基于物聯(lián)網技術的智能宿舍系統(tǒng)設計

林躍森，曾海杰，梁嘉誠，溫漢清

（廣東石油化工學院 廣東 茂名 525000）

1 引言

近年來，國內外校園宿舍火災頻發(fā)。教育事業(yè)是整個國民經濟社會的重要組成部分。而學校作為承載教育事業(yè)的主要窗口和受理單元，目前為止仍多以人口密集場所的形式出現。學校的健康發(fā)展和安全經營，對于經濟社會的發(fā)展穩(wěn)定有著重要影響，在當前強調科學發(fā)展，以人為本的大背景大形勢下，學校的宿舍安全管理工作顯得更加重要。隨著科學技術的不斷進步，當代年輕大學生對生活的智能化要求也越來越高，將物聯(lián)網技術應用于學生宿舍，為當代大學生提供更安全、更智能的宿舍生活環(huán)境已經成為一個研究話題[1]。

2 系統(tǒng)整體設計

智能校園宿舍系統(tǒng)是一個基于物聯(lián)網技術[2]、計算機網絡系統(tǒng)，為簡便現代大學生宿舍生活、提高宿舍安全而設計的系統(tǒng)[3]，該系統(tǒng)的設計方案如下：以STM32為數據處理中心，通過設計一款可用來監(jiān)測用電功率的智能排插來監(jiān)測學生宿舍違規(guī)電器使用情況，并可在超過設定功率閾值時自動進行斷電處理，以此來保障學生宿舍用電安全，且設計多種場景模式，來對學生宿舍里的燈光、門、窗簾等進行智能控制，并通過MQ-2煙霧傳感器、DHT11溫濕度傳感器與光敏傳感器實時采集高校宿舍內的環(huán)境信息，并采用ZigBee模組進行組網，以樹莓派作為網關和用戶端進行通信，實現遠程控制和遠程監(jiān)測的目的。學生可通過開發(fā)的移動端APP對宿舍內聯(lián)網設備進行遠程操作，并且宿舍管理人員可通過PC端上位機對學生宿舍用電情況進行實時監(jiān)測，規(guī)范學生用電，減少火災發(fā)生率。

2.1 硬件設計

2.1.1 主控芯片

本系統(tǒng)采用STM32F103ZET6作為主控芯片，其采用Cortex-M3嵌入式處理器32位內核，由于特有的thumb-2指令集，所以其軟件編程非常方便且靈活采用，并且STM32F103XX外設資源也十分豐富，通信接口有：3個12位ADC，2個IIC和3個SPI通信接口，5個串口等，滿足于本系統(tǒng)的開發(fā)。

2.1.2 智能排插

智能排插主要是用于統(tǒng)計用電量和監(jiān)測學生宿舍的違規(guī)電器。根據高校要求，學生宿舍禁止使用大功率電器，在此基礎上設計了一個可用于監(jiān)測功率和用電量的智能排插，采用HLW8032電流電壓采集計量模塊與普通排插、繼電器組成，當學生在宿舍使用超過1000W以上的電器時，系統(tǒng)會進行斷電處理、發(fā)出警告信息，并上報宿舍管理人員。

2.1.3 環(huán)境監(jiān)測

該功能主要由煙霧傳感器、溫濕度傳感器和光敏傳感器實現，通過煙霧檢測模塊和溫濕度檢測模塊共同檢測火災，以提高辨別的準確性。在系統(tǒng)中實現的主要功能是在發(fā)生火災時能快速檢測到并啟動宿舍火災應急措施。

本系統(tǒng)采用光敏電阻模塊來檢測周圍環(huán)境的光線的亮度，其原理是將光信號轉換為電信號，通過提前設定好光照強度閾值進而促使單片機控制窗簾上的電機，實現通過檢測環(huán)境的光線亮度改變，進而控制窗簾的開與關。

采用DHT11溫濕度傳感器模塊，該模塊具有體積小、功耗低、容易使用等特點，且其信號傳輸距離可達20 m以上，其溫度的測量范圍為0～50℃，濕度的測量范圍是20%～90%RH，測量的溫度為±2℃，濕度為±5%RH，溫度的分辨率為1度，濕度的分辨率為1%RH，滿足本次設計的需求。

采用MQ-2煙霧傳感器實現煙霧檢測功能，該模塊可用于家庭或宿舍的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣、苯、烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測，具有靈敏度高、響應快、穩(wěn)定性好、壽命長、驅動電路簡單等優(yōu)點。

硬件設計圖見圖1。

圖1 硬件設計圖

2.1.4 場景設計

針對學生宿舍生活作息和安全性考慮，設計了3種場景，分別為起床場景、休息場景、火災應急場景。根據不同的場景，系統(tǒng)會控制相對應的硬件來達到用戶想要的功能，并分為自動啟動和手動啟動。

2.1.5 物聯(lián)網關

宿舍內的多個硬件設備通過ZigBee組網[4]，樹莓派用作網關，具體實現是通過在樹莓派上寫入操作系統(tǒng)，搭建開發(fā)環(huán)境并編寫程序來實現一個網關功能。樹莓派與用戶端通過TCP的方式來通信；樹莓派作為服務器，用來接收協(xié)調器（ZigBee網絡）的數據，傳輸到用戶端，并使用ZigBee模塊，構建一個局域網。在學生宿舍中，其中有一個作為協(xié)調器，多個作為終端節(jié)點。終端節(jié)點分別布置宿舍門控制、燈光控制、窗簾控制等。協(xié)調器構建好這個局域網，讓終端節(jié)點加入；然后收集各個終端節(jié)點傳輸過來的數據，實現系統(tǒng)通信需求。學生可通過手機APP控制宿舍內的硬件設備，如控制電機開門、打開窗簾、關燈等。

2.2 軟件設計

該項目的軟件設計部分主要是通過手機端的APP[5]來實現，使用Java程序設計語言Android客戶端以及SQL Server數據庫共同完成開發(fā)。通過移動端我們可以監(jiān)測到宿舍的煙霧熱量、溫濕度大小以及是否出現使用電器功率過大的情況，一旦出現危險情況則手機端的環(huán)境分析會自動發(fā)出危險告警信號。這時APP可以通過遠程控制直接斷開危險系數較高區(qū)域的設備，當危險系數在一個緊急邊緣時，則可以通過查詢用戶的信息，對所屬宿舍區(qū)域進行人工危險提示。

在系統(tǒng)架構層面，Spring MVC 3層架構是我們的主導，它是圍繞Servlet設計，將請求發(fā)送給控制器，接受客戶端通過Http請求響應調用后臺數據接口進行與后臺交互，然后通過模型對象，分派器來展示請求結果視圖。

在Android客戶端，系統(tǒng)一共開發(fā)出6大模塊，即登錄注冊：實現用戶的信息采集；宿舍信息：對宿舍信息的查看功能；數據檢測：對宿舍溫濕度、煙霧度的查看；環(huán)境分析：對宿舍環(huán)境實時報告；監(jiān)控數據：對宿舍內氣體質量的動態(tài)檢測；個人中心：對用戶個人信息的增刪改查操作。

在服務器、數據庫上，主要設置有5大操作模塊，即終端連接、API交互、信息管理、日志文件以及數據存儲。由于涉及個人信息的數據存儲問題，所以在數據庫的設計上，我們給SQL設置了3層安全驗證層次，最大程度地保證存儲的高效性、安全性。

在APP與服務器交互方面，我們把終端設備通過API與Internet進行連接，是想對宿舍的控制與檢測，然后把后臺用到的數據都部署到服務器上，最后再傳到數據庫里進行存儲。功能搭建方面，首先用Android搭建一個UI界面，界面把所有的功能都顯示出來，流程圖見圖2。

圖2 軟件設計方面功能展示圖

3 系統(tǒng)測試總結

（1）對于違規(guī)電器監(jiān)測和用電量統(tǒng)計，本系統(tǒng)設計功率報警閾值為1 000 W，即使用功率超過1 000 W會觸發(fā)警報機制，通過控制繼電器切斷電源，利用蜂鳴器模擬警告聲響，同時向宿舍管理人員發(fā)送宿舍違規(guī)信息。通過這個系統(tǒng)，讓學生養(yǎng)成規(guī)范用電的習慣和減少用電安全事故的發(fā)生。

（2）利用煙霧模塊和溫濕度模塊協(xié)同監(jiān)測宿舍環(huán)境，提高火災監(jiān)測的識別率和準確率，為學生提供有保障的宿舍安全環(huán)境，并且進行了場景設計，如模擬發(fā)生火災場景，系統(tǒng)會控制電路觸發(fā)報警器，并且第一時間控制宿舍門打開和使宿舍灑水器工作，并向宿舍管理者發(fā)送警報信息，以便其第一時間采取相關行動。

（3）系統(tǒng)采用ZigBee和樹莓派相結合的組網方式，通過使用多個ZigBee設備搭建局域網，并使用樹莓派作為網關與服務器進行通信。ZigBee具有成本低、可靠性好、模塊功耗低、網絡容量大等優(yōu)點，從成本和實際使用效果方面考慮，ZigBee都非常適合項目需求。

（4）通過手機端，我們能夠掌握所有在APP上注冊的用戶的安全狀況，24 h全方位監(jiān)控宿舍的危險系數。也可以通過軟硬件相結合，使得能夠遠程控制宿舍區(qū)域的設備，當出現危險情況時能夠及時發(fā)出危險警報，通過APP端實現設備的一鍵關閉狀態(tài)。

4 結語

智能校園宿舍系統(tǒng)是一個基于物聯(lián)網技術、計算機網絡系統(tǒng)為簡便現代大學生宿舍生活、提高宿舍安全而設計的系統(tǒng)。通過互聯(lián)網實現軟硬件的交互配合，使得APP能夠正常對宿舍進行實時數據分析、環(huán)境檢測、遠程控制操作以及通過服務器及數據庫對獲取到的數據進行采集。項目成果達到了理想效果，實現了宿舍的智能化[6]、高效化，最大程度地提高群居宿舍的安全性及其智能性。