基于MQTT的家校互通終端

張權(quán) 凌宇杰 謝漢哲

我們發(fā)現(xiàn)班主任和科任老師有很多工作是重復(fù)且機(jī)械的，例如：每天班主任都會向住宿生轉(zhuǎn)達(dá)家長發(fā)來的信息，或者通知住宿生打電話給家長；科任老師需要到教室向同學(xué)們傳達(dá)通知。如果我們設(shè)計一個裝置放在教室里，使之實時顯示老師和家長通過手機(jī)發(fā)來的信息，就能提高通知效率，減輕老師的負(fù)擔(dān)。

一、前期準(zhǔn)備

我們和指導(dǎo)老師共同確定了項目的研究方向。

（一）項目查新

我們進(jìn)行項目檢索，沒有發(fā)現(xiàn)具有類似功能的裝置。

（二）明確分工

為了高效完成項目研究，我們進(jìn)行了分工，具體職責(zé)見表1。

（三）需求調(diào)查

我們采訪班主任和科任老師，了解他們在日常管理和教學(xué)中的需求，并征詢預(yù)期的解決方案和建議。綜合多方意見后，我們制訂了研究方案。

二、作品設(shè)計

（一）選購元件

裝置需要的元件包括LED點陣屏、樹莓派2代B型機(jī)、樹莓派CSI協(xié)議攝像頭、TTL轉(zhuǎn)RS-485模塊、串口紅外接收模塊、紅外遙控器、串口噪聲模塊、CH340模塊和杜邦線等。我們在購物平臺上購買這些元件。

（二）模塊開發(fā)

我們每個人承擔(dān)了一個模塊的開發(fā)任務(wù)。大概用了3周時間，全部模塊開發(fā)完成。

在選擇電子模塊時，我們優(yōu)先考慮UART串口協(xié)議的模塊，因為UART通信收發(fā)簡單。模塊與樹莓派的通信通過CH340模塊實現(xiàn)。使用串口模塊時，需要注意：VCC和GND的連接順序不能顛倒；兩個互相通信的設(shè)備的GND引腳必須連在一起；兩個串口設(shè)備連接時，A設(shè)備的TX引腳必須交叉連接B設(shè)備的RX引腳。

（三）設(shè)計擴(kuò)展電路板（PCB）

我們繪制原理圖，然后運(yùn)用立創(chuàng)EDA將原理圖轉(zhuǎn)為PCB：設(shè)定好PCB的尺寸，對照原理圖中的位置安裝元件，再使用軟件自帶的一鍵布線功能，即可按照原理圖的接法自動完成PCB的電路連接。最后，對于流經(jīng)電流大的線路，我們適當(dāng)?shù)丶訉捔藢?dǎo)線，以防燒毀。

（四）總裝和聯(lián)調(diào)

調(diào)試完模塊后，我們組裝裝置。由于裝置是原型機(jī)，所以我們用3M泡沫膠固定電子模塊，然后用杜邦線連接。后期如果一切測試順利，再考慮鉆孔固定。

之后，我們進(jìn)行聯(lián)調(diào)。我們選擇樹莓派作為主控，給樹莓派2代B型機(jī)安裝精簡的命令行操作系統(tǒng)。只需要將樹莓派2代B型機(jī)和電腦接入同一個無線網(wǎng)絡(luò)，就能在電腦上通過“FinalShell”這款SSH工具對樹莓派上的代碼進(jìn)行調(diào)試。

調(diào)試的流程是：在電腦上編寫代碼，編寫完成后將代碼文件傳輸?shù)綐漭缮希诿钚兄休斎搿癙ython3 +（代碼路徑）”即可運(yùn)行。根據(jù)運(yùn)行的報錯代碼，我們再返回修改代碼。重復(fù)以上過程，即可完成代碼的聯(lián)調(diào)。

三、結(jié)構(gòu)與功能

（一）外觀

裝置外殼采用陽極氧化鋁，表面嵌入兩塊LED點陣屏，使用磁鐵吸附固定。外殼預(yù)留了孔位，方便安裝支架或掛在墻上。蜂鳴器、攝像頭、彈簧金屬天線、串口紅外接收模塊、船型總開關(guān)置于屏幕上方。

（二）內(nèi)部結(jié)構(gòu)

裝置內(nèi)部有擴(kuò)展電路板、樹莓派2代B型機(jī)、屏幕的顯示驅(qū)動和設(shè)備主電源。擴(kuò)展電路板集成了用于實現(xiàn)屏幕驅(qū)動和樹莓派通信的TTL轉(zhuǎn)RS-485模塊、用于檢測教室溫濕度的SHT30模塊、用于驅(qū)動蜂鳴器的三極管驅(qū)動電路等。

（三）功能和操作方法

1.顯示時間、日期、天氣情況和倒計時

待機(jī)時屏幕會顯示當(dāng)前的時間，格式為“時：分：秒”。使用紅外遙控器可以控制屏幕顯示不同的內(nèi)容：按下按鍵“1”可顯示當(dāng)日日期；按下按鍵“2”可顯示今明兩天的天氣（通過天氣查詢API接口查詢到的），持續(xù)5 s后返回主界面。通過SHT30模塊可實時測量教室內(nèi)溫濕度并顯示。

屏幕還能顯示倒計時。如需顯示距離目標(biāo)日期的剩余時間，可在使用前設(shè)置日期和內(nèi)容，完成后，屏幕會在顯示時間和顯示剩余日期之間切換，間隔時間為10 s。如需顯示距離某一時間點的倒計時，可以按下按鍵“4”，輸入小時、分鐘、秒鐘，再按“確定”，開始倒計時。結(jié)束時有提示音，按下“返回”后回到主界面。

2.抽獎模式下顯示隨機(jī)學(xué)號

我們在紅外遙控器上按下按鍵“3”，進(jìn)入抽獎模式，按下“OK”后屏幕顯示隨機(jī)學(xué)號并滾動，再次按下“OK”后學(xué)號停止?jié)L動。又按下“OK”可以繼續(xù)抽獎，按下“返回”回到主界面。

3.顯示信息

手機(jī)與設(shè)備之間的通信通過MQTT協(xié)議來實現(xiàn)。當(dāng)裝置啟動時，會創(chuàng)建一個MQTT服務(wù)器，并通過花生殼軟件進(jìn)行內(nèi)網(wǎng)穿透，讓外面的設(shè)備可以連接到樹莓派的MQTT服務(wù)器上。

家長和老師的手機(jī)或電腦訂閱同一個TOPIC（主題），在TOPIC中以統(tǒng)一的格式——在信息中加入發(fā)送者的ID發(fā)送信息。接收信息后，裝置屏幕會顯示某某同學(xué)有新信息，同時蜂鳴器進(jìn)行提醒。家長或老師發(fā)送信息后，學(xué)生如果沒有看到信息，可以操作紅外遙控器查看信息內(nèi)容：按下紅外遙控器上的按鍵“5”，進(jìn)入未讀信息查詢模式，按“↑”和“↓”實現(xiàn)上下切換。

4.配套程序

為了方便老師和家長使用裝置，我們設(shè)計了與之配套的微信小程序。輸入賬號和密碼進(jìn)入小程序后，進(jìn)行權(quán)限認(rèn)證，就能發(fā)送信息。班主任點擊“視頻監(jiān)控”按鈕，在手機(jī)或者電腦上的瀏覽器中打開鏈接就能查看視頻監(jiān)控畫面。

四、投放測試

我們將樣機(jī)放置在教室中試用，收集學(xué)生、家長和老師等的意見并匯總。

五、改進(jìn)設(shè)想

之后，我們將改進(jìn)裝置，準(zhǔn)備增加舵機(jī)控制攝像頭的方向，增加語音對講功能，等等。希望可以實現(xiàn)量產(chǎn)，有朝一日，學(xué)校所有的班級都能用上我們設(shè)計的家校互通終端。（指導(dǎo)老師：陳冀軒）

專家點評

張權(quán)、凌宇杰、謝漢哲同學(xué)的基于MQTT的家?；ネńK端是一個具有一定難度和較高技術(shù)含量的作品。這個作品突出的表現(xiàn)在于：張權(quán)同學(xué)負(fù)責(zé)項目的運(yùn)作統(tǒng)籌，凌宇杰同學(xué)負(fù)責(zé)前期調(diào)研，謝漢哲同學(xué)負(fù)責(zé)電路設(shè)計等，完全按照新時代青少年科技創(chuàng)新活動的要求，分工明確，責(zé)任到人；這是一個培養(yǎng)青少年綜合意識與能力的好實例。同時，從這個作品最后的呈現(xiàn)方式可以看出，這個作品達(dá)到了其設(shè)計要求，體現(xiàn)了學(xué)校的支持力度與教師的指導(dǎo)能力。

值得商榷的是，根據(jù)目前所掌握的情況，該項目應(yīng)屬于青少年科技創(chuàng)新大賽中的A類作品，即選題專業(yè)性較強(qiáng)的作品。要完成這個作品，對于有相當(dāng)技術(shù)背景的成年人來說也有一定的難度，對于三位初中生來說更需要時間與精力。青少年科技創(chuàng)新的目的是讓他們在實踐過程中獲得創(chuàng)新成長，而并非提供“高、大、上”的產(chǎn)品。建議大家在創(chuàng)新實踐活動中多選取適合自己年齡特征與知識水平的小發(fā)明（B類）作品。

本期點評專家

譚迪熬? 中國發(fā)明協(xié)會院士專家咨詢工作委員會首任專家，中國發(fā)明協(xié)會中小學(xué)創(chuàng)造教育分會會長，科技創(chuàng)新教育特級教師，教育部國培計劃專家?guī)鞂＜摇?/p>