高校教學(xué)樓智能控制系統(tǒng)

沈加銳 王韜 楊娜 顧鴻虹

摘 要：針對(duì)大學(xué)公共區(qū)域資源浪費(fèi)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)計(jì)數(shù)，集環(huán)境智能調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)程監(jiān)管、互聯(lián)網(wǎng)通信以及實(shí)施人數(shù)于一體的新型現(xiàn)代化智能控制系統(tǒng)，方便師生使用及學(xué)校管理。擬在教學(xué)樓內(nèi)安裝必要的硬件設(shè)備，采用紅外對(duì)射實(shí)現(xiàn)人數(shù)統(tǒng)計(jì)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)照明設(shè)施、控溫設(shè)施的節(jié)能使用，將相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在各類終端設(shè)施。傳輸協(xié)議采用MQTT協(xié)議發(fā)布/訂閱機(jī)制，可遠(yuǎn)程查看或控制教室設(shè)備開關(guān)情況。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);教學(xué)樓;MQTT協(xié)議;ESP32;智能調(diào)節(jié);遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）04-0-03

0 引 言

大學(xué)教育在不斷發(fā)展，相應(yīng)大學(xué)教育的支出也逐年增加，尤其體現(xiàn)在教室和實(shí)驗(yàn)室等公共區(qū)域支出等方面，而在這些區(qū)域中，照明以及納涼設(shè)施費(fèi)電量尤為突出。在這些公共區(qū)域會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)人走燈未關(guān)、人空設(shè)備未停的現(xiàn)象，多數(shù)高校也采用人工管理的方式，由于管理人員并不能及時(shí)了解每個(gè)教室的實(shí)時(shí)情況，造成了能源消耗，不符合現(xiàn)代社會(huì)綠色節(jié)能理念。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人們對(duì)無人監(jiān)管區(qū)域有了更好的掌控方法，將物聯(lián)網(wǎng)和大學(xué)結(jié)合起來，在大學(xué)布置一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)型、智能的調(diào)控公共區(qū)域。本文系統(tǒng)基于MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）發(fā)布/訂閱機(jī)制具有實(shí)現(xiàn)教室信息監(jiān)控和教室設(shè)備控制的功能，MQTT協(xié)議是在計(jì)算能力不高、低寬帶、網(wǎng)絡(luò)不可靠的傳感器和單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)信息傳遞的協(xié)議，由于其具有開銷小、代碼開源、可簡化開發(fā)流程、便于后期維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在信息高效傳輸?shù)那闆r下能夠做到減少學(xué)校布置開支[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

基于MQTT協(xié)議及時(shí)信息傳遞功能的智能型教學(xué)樓實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)功能。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

（1）通過ESP32控制各個(gè)傳感器讀取教室內(nèi)有用信息，并發(fā)送至服務(wù)端，同時(shí)接收服務(wù)端發(fā)來的控制信息，調(diào)控教室內(nèi)設(shè)備的狀態(tài);

（2）服務(wù)端架設(shè)MQTT服務(wù)功能，作為信息“中轉(zhuǎn)站”，發(fā)送來自教室的信息到各客戶端，接收來自管理員的控制信息發(fā)送至教室;

（3）普通客戶端顯示來自教室的實(shí)時(shí)信息，管理員端除顯示信息還可發(fā)送控制信息至教室。

2 系統(tǒng)部分軟硬件設(shè)計(jì)

教室部分分為主控芯片、溫度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、紅外對(duì)射器四部分。服務(wù)器以及PC端（包括管理員）均為軟件設(shè)計(jì)，搭建MQTT協(xié)議通道以及觀察記錄界面[2]。

2.1 教室部分主控芯片的選擇

充分考慮教室過多，成本隨教室的增多而增多等問題，以及考慮到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境并非理想網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)又要連接三種傳感器，所以選擇使用ESP32boards作為主控芯片，ESP32 可作為獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行應(yīng)用程序或主機(jī) MCU 的從設(shè)備，通過SPI/SDIO或I2C/UART接口提供WiFi和藍(lán)牙功能，同時(shí)其包括精細(xì)分辨時(shí)鐘門控、省電模式和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整等功能，工作溫度在-40～125 ℃，能夠囊括絕大部分中國地區(qū)溫度，減少因?yàn)闇囟榷鸬闹骺匦酒环€(wěn)定、失控現(xiàn)象[3-5]。

溫度模塊選擇使用DS18b20，該模塊測溫范圍為-55～125 ℃，誤差為±1 ℃，輸出為數(shù)字信號(hào)，體積小、抗干擾能力強(qiáng)、高精度等特點(diǎn)都是測溫的最佳選擇。光照強(qiáng)度傳感器使用BH1750，其內(nèi)置數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可以直接輸出一個(gè)數(shù)字信號(hào)，使用I2C接口，測量范圍為1～65 535 lx。

2.2 MQTT協(xié)議

MQTT消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議是IBM公司采用TCP/IP進(jìn)行的即時(shí)通信協(xié)議，此協(xié)議可以運(yùn)行在所有平臺(tái)，并且在單片機(jī)這樣不可靠的網(wǎng)絡(luò)中也能高效地傳輸信息。它通過發(fā)布/訂閱機(jī)制實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的消息傳輸，減少了信息傳遞的開銷，消息頭部采用2 B，協(xié)議交換最小化，降低了信息流量[6-7]。MQTT消息頭見表1所列。

MQTT發(fā)布/訂閱機(jī)制實(shí)現(xiàn)消息一對(duì)多的傳輸中，服務(wù)器不需要對(duì)每個(gè)客戶端都開通一個(gè)TCP連接，其通過消息代理機(jī)制中的主題作為通信中介。MQTT協(xié)議就像一個(gè)有多入口的箱子，放東西的人可以往箱子里放進(jìn)東西，多個(gè)取東西的人也都有入口取東西，取東西和放東西的人，以及取東西和取東西的人之間并不會(huì)妨礙到對(duì)方。

2.3 軟硬件實(shí)現(xiàn)通信

在教學(xué)樓布置溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、紅外對(duì)射傳感器等，將ESP32board作為每間教室的信息處理中心，溫濕度傳感器感應(yīng)室內(nèi)溫度濕度，以此作為教室內(nèi)部控溫設(shè)備開關(guān)的依據(jù)，每個(gè)門口放置兩個(gè)紅外對(duì)射傳感器，判斷教室門口進(jìn)出的人數(shù)。根據(jù)教室內(nèi)部的人數(shù)和光照強(qiáng)度傳感器讀到的數(shù)據(jù)判斷室內(nèi)光照情況，即判斷白天或夜晚，是否陰天光強(qiáng)不足。當(dāng)判斷白天光照充足時(shí)，教室內(nèi)部電燈不開，當(dāng)夜晚或光照不足，且教室內(nèi)部人數(shù)多于一個(gè)人時(shí)，自動(dòng)打開燈，當(dāng)人走空時(shí)，關(guān)閉燈光。收集傳感器信息、教室人數(shù)信息和設(shè)備狀態(tài)信息，通過ESP32模塊使用MQTT協(xié)議發(fā)送至總服務(wù)器，為實(shí)現(xiàn)信息校內(nèi)外的共享，本文將服務(wù)器位置設(shè)置在阿里云外網(wǎng)[8]。

在PC端連接阿里云MQTT服務(wù)，訂閱查看教室信息，服務(wù)器會(huì)定時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC端。在教學(xué)樓管理員PC端，多增加訂閱控制教室設(shè)備消息，發(fā)送控制消息至服務(wù)器，服務(wù)器將控制消息發(fā)送至教室ESP32board，再由ESP32board控制教室設(shè)備開關(guān)[9]。系統(tǒng)信息傳遞示意如圖2所示。

傳感器塊、服務(wù)器塊、PC端功能明確，能夠降低程序的耦合性，每個(gè)模塊注重自己功能的實(shí)現(xiàn)，消息通過MQTT協(xié)議傳遞在各個(gè)部分之間。

3 具體實(shí)現(xiàn)過程

3.1 教室部分

中心處理板使用ESP32實(shí)現(xiàn)信息的收集和發(fā)送，ESP32板有多種固件選擇，既可以采用Arduino式編程，也可采用MicroPython編程，板子本身提供3.3 V和5 V兩種電壓，為不同傳感器提供實(shí)現(xiàn)條件。官方提供多種傳感器庫，在開源社區(qū)也有MQTT在ESP32上實(shí)現(xiàn)的庫，方便制作者開發(fā)。

教室端收集信息，每隔一定時(shí)間將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，多次測試，調(diào)整發(fā)送格式，方便客戶端接受。同時(shí)訂閱由管理員發(fā)來的控制信息，讀取信息，若為電燈關(guān)閉信號(hào)，則關(guān)閉教室內(nèi)電燈。同理，讀取其他設(shè)備控制信號(hào)，做出相應(yīng)的改變。

3.2 服務(wù)器部分

租用阿里云服務(wù)器搭建MQTT環(huán)境，將服務(wù)器作為一個(gè)消息中介，教室模塊以及PC端模塊都可連接到服務(wù)器發(fā)布/訂閱消息。在Windows中通過網(wǎng)頁形式訪問服務(wù)器MQTT連接發(fā)送情況。Windows中訪問頁面形式如圖3所示。

3.3 PC部分

實(shí)際采用方案前，先通過第三方軟件連接服務(wù)器進(jìn)行測試，包括IP、端口號(hào)、MQTT賬戶、密碼、訂閱機(jī)制、發(fā)布機(jī)制。同時(shí)測試服務(wù)器端發(fā)送的數(shù)據(jù)和PC測試軟件收到的數(shù)據(jù)是否一致，發(fā)送時(shí)間是否有延遲，多個(gè)連接是否會(huì)造成擁擠堵塞、有信息收不到或服務(wù)器有信息發(fā)送不出去的情況。

通過軟件測試，調(diào)整教室部分發(fā)送數(shù)據(jù)的格式，便于讀取接收。通信測試如圖4所示。

通過測試后，做一個(gè)PC自己可用的客戶端，專門用于接收數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)，便于師生查看。若PC為管理員，再發(fā)布控制消息，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。PC端顯示界面如圖5所示。

4 結(jié) 語

MQTT協(xié)議應(yīng)用于類似單片機(jī)這樣通信功能不強(qiáng)，但又需要遠(yuǎn)程顯示、收集信息的場景。同時(shí)，MQTT為了應(yīng)對(duì)不同場景的應(yīng)用，也擁有三種不同形式的通信質(zhì)量服務(wù)，可以根據(jù)自己單片機(jī)和周邊網(wǎng)絡(luò)環(huán)境選擇使用通信質(zhì)量服務(wù)類型，不僅增加了服務(wù)質(zhì)量，還有效減少了通信流量。師生可以在第一時(shí)間了解教室的使用情況，管理員也可以遠(yuǎn)程管理教室，有助于改善資源浪費(fèi)的情況。

參 考 文 獻(xiàn)

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