机智云AIoT+WiFi技术+教学楼智能化控制系统研究

机智云

摘要:针对目前大部分教学楼的设备单独控制、手动控制的状况，以及人们对于教学环境的安全性、舒适性越来越高的要求，设计了教学楼设备智能化控制系统。该系统使用单片机作为控制核心，结合传感器技术、WiFi技术以及机智云技术进行综合控制，提高设备的智能操控，减少电能损耗，增加教学楼的安全性，保障师生安全以及教学设备安全。该系统具有操作简单、价格便宜、系统稳定及灵敏度高的特点，同时还可以进行远程监视，在公共建筑方面具有较好的应用前景。

0引言

随着我国科学技术与经济水平的不断提高，人们的物质需求也日益上升，对于学习生活的舒适性、便捷性的要求也随之上升。而在学校中，使用频率最高的建筑除了宿舍就是教学楼，因此本项目对教学楼的设备控制进行改变。根据这一背景，本项目以教学楼为设计场地，针对教学楼舒适性、可控性和安全性的问题，使用单片机为核心，通过传感器、Wi-Fi模块的配合，设计了一个智能化、节能、安全性高的教学楼智能化控制系统。

1系统设计概述

为实现教学楼的智能化控制，本设计以单片机芯片为核心，控制其他功能模块。功能模块包括：显示模块、灯光控制模块、时钟模块、温湿度采集模块、通信模块、人体红外感应模块以及烟雾传感器[1]。控制执行输出部分选用4相5线步进电机、舵机、继电器、加湿器和加热片。信号提示部分采用蜂鸣器、分贝报警器。本系统选用KEIL5作为开发软件，使用模块化设计，主程序模块为整个电路运行主要思路和逻辑，采用USB对系统进行供电以及程序烧录。系统的整体结构图如图1所示。

图1系统的整体结构图

2系统的硬件设计

2.1微处理器模块

单片机最小系统主要由时钟电路、复位电路、电源电路和STC89C52RC芯片组成，具有控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，满足设计的需求[2]。以及更加丰富的外设STM32F103C8T6单片机，利用其高性能、低成本和低功耗的优点，能够广泛地应用于不同的场景。

2.2校时打铃硬件设计

校时打铃系统是利用液晶显示实时时间并设置上下课时间，当上课的时间或下课作息的时间与芯片时间相一致时，告知师生们上下课。

2.2.1时钟与打铃模块

实时时钟模块是由DS1302芯片、备用电池CR2032组成。实时时钟根据设定好的初始时间进行计算给系统提供年、月、日、时、分、秒、星期的信息，通过其自带的闰年补偿功能对每月天数进行调整[3]。具有计时准确、接口简单、使用方便以及工作电压范围宽的优点。蜂鸣器构成的提示模块配合应用于教学楼的定时打铃。

2.2.2显示与设置模块

分类垃圾桶系统是将金属垃圾以及湿垃圾进行分类处理，当满足同时感应到垃圾以及对应的类别，垃圾桶会自动打开。

2.3.1SG90舵机与红外模块

JS01金属传感器是在含有金属的物体接近时，产生感应电流，从而输出高电平到单片机中实现金属检测的目标，还可通过调整电位计的方式，对其灵敏度进行更改。湿敏传感器则是通过感应环境湿度的大小与设定阈值对比，当实际值大于设定值时输出低电平，实现对湿垃圾的检测[4]。通过将金属传感器与湿敏传感器的配合使用，让分类垃圾桶在教学楼中得以应用。

2.4安全报警硬件设计

安全报警系统是当课间时，在教室设置布防模式时，如果人体感应模块感应到有人时，发出报警信号，防范偷窃。烟雾报警模块即：当发生火灾时，烟雾浓度过高就会启动烟雾报警器。烟雾报警器发出报警信号，帮助师生远离危险。

2.4.11HC-SR501人体感应模块

HC-SR501人体感应模块具有全自动感应的特点，当设备启动后，在感应范围内检测到人体时，会输出高电平到单片机中，与报警器配合从而实现防盗功能，保障教学楼财产安全[5]。

2.5学生考勤硬件设计

学生考勤系统是当学生进入教室，对学生进行考勤，并将考勤数据至云平台，在用户端可以实时监视。

2.5.2RC522-IC卡感应模块与OLED显示屏

RC522是应用于13.56MHz非接触式通信的高集成度读写卡系列芯片中的一员。是NXP公司针对“三表”应用推出的一款低电压、低成本、小型非接触读写卡芯片[6]。若有IC卡靠近，RFID读卡模块读取IC卡中的ID并且通过串口发送至单片机模块。0.96寸OLED液晶相较于LED或LCD的晶体层，OLED的有机塑料层更薄、更轻而且更富于柔韧性，并且自发光、能耗小。单片机模块接受IC卡中的ID并且与FLASH中存储的ID进行比对，比对成功则学生考勤打卡成功并在OLED上显示学生的学号及姓名。

2.6温湿度测控硬件设计

温湿度测控是通过采集周围环境的温湿度，以及调节适宜的温湿度范围，来满足人们舒适度的要求。DHT11温湿度传感器实时采集环境中的温湿度，再将数字信号传输到单片机中，显示在LCD12864液晶屏上，同时将实时参数与设定阈值的比对，从而控制相关设备的运行，保障室内温湿度的舒适程度，减少电能损耗[7]。利用DHT11数字温湿度传感器超快响应、抗干扰能力强、信号传输远近的优点，保证温湿度检测的稳定性和准确性。

3系统软件设计

3.1校时打铃软件设计

校时打铃系统首先对实时芯片DS1302读取数据，再对液晶显示进行初始化，通过DS1302芯片将实时时间显示在液晶显示屏上。通过独立按键还可设置上下课打铃时间、校准实时时间，提高准确性[8]。当实际时间与设定的上下课时间相同时，蜂鸣器就会打铃。校时打铃的软件流程图如图2所示。

图2校时打铃的软件流程图

3.2分类垃圾桶软件设计

进行初始化后，在红外传感器感应到有人的前提下，当检测到金属垃圾，金属垃圾的垃圾箱自动开盖，延时一段时间后检测到无人时，垃圾箱自动闭盖。当检测到湿垃圾，湿垃圾的垃圾箱开盖，延时一段时间后感应到没有人的时候，垃圾箱将自动闭盖。

分类垃圾桶软件流程图如图3所示。

图3分类垃圾桶软件流程图

3.3安全报警软件设计

首先块分别进行初始化后，设置布防模式后，感应到有人时，触发报警器报警。烟雾传感器不断地向单片机输出模拟量电压，当烟雾浓度达到单片机设定安全值后，报警器器发出报警铃声。

3.4学生考勤软件设计

当模块分别进行初始化后，判断是否MFRC522模块完成对IC卡卡号读取成功，如果打卡成功，计数加1，并在OLED上显示学生对应的学号，计数的结果，使用单片机和esp8266-01S接入机智云，将计数结果上传至机智云App，在机智云平台上可以对学生考勤进行远程监视。

3.5温湿度测控模块设计

由DHT11温湿度模块对室内温湿度进行数据采集处理，然后传输至单片机进行数据读取和处理，单片机处理分析之后再将数据信号输出至执行输出继电器模块LCD12864显示程序模块[9-10]。与此同时，系统还会将采集到的实时数据与设定好的相关阈值进行对比，若温湿度超过上限，风扇运转；若温湿度低于下限加热片加湿器运转，主程序模块根据系统的设计功能不断循环反复，由此来实现整个系统的运行。温湿度测控的软件设计流程图如图4所示。

图4温湿度测控的软件设计流程图

3.6功能与实现

主控制器与手机设备通过Wi-Fi模块连接，通过机智云App对学生考勤情况实现远程监视。教学楼的各种传感器会采集周围环境的数据会显示在液晶屏上，当传感器采集的数据发生变化，或者有数据超标的时候，执行部分启动工作，并根据传感器输出的电信号，以及数据结果判断是否发出警报[11]。

4结语

为适应现代人对教学楼环境舒适度的高需求，本文设计出了一个能够随着周围环境变化而自动控制教学楼系统，具有方便、环保和安全等特点，将智能控制与环保节能相结合，更加符合现代科技发展的大方向。

传统教学楼环境调节是只依靠人工手动地方式来调节是比较烦琐的，而且也不能精确地及时的感知周围的温度，因此本设计加入单片机对教学楼系统环境进行控制能够保障电路的稳定性和可靠性，并且具有控制功能齐备、耗电少、造价低、自动化程度较高、原理和程序设计简单等的特点，是一种更有效和更方便的方法。但不足之处是其只设计了一些基础功能，不能满足所有用户的需求，随着未来智能化的飞速发展，其功能还有待增强。