高校教學(xué)樓智能控制系統(tǒng)

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(wú)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(lái)，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(kāi)銷小、代碼開(kāi)源、可簡(jiǎn)化開(kāi)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(kāi)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(guò) 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(lái)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(lái)自教室的信息到各客戶端，接收來(lái)自管理員的控制信息發(fā)送至教室 ；

(3) 普通客戶端顯示來(lái)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(guò)多，成本隨教室的增多而增多等問(wèn)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(guò) 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(guó)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(cè) 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(cè)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(cè)量范圍為 1 ～ 65 535 lx。

2.2 MQTT協(xié)議

MQTT 消息隊(duì)列遙測(cè)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(guò)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(kāi)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(jiàn)表 1 所列。

同時(shí)，對(duì)于一些較長(zhǎng)信息，MQTT 也可實(shí)現(xiàn)變長(zhǎng)報(bào)頭。

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(kāi)通一個(gè) TCP 連接，其通過(guò)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(kāi)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(kāi)， 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(kāi)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(guò) 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(kāi)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(guò) MQTT 協(xié)議傳遞在各個(gè)部分之間。

3 具體實(shí)現(xiàn)過(guò)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(kù)，在開(kāi)源社區(qū)也有 MQTT 在 ESP32 上實(shí)現(xiàn)的庫(kù)，方便制作者開(kāi)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(cè)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(lái)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(guò)網(wǎng)頁(yè)形式訪問(wèn)服務(wù)器 MQTT 連接發(fā)送情況。Windows 中訪問(wèn)頁(yè)面形式如圖 3 所示。

3.3 PC部分

實(shí)際采用方案前，先通過(guò)第三方軟件連接服務(wù)器進(jìn)行測(cè)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(cè)試服務(wù)器端發(fā)送的數(shù)據(jù)和 PC 測(cè)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(guò)軟件測(cè)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(cè)試如圖 4 所示。

圖 4 通信測(cè)試

通過(guò)測(cè)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。

圖 5 PC 端顯示界面

4 結(jié) 語(yǔ)

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(chǎng)景。同時(shí)，MQTT 為了應(yīng)對(duì)不同場(chǎng)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?jiǎn)纹瑱C(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。