基于物聯網的智能宿舍系統

摘 要：基于現代物聯網概念，針對高校的學生公寓，這里搭建了一套智能宿舍系統，以便學校學生宿舍里的學生和管理人員享受到現代智能家居帶來的方便與便捷。系統以網頁形式面向兩類用戶群，用樹莓派作為系統服務器，還包括有一系列相關的配套設備，包括改裝過后的宿舍門鎖，單獨設計的配套空調遙控器，溫度煙霧傳感器，還有遙控插線板等。

關鍵詞：智能宿舍系統；物聯網；單片機；433M；樹莓派

1 系統的目的及意義

近年來，學生宿舍一直不夠智能化，無法實現對宿舍的實時監管。為了使同學的生活更加的便利，方便樓管精準的維護宿舍的安全，我們開發了一套宿舍智能管理系統，對宿舍內的基本設備如插座和門鎖進行了加裝433M無線遙控開關的改造，同時研制了濕度煙霧顯示報警器，通過手機或電腦平臺進行操作，可達到遠程控制門鎖開關，電燈，空調開關以及對宿舍環境監控的目的。實現宿舍、管理人員、居住人員信息間的交流，達到智能宿舍系統關系的目標。

2 總體設計

智能宿舍系統主要基于物聯網技術，采用ARM嵌入式系統與51單片機，利用無線傳感器技術、信號處理與通信技術實現系統的整體構架。將宿舍的基本電器配置與互聯網相連接，進行信息交換和通訊來對用電器的進行智能監控和管理，實現自動開關宿舍門、對插座上的用電器進行控制、并監測宿舍環境等等功能，從而完成對宿舍的智能化管理。

物聯網技術的實現依靠三層架構，感知層，網絡層和應用層。感知層的主要功能是感知信息，在這個層面上包含了各種硬件設備，如加裝了單片機STC15W408AS和433M模塊的門鎖，插座，溫度煙霧顯示報警器等設備，采用無線通信、傳感器控制等技術，搭建中繼網絡節點連接各個感知層與網絡層，將用電器接收到的信息傳給網絡層。網絡層的基礎設施包括互聯網和手機端，應用了網絡融合、網絡傳送及無線通訊技術將信息傳給應用層。用藍牙和433M通信模塊構成通信節點使手機控制端嵌入樓內通信網絡，依靠樹莓派搭建服務器實現宿舍內部網絡和外部網絡的連接和數據交換。應用層則通過數據存儲，數據處理等技術對數據進行匯總，分析，處理和呈現。該部分包含客戶端的Android應用APP程序和樓管管理端的網頁兩部分。

2.1 感知層的實現

感知層包含了多種設備，核心技術是在宿舍各種用電器上加裝了單片機STC15W408AS和433M模塊以感知信息。STC15W408AS單片機是最新一代51集成電路芯片，具有體積小、抗干擾能力強、功能強大等特點。433M通信模塊無線通信頻段434MHz-437MHz，采用聲表諧振器SAW穩頻，頻率穩定度極高，適合多發一收無線遙控及數據傳輸系統，在宿舍樓中穿墻能力較強，并且性價比高。二者構成了最小系統。在這個層面上改裝的門鎖，插座，溫度煙霧報警器等設備，采用無線通信、傳感器控制等技術，構成組成各種感知層設備，將用電器接收到的信息傳給網絡層。

2.2 網絡層的實現

網絡層應用了網絡融合、網絡傳送及無線通訊技術將信息傳給應用層。用藍牙和433M通信模塊構成通信節點使手機控制端嵌入樓內通信網絡；用STC15W408AS和433M通信模塊搭建中繼網絡節點連接各個感知層部分；依靠樹莓派搭建服務器實現宿舍內部網絡和外部網絡的連接和數據交換。

整個智能宿舍系統的網絡層部分主要分三部分實現：設備～組網（中繼）～終控（樹莓派端），與實際系統對應為宿舍內網絡節點～樓道內的通信中繼器～宿舍樓服務器。其基礎設施包括互聯網和手機端。

在傳遞數據信息過程中，設備將信號發出，傳遞到中繼處補償信號衰減，為了方便層級管理，先將數據傳到一級中繼處，再傳到二級中繼處，擴大傳輸距離，最后到終控處完成對各種設備進行集中管理和控制。終控處的實現基于樹莓派，用戶數據存在MySQL中。

我們設計的通信協議，使用類ZigBee的方式自建組網實現上下行的數據傳輸。系統自下而上的三層結構為設備，中繼，終端。他們之間的數據傳輸包分為四部分，分別是起始和終止的標志位、信號發出的設備標識號、數據最初來源的設備表示號和中繼ID構成的路由表。依照這套協議，通過點對點通信的模式，實現信息從服務器到設備之間的穩定可靠的傳輸。

2.3 應用層的實現

應用層即為搭建的智能宿舍平臺，包含學生用戶端的Android應用程序和樓管管理端的網頁兩部分。

對于生活在宿舍的學生用戶群體，其可通過在該平臺上注冊為一般用戶，來對宿舍內的電器開關等進行遠程監測與控制；對于宿舍樓的管理者用戶，其

可通過在該平臺上注冊為管理員，來對整棟樓所有宿舍進行監控與管理。使用電腦或手機都可實現對宿舍的監控與操作。手機端可以直接通過433M轉藍牙串口模塊實現直接嵌入系統網絡，來實現用戶對宿舍設備的控制。使用網頁端時，先進行身份確認，分為普通用戶和管理員兩個通道。管理員登錄后，可對數據庫內所有宿舍進行查詢和更改設置，既可以看到整棟樓的用戶數據和宿舍內的情況匯總，也可對電器進行操作，達到對宿舍監督的作用，保證宿舍的安全。

3 系統優點及創新點

該套系統相比現在市場上已有的智能家居產品，我們的系統網絡覆蓋面積更大，而不是只限于一個路由器可以覆蓋到的地方；我們無線通信選用的頻段更低，穿墻性更好；同時設備改裝成本低，整套系統成本也可以降得很低，更貼近實際生活，實用性強，便于市場接受，便于系統推廣與應用。

參考文獻

[1]陳慕雷.基于多模傳輸協議的智能家居網關開發[D].西北工業大學.2014

[2]李曉卉.智能家居無線傳感器網絡路由.北京： 電子工業出版社，2014.3

作者簡介

宋涵（1996-），男，漢族，西北工業大學動力與能源學院專業2014級學生。