基于MQTT的家校互通終端

張權 凌宇杰 謝漢哲

我們發現班主任和科任老師有很多工作是重復且機械的，例如：每天班主任都會向住宿生轉達家長發來的信息，或者通知住宿生打電話給家長；科任老師需要到教室向同學們傳達通知。如果我們設計一個裝置放在教室里，使之實時顯示老師和家長通過手機發來的信息，就能提高通知效率，減輕老師的負擔。

一、前期準備

我們和指導老師共同確定了項目的研究方向。

（一）項目查新

我們進行項目檢索，沒有發現具有類似功能的裝置。

（二）明確分工

為了高效完成項目研究，我們進行了分工，具體職責見表1。

（三）需求調查

我們采訪班主任和科任老師，了解他們在日常管理和教學中的需求，并征詢預期的解決方案和建議。綜合多方意見后，我們制訂了研究方案。

二、作品設計

（一）選購元件

裝置需要的元件包括LED點陣屏、樹莓派2代B型機、樹莓派CSI協議攝像頭、TTL轉RS-485模塊、串口紅外接收模塊、紅外遙控器、串口噪聲模塊、CH340模塊和杜邦線等。我們在購物平臺上購買這些元件。

（二）模塊開發

我們每個人承擔了一個模塊的開發任務。大概用了3周時間，全部模塊開發完成。

在選擇電子模塊時，我們優先考慮UART串口協議的模塊，因為UART通信收發簡單。模塊與樹莓派的通信通過CH340模塊實現。使用串口模塊時，需要注意：VCC和GND的連接順序不能顛倒；兩個互相通信的設備的GND引腳必須連在一起；兩個串口設備連接時，A設備的TX引腳必須交叉連接B設備的RX引腳。

（三）設計擴展電路板（PCB）

我們繪制原理圖，然后運用立創EDA將原理圖轉為PCB：設定好PCB的尺寸，對照原理圖中的位置安裝元件，再使用軟件自帶的一鍵布線功能，即可按照原理圖的接法自動完成PCB的電路連接。最后，對于流經電流大的線路，我們適當地加寬了導線，以防燒毀。

（四）總裝和聯調

調試完模塊后，我們組裝裝置。由于裝置是原型機，所以我們用3M泡沫膠固定電子模塊，然后用杜邦線連接。后期如果一切測試順利，再考慮鉆孔固定。

之后，我們進行聯調。我們選擇樹莓派作為主控，給樹莓派2代B型機安裝精簡的命令行操作系統。只需要將樹莓派2代B型機和電腦接入同一個無線網絡，就能在電腦上通過“FinalShell”這款SSH工具對樹莓派上的代碼進行調試。

調試的流程是：在電腦上編寫代碼，編寫完成后將代碼文件傳輸到樹莓派上，在命令行中輸入“Python3 +（代碼路徑）”即可運行。根據運行的報錯代碼，我們再返回修改代碼。重復以上過程，即可完成代碼的聯調。

三、結構與功能

（一）外觀

裝置外殼采用陽極氧化鋁，表面嵌入兩塊LED點陣屏，使用磁鐵吸附固定。外殼預留了孔位，方便安裝支架或掛在墻上。蜂鳴器、攝像頭、彈簧金屬天線、串口紅外接收模塊、船型總開關置于屏幕上方。

（二）內部結構

裝置內部有擴展電路板、樹莓派2代B型機、屏幕的顯示驅動和設備主電源。擴展電路板集成了用于實現屏幕驅動和樹莓派通信的TTL轉RS-485模塊、用于檢測教室溫濕度的SHT30模塊、用于驅動蜂鳴器的三極管驅動電路等。

（三）功能和操作方法

1.顯示時間、日期、天氣情況和倒計時

待機時屏幕會顯示當前的時間，格式為“時：分：秒”。使用紅外遙控器可以控制屏幕顯示不同的內容：按下按鍵“1”可顯示當日日期；按下按鍵“2”可顯示今明兩天的天氣（通過天氣查詢API接口查詢到的），持續5 s后返回主界面。通過SHT30模塊可實時測量教室內溫濕度并顯示。

屏幕還能顯示倒計時。如需顯示距離目標日期的剩余時間，可在使用前設置日期和內容，完成后，屏幕會在顯示時間和顯示剩余日期之間切換，間隔時間為10 s。如需顯示距離某一時間點的倒計時，可以按下按鍵“4”，輸入小時、分鐘、秒鐘，再按“確定”，開始倒計時。結束時有提示音，按下“返回”后回到主界面。

2.抽獎模式下顯示隨機學號

我們在紅外遙控器上按下按鍵“3”，進入抽獎模式，按下“OK”后屏幕顯示隨機學號并滾動，再次按下“OK”后學號停止滾動。又按下“OK”可以繼續抽獎，按下“返回”回到主界面。

3.顯示信息

手機與設備之間的通信通過MQTT協議來實現。當裝置啟動時，會創建一個MQTT服務器，并通過花生殼軟件進行內網穿透，讓外面的設備可以連接到樹莓派的MQTT服務器上。

家長和老師的手機或電腦訂閱同一個TOPIC（主題），在TOPIC中以統一的格式——在信息中加入發送者的ID發送信息。接收信息后，裝置屏幕會顯示某某同學有新信息，同時蜂鳴器進行提醒。家長或老師發送信息后，學生如果沒有看到信息，可以操作紅外遙控器查看信息內容：按下紅外遙控器上的按鍵“5”，進入未讀信息查詢模式，按“↑”和“↓”實現上下切換。

4.配套程序

為了方便老師和家長使用裝置，我們設計了與之配套的微信小程序。輸入賬號和密碼進入小程序后，進行權限認證，就能發送信息。班主任點擊“視頻監控”按鈕，在手機或者電腦上的瀏覽器中打開鏈接就能查看視頻監控畫面。

四、投放測試

我們將樣機放置在教室中試用，收集學生、家長和老師等的意見并匯總。

五、改進設想

之后，我們將改進裝置，準備增加舵機控制攝像頭的方向，增加語音對講功能，等等。希望可以實現量產，有朝一日，學校所有的班級都能用上我們設計的家校互通終端。（指導老師：陳冀軒）

專家點評

張權、凌宇杰、謝漢哲同學的基于MQTT的家校互通終端是一個具有一定難度和較高技術含量的作品。這個作品突出的表現在于：張權同學負責項目的運作統籌，凌宇杰同學負責前期調研，謝漢哲同學負責電路設計等，完全按照新時代青少年科技創新活動的要求，分工明確，責任到人；這是一個培養青少年綜合意識與能力的好實例。同時，從這個作品最后的呈現方式可以看出，這個作品達到了其設計要求，體現了學校的支持力度與教師的指導能力。

值得商榷的是，根據目前所掌握的情況，該項目應屬于青少年科技創新大賽中的A類作品，即選題專業性較強的作品。要完成這個作品，對于有相當技術背景的成年人來說也有一定的難度，對于三位初中生來說更需要時間與精力。青少年科技創新的目的是讓他們在實踐過程中獲得創新成長，而并非提供“高、大、上”的產品。建議大家在創新實踐活動中多選取適合自己年齡特征與知識水平的小發明（B類）作品。

本期點評專家

譚迪熬? 中國發明協會院士專家咨詢工作委員會首任專家，中國發明協會中小學創造教育分會會長，科技創新教育特級教師，教育部國培計劃專家庫專家。