基于Arduino的低成本智能宿舍監控系統研究

黃利紅

(湖南軟件職業學院,湖南湘潭 411100)

0 引言

物聯網技術實現了不同領域內發展的可能性,例如智能建筑等。隨著我國教育現代化建設的發展,大量高等院校學生宿舍紛紛建成。這些建筑要滿足的不僅僅是單一性的功能需求,更要提供安全、綠色、便捷、智能的環境,宿舍管理人員也需要更加方便高效的管理手段。而現有的智能建筑系統往往存在著成本高,不易擴展和改造,缺乏系統聯動機制等缺陷。基于Arduino的低成本智能宿舍監控系統是解決上述問題的一種可行方法。

1 現狀研究

物物聯網技術應用于建筑物,國外的先例出現在美國。1984年美國聯合科技集團對康涅狄格州哈特福德市的一座舊金融大廈進行改建,建成了世界上第一座智能大廈。被改造過的大樓是利用當時先進的數字程控交換技術、計算機技術、資料檢索技術和語音通信等技術,實現了大廈內的高效辦公和設備自動化管理[1]。

此后,相關應用在美國迅速發展。2009年9月美國IBM公司與愛荷華州迪比克市一起合作,希望將該市城市打造成為智慧城市。物聯網技術運用于建筑物,作為智慧城市的一個重要組成部分,成為智慧城市的一個個節點,能將所有樓宇的水電、消防、交通和安防等各種信息綜合聯系起來。

在差不多的年份,日本也提出了“智慧日本”的發展戰略,該戰略將數字信息技術、互聯網技術應用到生活和生產的每個方面。韓國也開始將物聯網技術應用到城市的建設發展,以提高城市的管理綜合能力和效率。這個時期,加拿大、新加坡和印度等國家也提出了類似的概念。

在我國,隨著Arduino技術的發展,對物聯網技術運用于建筑物的研究也非常多。劉春林等設計了一種基于Arduino和Android設備的溫室智能控制系統,對溫室的環境進行調節[2]。呂剛磊等利用Arduino技術,設計了一個智能家居系統,該系統包括溫度檢測、PM2.5檢測、智能插座等,能實現對家庭溫度的檢測、插座的控制和空氣質量的監控[3]。付孟林等設計了一個基于Arduino的分布式智能家居安防系統設計,能實現家居內部有害氣體監測、報警、顯示等功能。

從國內外的各種研究和運用可以看出,絕大部分運用采用了當時最先進的技術,投入了大量的人力和資金,成本較高的。這些系統建設大部分使用有線通信方式,部署與配置工作相當復雜,不易擴展,進行改造和系統升級也非常困難。另外也由于缺乏系統聯動機制,各個子系統之間沒有形成較好的信息互聯互通。

基于Arduino的低成本智能宿舍監控系統因其接入門檻較低、覆蓋面廣、傳輸速度快,具有很強的可擴展性,可以在較少的人力和資金的情況下,對高校宿舍進行24小時全方位的監控,這些能夠解決現狀的不足。

Arduino是2005年歐洲一個開發團隊推出的開源性的軟件硬件相結合的開發平臺。它包含的硬件能夠實現基本硬件搭載功能,軟件是能夠實現這些基本功能的一套開源的軟件開發環境。用戶只要通過簡單的程序編寫和硬件搭載就能完成某種產品的開發。它也具有與PC以及電腦端口連接的周邊裝置的功能,能夠通過運行的PC端上面的軟件進行信息傳遞從而進行控制。因Arduino具有跨平臺、簡單易用的特點,可以縮短開發周期,降低研究成本,適用于該系統。

2 系統的總體設計

基于Arduino的低成本智能宿舍監控系統,在各種傳感器采集數據后,采用常見的Arduino開發板對數據進行收集和處理,存儲至物聯網云平臺,然后在上位機控制平臺或者移動端可以進行查看。該系統無需布線,在WiFi下即可實現實時監控宿舍的情況,如有警情例如火災等可迅速告知宿舍成員和管理人員前去處理障,也可以提供電器、照明、溫控監控的功能。如圖1所示:

圖1 基于Arduino的低成本智能宿舍監控系統的總體設計Fig.1 Overall design of low cost intelligent dormitory monitoring system based on Arduino

系統主要由四個部分構成:

(1)數據采集部分。這個部分主要有各種傳感器組成,用于采集學生宿舍中的各種基本數據。數據采集部分通過各種線纜和Arduino微控制器部分連接。

(2)嵌入式平臺部分。這個部分主要由Arduino微控制器和無線模塊組成,將收集的數據進行處理并通過無線方式上傳至互聯網云平臺。

(3)物聯網云平臺部分。物聯網云平臺是一種為“萬物互聯”定制的云平臺,它與我們平時所見的普通的互聯網是不同的,第一個是連接進去的終端數量非常龐大,第二個是接入的協議非常多樣化。目前國內比較成熟的有中國移動的OneNET、阿里云AIoT、電信云平臺、華為云、機智云、百度天工等。這個部分是作為數據存儲、轉發的云端架構。它是物聯網服務功能的大數據處理核心,相當于橋梁一樣,能實現物體與物體之間的數據交互與交換的功能。

(4)終端控制部分。這個部分由上位機控制平臺和移動客戶端組成,它能夠接收來自物聯網云平臺的數據,同時也可以發送控制命令給物聯網云平臺。隨后物聯網設備云平臺將控制命令轉發給嵌入式平臺部分,從而實現了終端控制部分對嵌入式平臺部分的遠程控制功能。

3 系統的硬件設計

基于Arduino的低成本智能宿舍監控系統在硬件的選擇上要遵循技術上比較成熟、經濟比較合理,應用上比較適用,以及維修、操作性比較簡單的原則。

3.1 數據采集模塊硬件

基于Arduino的低成本智能宿舍監控系統主要收集宿舍里面的以下方面的數據如溫度高低、濕度大小、聲音大小、是否有人、是否有煙霧、火焰等,選擇了市面上常見的技術已經非常成熟的硬件。

宿舍的環境最常見的是對溫度、濕度的采集。溫濕度傳感器采用DHT11,DHT11濕度傳感器是一款市面上非常成熟的雙用型傳感器,精度高,抗干擾能力很強,具有很高的可信度,能夠同時檢測空氣中的溫度與濕度,是一種性價比非常高的傳感器。

此外,判斷宿舍里是否有人采用人體紅外傳感器HC-SR501,當有人經過時,其散發的紅外線引起探頭內部熱釋電反應,從而改變傳感器的輸出狀態。

宿舍是否有有害氣體揮發或者火災的檢測可以采用煙霧傳感器采用MQ-2。這種傳感器常用于家庭或工廠的氣體泄漏監測,對液化氣、酒精、天然氣、煙霧等非常靈敏。它是一種多種氣體的探測器。其基本工作原理是,空氣中的有害氣體濃度越大,它的電導率越大,電阻越低,輸出的模擬信息也就越大。MQ-2的探測范圍極其的廣泛,靈敏度高、響應快、穩定性好、壽命長、驅動電路簡單[1]。

宿舍是否有火災發生,可以采用火焰傳感器。選取YL-38型號的火焰傳感器,它運用了特殊的紅外接收裝置,能夠檢測到火焰的特定波長,并將火焰強度量化,轉化成高低變化的模擬信號或者高低電平數字信號[2]。人體紅外傳感器,煙霧傳感器,火焰傳感器和蜂鳴器結合使用,在出現危險情況時實現報警。

3.2 嵌入式平臺模塊硬件

基于Arduino的低成本智能宿舍監控系統采用Arduino mega 2560主板。Arduino mega 2560是一塊以ATmega 2560為核心的微控制器開發板,在其開發板上裝置54個數字輸入輸出接口和16個模擬輸入輸出接口,其中數字輸入輸出接口有16組具備脈寬調制功能,這些輸入輸出接口可以與大量外圍模塊連接,正好滿足本設計對Arduino微控制器的需求。在另一方面,Arduino mega 2560在燒錄或者執行程序代碼時,直接使用USB接口與電腦對接即可。Arduino mega 2560具備雙重供電系統,分別為USB口供電與外部電池供電,兩種電源供電系統會根據特定情況自動切換。如圖2、圖3所示:

圖2 Arduino mega 2560開發板Fig.2 Arduino mega 2560 development board

圖3 ESP8266開發板Fig.3 esp8266 development board

該系統的無線模塊采用ESP8266開發板,這種開發板非常適合用于物聯網和智能家居的WiFi模塊。性能穩定,結構簡單,價格低廉,符合該系統低成本的要求。Arduino和ESP8266開發板的連接和控制都比較簡單、方便,通過SPI/SDIO接口或者中央處理器AHB橋接口即可。ESP8266有三種組網模式:SoftAP模式、Station模式、SoftAP+ Station模式[3]。它的主要作用是讓整個嵌入式平臺部分通過WiFi與網絡連接,因監控系統要求能進行遠程控制,因此采用第三種模式即混合模式。

4 結語

本文以物聯網以及其關鍵技術為出發點,對基于Arduino的低成本智能宿舍監控系統進行總體設計,以解決以往的成本高、不易擴展和改造、缺乏聯動等問題。并依據技術上比較成熟、經濟比較合理,應用上比較適用,以及維修、操作性比較簡單的原則,對系統所需的硬件進行了設計。