基于嵌入式的學生宿舍設備智能管理系統的設計

張秋晶 邱金波（廣東石油化工學院 廣東 茂名 525000）

基于嵌入式的學生宿舍設備智能管理系統的設計

張秋晶 邱金波
（廣東石油化工學院 廣東 茂名 525000）

利用嵌入式系統技術構建的智能化、信息化的學生宿舍設備管理系統，能夠提升學校對學生生活和學習的管理工作質量，提高工作效率。本文給出了學生宿舍設備管理系統的分析、設計與實現過程。提出了使用嵌入式系統作為學生宿舍管理核心的思路，研究設計了一套基于嵌入式的學生宿舍設備管理系統。

學生宿舍設備管理；嵌入式系統；ZigBee

1.引言

目前，隨著初高中、高校的住校學生人數的不斷增加，給各個學校帶來了極大的管理壓力。學生宿舍設備采用集中管理的一個顯著的優點，就是可以快速的獲得相關宿舍綜合數據的統計分析要求，從而能夠在第一時間內掌握宿舍設備的動態信息。通過這種“集中式”管理的模式能夠顯著提高學生宿舍設備的綜合管理水平，同時也能夠為宿舍的管理部門已經管理者創造一個快速、安全、準確、可靠的應用監管平臺[1]。因此，本文提出一套基于嵌入式系統的學生宿舍設備智能控制系統。

2.系統總體框架

本系統主要由宿舍管理核心模塊、Zigbee通信模塊、安防模塊、燈光模塊、語音模塊、設備控制模塊以及上位機服務平臺組成。系統框架如圖1所示。由安防等采集信息的功能模塊采學生宿舍中的各種信息比如：燈光、煙火、紅外防盜等。通過無線Zigbee通信模塊傳輸至宿舍管理核心模塊，經過處理后再上傳至上位機服務平臺，由平臺統一保存和發送相關控制命令控制相應的設備。

圖1 系統框圖

3.系統硬件電路設計

3.1 宿舍管理核心模塊

系統處理器采用的是基于cortex－M3內核的STM32F103VET6[3]。這款芯片屬于STM32系列增強型微處理器，工作頻率可達到72MHz，保證了核心模塊對整個學生宿舍環境檢測產生的大量數據的處理速度，同時支持RISC指令集，即可以移植嵌入式實時操作系統，大大拓寬了對整個系統軟件設計要求。

3.2 Zigbee通信模塊

CC2530是TI公司為Zigbee無線數據傳輸設計的一款專用芯片，而且它能夠以非常低的總體成本建立強大的網絡節點，適合學生宿舍這種人員密集型、數量需求大的場合。CC2530芯片工作時具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統[2]。通信模塊結構圖如圖2 所示。模塊采用直流5V供電，經電源芯片LM3117轉換成3.3V 為CC2530芯片和看門狗電路供電，接收指令或數據后通過串口發送至單片機。

圖2 zigbee通信模塊結構

3.3 設備控制模塊

模塊負責控制學生宿舍中一些典型的電氣設備，比如空調、風扇、電動窗簾、電動晾衣桿等。模塊通過Zigbee通信模塊接收來自管理核心模塊的控制指令，分別以紅外通信的模式控制空調、以電動機械的模式控制風扇、電動窗簾等。在智能控制上可以實現當室內溫度超過設定溫度時，在休息時間自動開啟空調制冷；當室內濕度超過設定濕度時開啟空調抽濕功能；當遇上雷雨天氣而學生無法趕回宿舍的情況下，控制電動晾衣桿縮回室內避免淋濕等。

3.4 燈光模塊

燈光模塊包含了對宿舍日光燈照明、書桌臺燈照明、洗浴廁所白熾燈照明、夜間LED照明以及緊急用電照明的控制，實現了對學術宿舍區域所有燈光的實時控制。有效的實現了對學生固定作息時間安排的控制，比如晚上固定時間熄燈休息，早上固定時間開燈起床，夜間上廁所自動開熄燈等。

3.5 安防模塊

安防模塊包括人體熱釋電傳感器模塊、紅外幕簾傳感器模塊、火災一氧化碳監測模塊。其中，人體紅外熱釋電傳感器用以檢測人體發射的紅外線，以識別是否有人在傳感器的監測區域內活動。紅外幕簾傳感器是安裝在宿舍的門窗旁邊用以監測是否有人從門窗侵入。紅外幕簾傳感器也是監測人體發射的紅外線來觸發報警的，探測區域就如同一個窗簾一樣把整個門窗范圍都罩住，一旦有人從門窗侵入就觸發傳感器節點產生報警并通知管理員，保障學生的生命財產安全。火災傳感器模塊用以監測宿舍內火災即將發生時環境的變化，比如說一氧化煙霧、火焰光、溫度等等，當檢測到宿舍內的這些敏感量超過正常的標準時就預示著有火災發生，立即觸發傳感器節點產生火災報警和緊急處理工作，以保障宿舍內人員和財物的安全。

3.6 語音模塊

語音模塊主要定點播報音樂、新聞、語音提醒，可以實現對學生的定點通知、新聞播報、音樂播報、實時提醒等功能。為學生的學習和生活帶來極大的便利，也為學校減輕相關的管理工作量。模塊采用芬蘭VLSI公司生產的芯片VS1003，這是一款M P3/WM A音頻解碼芯片[4]。模塊采用SD卡作為存儲器存儲日常使用的音樂、新聞等音頻文件，當播放命令達到時播放相應的音頻文件。當需要播放臨時通知或新聞時，模塊將通過Zigbee通信模塊接收相應的音頻文件并存儲，然后給其編號，再將標號發送給服務平臺以達到控制的效果。

4.系統服務平臺軟件設計

服務平臺采用Qt平臺編寫，可以實現多平臺運行(Windows、Linux)，適用面廣[5]。服務平臺啟動后首先初始化串口設置，接收來自核心管理模塊處理后傳輸的采集數據，并保持到后臺數據庫中，供管理人員需要時查看。運行本服務平臺應用軟件時，當有數據發送至PC機串口，觸發串口接收信號槽，就會執行串口讀取數據的操作。接收完數據后校驗數據的完整性以及正確性，并進行智能算法處理后，得到相應的控制指令，并將指令發送給核心處理模塊，由它實現對學生宿舍設備的統一管理控制。其軟件工作流程如圖3所示。

圖3 服務平臺軟件工作流程圖

5.結語

經過實驗驗證該項目切實可行，解決了以下問題：（1）人工管理工作量大，效率低，智能化系統可有效解決人工方面的缺點。（2）智能系統自動采集學生宿舍環境信息并進行智能化判斷及處理。（3）無線傳感在應用上存在來自成本方面的阻力, 方案將采用最經濟的解決方案。（4）使用者在管理界面可實現對學生宿舍的實時監控及對智能設備的操作。（5）嵌入式系統為復雜的管理環境提供了強大的技術平臺支持，構建了整個學生宿舍設備控制系統，適合各個不同層次的學校。

[1]許超.學生宿舍管理系統的設計與實現信息與電腦(理論版) [J].科技風，2012,08(07) :237-239.

[2]羅剛,蔣學彬,涂熹薇等.油氣田有毒氣體泄漏預警與監測系統研究[J]．鉆采工藝，2013(11)：116-118.

[3]鐘科.基于STM32的溫度測量系統[J].微處理機，2015(2)：64-66.

[4]洪家平.基于VS1003的解碼器的MP3播放器的設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2010(11):54-56.

[5]張鋒，李凱亮，曾俊林.嵌入式系統的太陽能雙電源系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2014(12):35-37.

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1009-5624（2016）06-0068-03