引 言

大學教育在不斷發(fā)展，相應大學教育的支出也逐年增加， 尤其體現(xiàn)在教室和實驗室等公共區(qū)域支出等方面，而在這些區(qū)域中，照明以及納涼設施費電量尤為突出。在這些公共區(qū)域會經常出現(xiàn)人走燈未關、人空設備未停的現(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了解每個教室的實時情況，造成了能源消耗，不符合現(xiàn)代社會綠色節(jié)能理念。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人們對無人監(jiān)管區(qū)域有了更好的掌控方法，將物聯(lián)網(wǎng)和大學結合起來，在大學布置一個物聯(lián)網(wǎng)型、智能的調控公共區(qū)域。本文系統(tǒng)基于 MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）發(fā)布 / 訂閱機制具有實現(xiàn)教室信息監(jiān)控和教室設備控制的功能，MQTT 協(xié)議是在計算能力不高、低寬帶、網(wǎng)絡不可靠的傳感器和單片機上實現(xiàn)信息傳遞的協(xié)議，由于其具有開銷小、代碼開源、可簡化開發(fā)流程、便于后期維護等優(yōu)點，在信息高效傳輸?shù)那闆r下能夠做到減少學校布置開支 [1]。

1 系統(tǒng)總體設計方案

基于 MQTT 協(xié)議及時信息傳遞功能的智能型教學樓實現(xiàn)以下三個功能。系統(tǒng)總體框圖如圖 1 所示。

(1) 通過 ESP32控制各個傳感器讀取教室內有用信息， 并發(fā)送至服務端，同時接收服務端發(fā)來的控制信息，調控教室內設備的狀態(tài) ；

(2) 服務端架設 MQTT服務功能，作為信息“中轉站”，發(fā)送來自教室的信息到各客戶端，接收來自管理員的控制信息發(fā)送至教室 ；

(3) 普通客戶端顯示來自教室的實時信息，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)部分軟硬件設計

教室部分分為主控芯片、溫度傳感器、光照強度傳感器、紅外對射器四部分。服務器以及 PC 端（包括管理員）均為軟件設計，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

充分考慮教室過多，成本隨教室的增多而增多等問題， 以及考慮到網(wǎng)絡環(huán)境并非理想網(wǎng)絡，同時又要連接三種傳感器，所以選擇使用 ESP32boards 作為主控芯片，ESP32 可作為獨立系統(tǒng)運行應用程序或主機 MCU 的從設備，通過 SPI/ SDIO 或 I2C/UART 接口提供 WiFi 和藍牙功能，同時其包括精細分辨時鐘門控、省電模式和動態(tài)電壓調整等功能，工作溫度在 -40 ～ 125 ℃，能夠囊括絕大部分中國地區(qū)溫度，減少因為溫度而引起的主控芯片不穩(wěn)定、失控現(xiàn)象 [3-5]。

溫 度 模 塊 選 擇 使 用 DS18b20， 該 模 塊 測 溫 范 圍為 -55 ～ 125 ℃，誤差為 ±1 ℃，輸出為數(shù)字信號，體積小、抗干擾能力強、高精度等特點都是測溫的最佳選擇。光照強度傳感器使用 BH1750，其內置數(shù)模轉換器，可以直接輸出一個數(shù)字信號，使用 I2C 接口，測量范圍為 1 ～ 65 535 lx。

2.2 MQTT協(xié)議

MQTT 消息隊列遙測傳輸協(xié)議是 IBM 公司采用 TCP/IP進行的即時通信協(xié)議，此協(xié)議可以運行在所有平臺，并且在單片機這樣不可靠的網(wǎng)絡中也能高效地傳輸信息。它通過發(fā)布 / 訂閱機制實現(xiàn)一對多的消息傳輸，減少了信息傳遞的開銷，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 消息頭見表 1 所列。

同時，對于一些較長信息，MQTT 也可實現(xiàn)變長報頭。

MQTT 發(fā)布 / 訂閱機制實現(xiàn)消息一對多的傳輸中，服務器不需要對每個客戶端都開通一個 TCP 連接，其通過消息代理機制中的主題作為通信中介。MQTT 協(xié)議就像一個有多入口的箱子，放東西的人可以往箱子里放進東西，多個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妨礙到對方。

2.3 軟硬件實現(xiàn)通信

在教學樓布置溫濕度傳感器、光照強度傳感器、紅外對射傳感器等，將 ESP32board 作為每間教室的信息處理中心， 溫濕度傳感器感應室內溫度濕度，以此作為教室內部控溫設備開關的依據(jù)，每個門口放置兩個紅外對射傳感器，判斷教室門口進出的人數(shù)。根據(jù)教室內部的人數(shù)和光照強度傳感器讀到的數(shù)據(jù)判斷室內光照情況，即判斷白天或夜晚，是否陰天光強不足。當判斷白天光照充足時，教室內部電燈不開， 當夜晚或光照不足，且教室內部人數(shù)多于一個人時，自動打開燈，當人走空時，關閉燈光。收集傳感器信息、教室人數(shù)信息和設備狀態(tài)信息，通過 ESP32 模塊使用 MQTT 協(xié)議發(fā)送至總服務器，為實現(xiàn)信息校內外的共享，本文將服務器位置設置在阿里云外網(wǎng) [8]。

在 PC 端連接阿里云 MQTT 服務，訂閱查看教室信息， 服務器會定時將數(shù)據(jù)發(fā)送至 PC 端。在教學樓管理員 PC 端， 多增加訂閱控制教室設備消息，發(fā)送控制消息至服務器，服務器將控制消息發(fā)送至教室 ESP32board，再由 ESP32board 控制教室設備開關 [9]。系統(tǒng)信息傳遞示意如圖 2 所示。

傳感器塊、服務器塊、PC 端功能明確，能夠降低程序的耦合性，每個模塊注重自己功能的實現(xiàn)，消息通過 MQTT 協(xié)議傳遞在各個部分之間。

3 具體實現(xiàn)過程

3.1 教室部分

中心處理板使用 ESP32 實現(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現(xiàn)條件。官方提供多種傳感器庫，在開源社區(qū)也有 MQTT 在 ESP32 上實現(xiàn)的庫，方便制作者開發(fā)。

教室端收集信息，每隔一定時間將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器， 多次測試，調整發(fā)送格式，方便客戶端接受。同時訂閱由管理員發(fā)來的控制信息，讀取信息，若為電燈關閉信號，則關閉教室內電燈。同理，讀取其他設備控制信號，做出相應的改變。

3.2 服務器部分

租用阿里云服務器搭建 MQTT 環(huán)境，將服務器作為一個消息中介，教室模塊以及 PC 端模塊都可連接到服務器發(fā)布 / 訂閱消息。在 Windows 中通過網(wǎng)頁形式訪問服務器 MQTT 連接發(fā)送情況。Windows 中訪問頁面形式如圖 3 所示。

3.3 PC部分

實際采用方案前，先通過第三方軟件連接服務器進行測試，包括 IP、端口號、MQTT 賬戶、密碼、訂閱機制、發(fā)布機制。同時測試服務器端發(fā)送的數(shù)據(jù)和 PC 測試軟件收到的數(shù)據(jù)是否一致，發(fā)送時間是否有延遲，多個連接是否會造成擁擠堵塞、有信息收不到或服務器有信息發(fā)送不出去的情況。

通過軟件測試，調整教室部分發(fā)送數(shù)據(jù)的格式，便于讀取接收。通信測試如圖 4 所示。

圖 4 通信測試

通過測試后，做一個 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，最終實現(xiàn)遠程控制。PC 端顯示界面如圖 5 所示。

圖 5 PC 端顯示界面

4 結 語

MQTT 協(xié)議應用于類似單片機這樣通信功能不強，但又需要遠程顯示、收集信息的場景。同時，MQTT 為了應對不同場景的應用，也擁有三種不同形式的通信質量服務，可以根據(jù)自己單片機和周邊網(wǎng)絡環(huán)境選擇使用通信質量服務類型，不僅增加了服務質量，還有效減少了通信流量。師生可以在第一時間了解教室的使用情況，管理員也可以遠程管理教室，有助于改善資源浪費的情況。