基于MQTT的家校互通终端

张权 凌宇杰 谢汉哲

我们发现班主任和科任老师有很多工作是重复且机械的，例如：每天班主任都会向住宿生转达家长发来的信息，或者通知住宿生打电话给家长；科任老师需要到教室向同学们传达通知。如果我们设计一个装置放在教室里，使之实时显示老师和家长通过手机发来的信息，就能提高通知效率，减轻老师的负担。

一、前期准备

我们和指导老师共同确定了项目的研究方向。

（一）项目查新

我们进行项目检索，没有发现具有类似功能的装置。

（二）明确分工

为了高效完成项目研究，我们进行了分工，具体职责见表1。

（三）需求调查

我们采访班主任和科任老师，了解他们在日常管理和教学中的需求，并征询预期的解决方案和建议。综合多方意见后，我们制订了研究方案。

二、作品设计

（一）选购元件

装置需要的元件包括LED点阵屏、树莓派2代B型机、树莓派CSI协议摄像头、TTL转RS-485模块、串口红外接收模块、红外遥控器、串口噪声模块、CH340模块和杜邦线等。我们在购物平台上购买这些元件。

（二）模块开发

我们每个人承担了一个模块的开发任务。大概用了3周时间，全部模块开发完成。

在选择电子模块时，我们优先考虑UART串口协议的模块，因为UART通信收发简单。模块与树莓派的通信通过CH340模块实现。使用串口模块时，需要注意：VCC和GND的连接顺序不能颠倒；两个互相通信的设备的GND引脚必须连在一起；两个串口设备连接时，A设备的TX引脚必须交叉连接B设备的RX引脚。

（三）设计扩展电路板（PCB）

我们绘制原理图，然后运用立创EDA将原理图转为PCB：设定好PCB的尺寸，对照原理图中的位置安装元件，再使用软件自带的一键布线功能，即可按照原理图的接法自动完成PCB的电路连接。最后，对于流经电流大的线路，我们适当地加宽了导线，以防烧毁。

（四）总装和联调

调试完模块后，我们组装装置。由于装置是原型机，所以我们用3M泡沫胶固定电子模块，然后用杜邦线连接。后期如果一切测试顺利，再考虑钻孔固定。

之后，我们进行联调。我们选择树莓派作为主控，给树莓派2代B型机安装精简的命令行操作系统。只需要将树莓派2代B型机和电脑接入同一个无线网络，就能在电脑上通过“FinalShell”这款SSH工具对树莓派上的代码进行调试。

调试的流程是：在电脑上编写代码，编写完成后将代码文件传输到树莓派上，在命令行中输入“Python3 +（代码路径）”即可运行。根据运行的报错代码，我们再返回修改代码。重复以上过程，即可完成代码的联调。

三、结构与功能

（一）外观

装置外壳采用阳极氧化铝，表面嵌入两块LED点阵屏，使用磁铁吸附固定。外壳预留了孔位，方便安装支架或挂在墙上。蜂鸣器、摄像头、弹簧金属天线、串口红外接收模块、船型总开关置于屏幕上方。

（二）内部结构

装置内部有扩展电路板、树莓派2代B型机、屏幕的显示驱动和设备主电源。扩展电路板集成了用于实现屏幕驱动和树莓派通信的TTL转RS-485模块、用于检测教室温湿度的SHT30模块、用于驱动蜂鸣器的三极管驱动电路等。

（三）功能和操作方法

1.显示时间、日期、天气情况和倒计时

待机时屏幕会显示当前的时间，格式为“时：分：秒”。使用红外遥控器可以控制屏幕显示不同的内容：按下按键“1”可显示当日日期；按下按键“2”可显示今明两天的天气（通过天气查询API接口查询到的），持续5 s后返回主界面。通過SHT30模块可实时测量教室内温湿度并显示。

屏幕还能显示倒计时。如需显示距离目标日期的剩余时间，可在使用前设置日期和内容，完成后，屏幕会在显示时间和显示剩余日期之间切换，间隔时间为10 s。如需显示距离某一时间点的倒计时，可以按下按键“4”，输入小时、分钟、秒钟，再按“确定”，开始倒计时。结束时有提示音，按下“返回”后回到主界面。

2.抽奖模式下显示随机学号

我们在红外遥控器上按下按键“3”，进入抽奖模式，按下“OK”后屏幕显示随机学号并滚动，再次按下“OK”后学号停止滚动。又按下“OK”可以继续抽奖，按下“返回”回到主界面。

3.显示信息

手机与设备之间的通信通过MQTT协议来实现。当装置启动时，会创建一个MQTT服务器，并通过花生壳软件进行内网穿透，让外面的设备可以连接到树莓派的MQTT服务器上。

家长和老师的手机或电脑订阅同一个TOPIC（主题），在TOPIC中以统一的格式——在信息中加入发送者的ID发送信息。接收信息后，装置屏幕会显示某某同学有新信息，同时蜂鸣器进行提醒。家长或老师发送信息后，学生如果没有看到信息，可以操作红外遥控器查看信息内容：按下红外遥控器上的按键“5”，进入未读信息查询模式，按“↑”和“↓”实现上下切换。

4.配套程序

为了方便老师和家长使用装置，我们设计了与之配套的微信小程序。输入账号和密码进入小程序后，进行权限认证，就能发送信息。班主任点击“视频监控”按钮，在手机或者电脑上的浏览器中打开链接就能查看视频监控画面。

四、投放测试

我们将样机放置在教室中试用，收集学生、家长和老师等的意见并汇总。

五、改进设想

之后，我们将改进装置，准备增加舵机控制摄像头的方向，增加语音对讲功能，等等。希望可以实现量产，有朝一日，学校所有的班级都能用上我们设计的家校互通终端。（指导老师：陈冀轩）

专家点评

张权、凌宇杰、谢汉哲同学的基于MQTT的家校互通终端是一个具有一定难度和较高技术含量的作品。这个作品突出的表现在于：张权同学负责项目的运作统筹，凌宇杰同学负责前期调研，谢汉哲同学负责电路设计等，完全按照新时代青少年科技创新活动的要求，分工明确，责任到人；这是一个培养青少年综合意识与能力的好实例。同时，从这个作品最后的呈现方式可以看出，这个作品达到了其设计要求，体现了学校的支持力度与教师的指导能力。

值得商榷的是，根据目前所掌握的情况，该项目应属于青少年科技创新大赛中的A类作品，即选题专业性较强的作品。要完成这个作品，对于有相当技术背景的成年人来说也有一定的难度，对于三位初中生来说更需要时间与精力。青少年科技创新的目的是让他们在实践过程中获得创新成长，而并非提供“高、大、上”的产品。建议大家在创新实践活动中多选取适合自己年龄特征与知识水平的小发明（B类）作品。

本期点评专家

谭迪熬  中国发明协会院士专家咨询工作委员会首任专家，中国发明协会中小学创造教育分会会长，科技创新教育特级教师，教育部国培计划专家库专家。