟按键部分相互配合可更好地实现人机交互。终端交互界面如图6所示。

3.2 数据Web展示

教室中的温度、光照强度和人数数据将通过WiFi上传到OneNET平台。每个不同的数据都对应着不同的数据流，平台不断查询数据流是否更新，并将已更新的数据显示在网页上绘制成图表。同时，通过OneNET官方提供的数据导出工具OneNET Server1.16.10.9_packed.exe将监测数据导出至数据库。OneNET平台数据显示如图7所示。智能教室环境测控系统测试结果见表1所列。

3.3 系统功耗

经测试，若一间教室中使用一套该系统，则系统最大工作电流小于300 mA，在显示屏处于熄灭状态时电流小于200 mA，平均功率小于1 W，通过电源控制器可使用市电与锂电池共同供电[17]，断电时仍能监测教室中的数据并上传。

4 结 语

本文根据智能教室的需求，设计了基于物联网结构的教室环境测控系统，采用多种传感器监测教室内的环境参数，按设定的规则对风扇、日光灯和窗帘进行自动控制，并提供方便的阈值设置和手动控制功能。同时，教室的各种数据会被上传到物联网云平台，一方面可以随时随地查看某个教室的数据，另一方面也可以对这些数据进行统计分析，得到一些规律性的结果。经测试，智能教室环境测控系统运行正常，控制效果良好，功耗低，具有较好的应用前景。

参 考 文 献

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