基于STM32与Python的智慧教室控制系统.pdf

2023年/第12期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application910 引 言智慧教室是指为教学活动提供智慧应用服务的教室空间及其软硬件装备的总和1。物联网技术的发展让智慧教室在全国各个高校逐渐普及。作为技术与教育相结合的产物，智慧教室不仅仅是教师教授知识的场所，更是教师探索新方式、完成课程改革的重要手段。全国各学校也纷纷围绕智慧教室展开了一系列改革，甚至将智慧教室所提供的技术完全融入到课堂当中。因此，建设智慧教室，实现智能化教学、智能化管理、智能化学习是每所学校都要考虑的事情。关于智慧教室的建设已有诸多研究。王建2系统阐述了智慧教室的建设原则与目标，并从体系架构、功能模块设计、技术实现 3 个层面展开论述；程敏3在智慧教室中加入了智能控制和管理、显示系统、分组协作互动、课程录播、远程教学、学习资源、数据存储、AI 系统、VR 系统和课堂支持等，以应对不同的教学模式；陈志华4采用 ZigBee、RFID 技术，结合各种传感器开发了一套智慧教室控制管理系统，实现了信息化、智能化、集成化管理。卢志翠同样采用 ZigBee 技术实现智慧教室多网络节点的感知与控制，并且使用 PID 控制算法来保持智慧教室的环境参数；孟秉恒5、侯恩硕6则是在智慧教室中引入手势识别、脑电设备以满足各自对智慧教室应用场景的需求。智慧教室朝着丰富的应用方向发展，但随之而来的是复杂的操作流程以及臃肿的硬件设施。针对该问题，设计了一套基于 STM32 控制板与 Python、Window 客户端相结合的高度集成的智慧教室系统7-8。1 系统整体设计图 1 所示为系统框架。计算机是距离教师最近的设备，也是本系统的核心机器之一。计算机首先需要连接路由器（或者交换机）并获取 IP 地址才能与因特网连接；其次，电脑也是控制智慧教室内设备的主要控制端，在该系统中，电脑需经过一块控制卡间接与设备相连，控制卡与讲台计算机间采用串口通信。控制卡通过各种接口连接至智慧教室的常见终端设备。智慧教室中常见的终端设备，如投影仪、幕布、音响、有线及无线麦克风、功率放大器、灯以及用于投屏的多台电视机构成的矩阵电视。终端设备需要 220 V 交流电供电，系统采用 6 路继电器分别控制设备的电源。此外，有的设备还需要额外的控制线，比如，投影仪需要 RS 232 控制线；电视需要红外发射器控制电视；灯光除可以通过命令来控制外，系统还设置了实体按键控制。图 1 系统硬件框图2 硬件设计 该系统包含了一块 STM32 控制卡，根据系统框架及接口需求，STM32 控制灯光、继电器组使用普通的 GPIO 即基于 STM32 与 Python 的智慧教室控制系统林鹏程（厦门理工学院 继续教育学院，福建 厦门 361005）摘 要：基于 STM32 单片机与 Python 设计了一套智慧教室集成控制系统，实现对智慧教室内设备的控制。STM32 控制板通过继电器、红外发射接收器、实体按键以及串口与各设备的电源或控制接口相连，实现设备的控制。同时，在 Windows 系统上开发了客户端软件，实现与用户的交互。客户端软件与 STM32 之间采用串口交换数据。用户通过客户端软件即可操作智慧教室内的所有设备。关键词：智慧教室；STM32；Python；串口；Windows 客户端；按键控制中图分类号：TP399 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2023）12-0091-04DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2023.12.024收稿日期：2023-02-09 修回日期：2023-03-31物联网技术 2023年/第12期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application92可，红外发射与接收器也需要 2 个具有复用功能的 GPIO口，另需两个串口用来进行通信与控制，因此系统选择STM32F103RCT6 作为主控芯片。该芯片的最小系统已在图 2 的硬件原理图中给出，驱动该芯片需由复位电路、外部晶振、启动模式配合。此外，为了确保芯片稳定工作，系统额外增加了滤波电容电路。通信方面，系统采用 JTAG-SW 接口烧录程序，与外围通信所需的串口则使用芯片提供的 1 号及 5 号串口；电源模块使用AMS1117 芯片将 5 V 直流电压降压至 STM32 芯片的工作电压 3.3 V。图 2 硬件原理系统外设接口也在图 2 给出，红外发射接收模块用于控制智慧教室内的矩阵电视、空调等需要遥控的设备；灯光实体按键用于控制教室内的灯光，教室灯分成两组，因此使用两个实体按键；系统中各设备的电源采用六路继电器控制，灯光、音响功放电源接至继电器常闭接口，其他设备电源接至继电器常开接口，方便平常使用9。3 软件设计 3.1 STM32 控制端软件设计图 3 是该 STM32 控制端采用的软件流程，主要完成数据通信解析与外接设备的控制。上电后，芯片首先进行初始化，初始化 1 号 UART 的波特率为 115 200 bit/s，5 号串口的波特率则根据连接的投影仪型号更改，接着完成控制继电2023年/第12期 物联网技术智能处理与应用Intelligent Processing and Application93器组、实体按键、红外发射接收 GPIO 口的初始化。在设置红外发射接收GPIO口时，对定时器1和定时器4进行初始化，定时器 1 将用于捕获红外接收管接收的信号，因此初始化时将其设置为上升沿捕获；定时器 4 将用于产生待发射信号及38 kHz 载波，因此在初始化时，使用定时器 4 的脉宽调制功能。图 3 STM32 软件主体流程初始化完成后，程序进入循环状态，处理按键及 1 号串口接收的数据。当检测到实体按键开关状态发生改变后，芯片将控制灯光的继电器做出相应改变；当 1 号串口接收到讲台电脑发来的数据时，将解析并控制外设做出相应的动作。1 号串口的数据格式如图 4 所示，数据帧共占 4 个字节，2 个起始字节，1 个结束字节，有效数据 1 个字节。有效数据字节中，高 4 位用于标识继电器状态，接下来 2 位用于标识投影仪及矩阵电视的开关，低 2 位作为数据类型的标识。标识继电器的数据位中，将第一位用于标识灯光状态是否发生改变，以免与实体按键发生冲突。矩阵电视的控制将通过红外发射管发射的红外信号控制，投影仪的控制将通过 5 号串口根据投影仪的型号传输相应代码。以索尼投影仪为例，需将串口 5 波特率设置为 38 400 bit/s，当需开机时发送代码A9172E0000003F9A 即可。数据类型用于判断该数据包属于查询数据包还是控制数据包，“00”表示查询数据包，“01”表示控制数据包，“10”与“11”保留。图 4 串口数据格式3.2 客户端软件设计根据系统框架，客户端完成外设操作并与 STM32 控制板通信。客户端运行于讲台计算机的 Windows 系统，采用Python的Tkinter库设计。该系统使用的组件框架如图5所示，在一个窗口内设计 2 个 LabelFrame，分别用于集成化一键控制和设备单独控制。图 5 界面组件框架系统使用串口与 STM32 控制板通信，故在“一键设置”界面中配合 Label 和 Button 组件以连接串口建立通信。“一键上课”与“一键下课”为多设备同时控制按钮，例如，当按下“一键上课”按钮，就能同时打开投影仪、灯光、电视、功放等设备。设备状态与设置用于显示当前设备的状态并可通过按钮控制各设备的开关。设备状态的显示采用 TreeView 组件设计 2 行 6 列的表格，设备的控制则使用 8 组打开、关闭的按钮，按钮使用 Button 组件设计，并关联至串口数据生成函数，最终界面如图 6 所示。图 7 是 Windows 客户端软件的主要流程，创建完 UI界面后即进入循环状态等待按键按下。当按下 UI 界面的物联网技术 2023年/第12期 智能处理与应用Intelligent Processing and Application94“关闭”后，流程结束。若检测到图 6 界面中的控制按键按下，则跳转到按键绑定的响应函数，作出相应动作。例如，当检测到“一键上课”按钮按下，则进入 one_begin 函数。在函数内部将生成待发送的数据 0 x5D7EFD00，最后调用串口数据发送函数 write_bytes 将数据发送至 STM32 控制板10。图 6 客户端界面图 7 客户端软件流程4 结 语本文根据智慧教室的发展现状，结合 STM32 与 Python技术，设计了集成化的智慧教室控制系统。该系统能通过客户端控制智慧教室内的所有设备，硬件高度集成，操作简单，应用前景广泛。参考文献1 李康康，赵鑫硕，陈琳.我国智慧教室的现状及发展 J.现代教育技术，2016，26（7）：25-30.2 王建，刘欣彤，王猛，等.基于物联网的智慧教室设计 J.无线互联科技，2022，19（4）：57-58.3 程敏.基于 PST 框架的智慧教室设计 J.实验室研究与探索，2021，40（9）：259-263.4 陈志华.基于 ZigBee 的智慧教室物联网设计与实现 D.兰州：兰州大学，2019.5 孟秉恒.面向智慧教室的教学手势智能识别研究 D.武汉：华中师范大学，2022.6 侯恩硕.面向智慧教室的脑电设备数据传输及存储系统 D.武汉：华中师范大学，2022.7 安冬，池东亮，邵萌.基于 STM32 的智慧教室控制系统设计 J.机电产品开发与创新，2017，30（4）：127-129.8 吴有龙，杨忠，徐楠，等.基于物联网技术的智慧校园建设与研究 J.物联网技术，2020，10（1）：88-89.9 张宇燕，常志华，汤显峰，等.智慧教室智能化控制系统设计与实现 J.物联网技术，2016，6（8）：79-81.10 仝晓梅.基于 STM32 的智能电子教室控制系统的设计 J.信息与电脑，2017，29（10）：126-127.作者简介：林鹏程（1992），男，硕士研究生，助理实验师，研究方向为物联网技术、实验室管理技术。对应编码，以保障产品来源。在确定产品原产地来源真实后，按时间顺序记录产品的位置信息以及该产品流转过程的包装、交接等人员信息，保障其流转过程可追溯、可控。在建立了按时间和位置记录的产品流转链基础上，关联产品的介绍信息、认证信息、评价信息、图片和视频等。时空区块链技术的应用为实现产品从原产地（田间地头）到商品的动态全追溯提供了思路，然而该技术在农产品溯源和原产地数字认证领域的应用尚处于探索阶段，需要在进一步开展技术熟化及相关行业标准的研究与制定的基础上，才能有效发挥支撑产业发展的作用。参考文献1 红星，杨添坤，丁心，等.基于 GPS 和二维码技术的水果溯源移动互联系统的研究与实现 J.物联网技术，2016，6（8）：100-104.2 王尔媚，苏静.基于区块链的食品供应链溯源平台 J.食品工业，2021，43（11）：227-230.3 刘星，范楷，姚春霞，等.基于近红外光谱技术的普洱茶生熟茶判别及产地溯源 J.上海农业学报，2022，38（2）：99-1054 张孝荣，杨思磊，史琳，等.腾讯区块链方案白皮书-打造数字经济时代信任基石 R.深圳：腾讯 FiT，腾讯研究院等，2017：2.5 徐江，景贵飞，宋现锋.一种构建时空区块链的设备及方法：中国，CN115292412A P.2022-11-04.6 徐江，宋现锋.一种利用时空信息认证区块链数据的设备及方法：中国，CN111586029B P.2022-02-01.7 田力男，孙琦，聂二保，等.时空编码技术在 Web3.0 数字金融中的应用研究 J.网络安全与数据治理，2022，41（10）：84-89.8 潘继财.二维条码技术及应用浅析 J.商业现代化，2009，38（9）：118-120.9 吴平.中国生态原产地产品标准体系构建的研究 J.中国标准化，2019，62（1）：92-99.10 刘义伟，章爱民.原产地规则与价值链 J.对外经贸实务，2002，20（5）：8-13.（上接第90页）