基于STM32与Python的智慧教室控制系统.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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:2
6、023-02-09 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
7、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 1
8、15 200 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
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