智慧教室的远程无线控制系统的设计与实现

朱文盛，刘保菊

（平顶山学院信息工程学院，河南平顶山 467000）

教育决定着一个国家的综合国力，决定着一个国家是否能够强大。近些年来，中小学教育成为了社会关注的焦点，人们越来越关注教育的方方面面。学习环境，不仅影响着中小学生们的身心健康，还影响学生们的学习效率。为了监测学生的学习环境，对教室内的物理环境信息进行实时采集[1]。步进电机实时控制窗帘来调节教室内的光线亮暗，保证教室内的光线不能太强，也不能太暗[2]。学校的规章制度要求学生们必须按时上课。如果发现学生没有到校，老师们应该及时确定原因，为了确保出勤数据的真实可靠，通过人脸识别的方式进行出勤统计[3]。学校的管理人员和老师可以通过云智能APP 或者阿里云平台远程监控教室内的环境和控制教室的电灯[4]。系统方便了教师的管理，节省了人力、物力、财力，降低了资源的消耗。

1 系统总体设计方案

智慧教室的远程无线控制系统主要功能分为感知层、传输层、应用层三层。感知层包括数据采集、出勤统计、控制三部分。数据采集包括光照强度传感器、温湿度传感器、空气质量传感器对教室内物理环境的实时采集。出勤统计包括K210 人脸模块通过人脸识别的方式对学生的实到人数进行统计。控制包括继电器对教室内电灯的控制和步进电机对窗帘的自动化控制。传输层是指通过WIFI 模块将感知层采集的数据实时上传阿里云平台，并且下发应用层的命令。应用层是指云智能APP 和阿里云平台，学校的管理人员可以实时了解数据以及控制教室内电灯的状态。图1 为系统设计框图。

图1 系统设计框图

2 硬件设计

系统硬件以STM32F103C8T6 单片机作为主控制器[5]，WIFI 通信模块用于无线通信，DHT11 温度传感器用于检测温度和湿度，MQ-135 空气质量传感器用于检测空气质量，TEMT6000 光照强度传感器用于检测光照强度，继电器模块控制电灯的状态，28BYJ4步进电机自动化控制窗帘，1.77 寸LCD 显示屏显示数据，K210 人脸识别模块对学生的身份进行识别。

2.1 STM32最小系统板

系统设计使用了STM32 最小系统板，主控芯片是意法半导体公司推出的的32 位微控制器STM32 F103C8T6。芯片采用的封装为LQFP48。STM32 最小系统板由主控电路、复位电路、SWD 下载电路、BOOT 启动电路、LED 灯电路、晶振电路、5 V 转3.3 V电路、USB 接口电路组成。

2.2 LCD显示屏模块

该文设计采用的1.77 寸LCD 显示屏的分辨率是128×RGB×160，颜色为65K/256K。它的显示模式为普通黑色，正常工作温度在-20～70 ℃之间。除此之外，屏幕的功耗比较低。与0.96 寸OLED 显示屏相比，不仅显示的字符多，还能显示彩色文字和图片。LCD 屏幕模块上的VCC 连接单片机的3.3 V 进行供电，GND 连接单片机的GND，LCD_CS 连接单片机的PB3，LCD_DC 连接单片机的PB4、LCD_SCL 连接单片机的PB5、LCD_SDI 连接单片机的PB6、LCD_RES连接单片机的PB7。根据官方提供的字符取模教程，把取好的字模复制到lcdfont.h 文件里。图2 为1.77 寸LCD 显示屏模块原理图。

图2 1.77寸LCD显示屏模块原理图

2.3 温湿度传感器

该文设计采用了DHT11 温湿度传感器，它是一种数字传感器。该传感器的优点是测量精度高、价格便宜、稳定性好。湿度测量的范围在20～90%RH之间，温度测量的范围在0～50 ℃之间。供电范围在3.3～5 V 之间，该传感器使用3.3 V 进行供电。该模块的DATA 端接单片机的PB1 引脚。

2.4 光照强度传感器

该文设计使用了TEMT6000 光照强度传感器，它是一种模拟传感器。它的灵敏度极高，能够达到570 nm。光照强度越强，光敏电阻的阻值就越小。通过单片机高精度的ADC 功能，将光照强度传感器两端的电压模拟量转化成数字量。通过一定的算法，将数字量转化成光照强度。该光照强度传感器价格便宜、精度高。模块的S 端连接单片机的PA0，该I/O 口具备ADC 功能。该传感器使用5 V 供电。

2.5 空气质量传感器

该文设计使用了MQ-135 空气质量传感器，它是一种模拟传感器。该传感器成本低，不仅能检测多种有害气体，还能检测烟雾。当空气中污染气体浓度升高时，传感器表面材料的导电率会变大。单片机通过高精度的ADC 功能将传感器的电压模拟量转化成数字量。在程序设计中，通过一定的算法将数字量转化成空气质量。AO 端连接单片机的PA1，该I/O 口具备ADC 功能，该传感器使用了5 V 供电。传感器正常工作时会发热，这是因为内部有发热丝。

2.6 WIFI通信模块

该文设计使用了ESP8266-01 型号的WIFI 模块，内置集成的天线。它最高频率可达160 MHz,是由上海乐鑫公司开发的，其优点是经济实惠、功耗低、传输速率稳定。该设计使用了AT 指令进行开发，数据传输使用了物联网MQTT 协议。模块支持三种工作模式：AP 模式、Station 模式以及AP 和Station 合二为一的模式。该设计中使用3.3 V 对WIFI 模块进行供电，使用5 V 供电会烧坏WIFI 模组。模组通过串口与单片机进行通信，模块的RXD连接单片机的PA2，模块的TXD 连接单片机的PA3，模块的EN 连接单片机的PB12。

2.7 继电器模块

该文设计使用了1 路继电器，用于对教室内电灯进行控制。继电器触发方式为低电平触发NC 为常闭端，NO 为常开端，COM 为常闭端，左侧相当于一个单掷开关，右侧引脚为模块供电以及输入控制信号。当右侧的输入脉冲为高电平时，公共端与常闭端连接，绿色灯LED8 不亮，左侧关闭开关。当右侧的输入脉冲为低电平时，公共端与常开端连接，绿色灯LED8 亮，右侧打开开关。继电器模块使用5 V 供电，1N 接单片机的PA15。只要模块上电，红灯LED4会一直亮。

2.8 步进电机模块

该文设计使用了28BYJ4 步进电机，它一种将电脉冲转化为角位移的电机。步进电机与传统的直流电机相比，其转动距离是可以控制的，且不受电压变化的影响。由于步进电机的正常工作电压在5～12 V之间，单片机的接口不能提供这么大的驱动电压，需要使用ULN2003 驱动板驱动步进电机工作。驱动板需要5 V 电压进供电才能正常工作。步进电机的1C连接单片机的PA4，2C 连接单片机的PA5，3C 连接单片机的PA6，4C 分别接单片机的PA7。

2.9 K210人脸识别模块

该文设计采用了海凌科公司生产的K210 人脸识别模块。通过人脸识别的方式对学生的出勤情况进行统计。该模块不需要二次开发，内置AI 人脸识别算法和模型库，可快速启动；STM32 单片机驱动代码极少，极易驱动，直接通过单片机的串口进行通信。使用该模块支持活体识别，可以防照片、防视频。该该模块使用单片机的串口3 进行通信。该模块上CH340 芯片的焊点CRX、CTX 分别接单片机的PB11、PB10 引脚。

3 软件设计

3.1 主程序设计

当系统开始工作时，温湿度传感器、空气质量传感器模块、光照强度传感器模块、WIFI 模块等各个硬件模块进行初始化。经过短暂时间后，系统开始采集数据、统计实到人数。将采集的数据显示在LCD 显示屏上，并将数据上传到阿里云物联平台。步进电机根据采集的光照强度自动拉动窗帘到合适的位置。根据阿里云物联网平台或者云智能APP 下发的命令，系统执行对继电器相应的逻辑控制命令。主程序流程图如图3 所示。

3.2 光照强度检测子程序设计

由于该文设计使用的光照强度传感器是模拟传感器，为了减少误差值，对单片机ADC 采集到电压值进行五次取平均值。然后，通过算法计算光照强度。最终通过LCD 屏幕进行显示，并且上传到阿里云物联网平台。光强度检测子程序流程图如图4所示。

图4 光照强度检测子流程图

3.3 空气质量检测子程序设计

由于设计使用的空气质量检测传感器也是模拟传感器，为了减少误差值，对单片机ADC 采集到的电压值进行五次取平均值操作。然后，通过算法计算空气质量指数。最终通过LCD 屏幕进行显示，并且上传到阿里云物联网平台。空气质量检测子程序流程图如图5 所示。

图5 空气质量检测子流程图

3.4 温湿度检测子程序设计

该文设计使用的温湿度传感器是数字传感器，所以软件的数据处理部分开发难度降低了。首先，要对连接单片机的端口进行初始化。通过DHT11_Read_Data(&wendu,&shidu)读取温湿度值。最终通过LCD 显示屏进行显示，上传到阿里云物联网平台。温湿度检测子程序流程图如图6 所示。

图6 温湿度检测子流程图

4 测试部分

系统经过严格的测试，上电后系统能够正常的运行。经过多次测试表明步进电机对于窗帘的控制稳定，系统采集的数据与用相关的仪器测试的误差合理。在电脑端登录阿里云平台，可以看到实时采集的数据，并且能够实时下发命令控制教室内的电灯。同样，通过手机端云智能APP 也能稳定的实现各功能。同时对比两者与LCD 显示屏显示的数据，几乎一致。除此之外，阿里云平台和云智能APP的使用不受地理位置限制。云智能APP 控制界面如图7所示。

图7 云智能APP控制界面

5 结论

该文主要设计了一个基于STM32 单片机的智慧教室的远程无线控制系统。该系统可以实现教室内温度、湿度、空气质量、光照强度等环境信息的采集，并通过阿里云平台或者云智能APP 远程下发命令控制继电器进而控制教室内的电灯，采用WIFI 模块实现对教室内环境信息的数据上传，通过人脸识别来统计出勤，使用步进电机自动化控制窗帘。由于使用了WIFI 无线模块通信，对于WIFI 信号的要求比较高。如果，WIFI信号的质量不好，会出现掉线的现象。

该文设计的创新点：因为出勤统计使用的人脸识别是对活体进行识别，防止了图片和视频识别，使的出勤数据更加真实。步进电机对于窗帘的自动化控制，改变了传统的手动拉窗帘的方式，方便了人们的生活。