基于物聯網技術的智慧宿舍管理系統

盛培雷 莊旭菲 孫瑞 何閩 李特恩 洪一然

摘 要：隨著社會經濟結構的不斷變化和信息技術的迅速發展，人們對宿舍環境的舒適性、安全性、便捷性等提出了更高的要求。宿舍居住條件有限，無法精確感知環境變化，無人情況下難以對突發情況做出預警，更缺乏對多個宿舍進行統一管理的手段。文章設計的智慧宿舍管理系統可以精確感知宿舍內的環境變化，通過語音命令或手機APP實現宿舍家居設備控制功能，并針對宿舍的安防情況作出警告提醒，還實現了宿舍人員的權限管理功能。

關鍵詞：智慧宿舍;環境監測;遠程控制;語音識別

0? ? 引言

隨著信息技術和物聯網技術的不斷發展，人們對宿舍的居住環境提出了更高的要求。同時越來越多的人群要求智慧宿舍類產品不僅要具備智能，更要求整個系統能夠在功能拓展、外延以及服務方面可以做到更簡單、更方便、更安全。

物聯網技術在其中的應用，使得宿舍居住環境中的各個部分能夠有機地組織起來，形成一個完整的系統，繼而通過智能網關與互聯網相連，從而實現無縫感知和遠程宿舍設備控制功能[1]。

1? ? 系統設計

智慧宿舍系統的主要設計目標是，在實時采集宿舍環境數據，遠程反映給用戶的同時，接受用戶遠程發送的指令，實現對宿舍的遠程管理，提高宿舍人員的生活質量。在此基礎上，為了提高智慧宿舍和用戶的交互性，還為智慧宿舍增加了語音控制功能[2]。

1.1? 硬件總體設計

智慧宿舍的硬件設計部分中，采用了基于功能的模塊化設計方法，主要分為核心控制模塊、環境檢測模塊、設備控制模塊、語音識別模塊，硬件結構如圖1所示。

核心控制模塊采用基于ARM Cortex-A72的Raspberry Pi 4B，其中無線連接模塊采用樂鑫ESP32-S2 WiFi模塊，可以支持USB，簡化使用程序。環境檢測模塊采用DHT11傳感器采集溫濕度，MQ-2傳感器感應煙霧，通過E18-D80NK紅外測距傳感器檢測宿舍人員出入，利用GL5516A（5-10K）光敏電阻檢測光強。設備控制模塊則包含針對宿舍內各種設施的控制開關。語音識別模塊使用LD3320芯片，能夠提供基于“關鍵詞語列表”的識別技術，具有高精準度和高適用性等特點。

環境數據采集、設備控制與核心控制模塊之間采用MQTT協議進行數據傳輸，在核心控制模塊與互聯網之間則采用FRP反向代理技術實現內網穿透。

1.2? 軟件總體設計

智慧宿舍的各類終端設備主要提供設備控制和環境數據查詢等功能，擴展了宿舍家居設備的控制范圍，是不可或缺的組成部分。

Raspberry Pi 4B實現了網關功能，將采集到的所有環境數據發送至位于互聯網之中的服務器端。用戶終端能夠登錄服務器，進行環境數據讀取，發送針對宿舍設備的控制指令。系統網絡拓撲如圖2所示。

智慧宿舍的手機APP基于Android平臺進行開發，實現了用戶登錄注冊、環境數據查看、宿舍設備控制功能。軟件流程如圖3所示。

2? ? 功能模塊設計

2.1? 宿舍環境監測

宿舍環境監測，可以幫助用戶及時、客觀、全面地了解宿舍環境條件，對生活環境的評估有了真實有效的依據。包含溫度、濕度、光強、煙霧監測和宿舍人員出入情況統計。

其中溫度、濕度與光強可作為判斷環境狀態的數據，紅外線傳感器能夠感知宿舍內人員情況。煙霧傳感器則能夠感知宿舍內部的烷類煙霧，具有極高的敏感度和抗干擾性，能夠有效地預防火災發生。

2.2? 設備控制

對宿舍內的各類設備進行統一的控制管理，是實現遠程控制的必要條件。

以風扇、電燈為代表的電器，需要檢測其當前電源狀況，通過遠程指令切斷或開啟電源。以門、窗簾為代表的硬件設施，則開啟電機控制其開啟或關閉。

2.3? 語音識別

使用語音識別功能，實現用戶通過語音命令進行關燈、開燈、關窗、開窗操作。

當LD3320芯片檢測到用戶語音輸入后，便會送入芯片內的語音識別器進行識別，識別與列表中相似度最高的一條作為其識別結果。若存在識別結果，則向系統發出中斷請求，中斷將讀取出識別結果，調用已經設計好的指令，完成燈光及窗戶控制功能。

2.4? 服務器端

服務器端負責智慧宿舍的遠程環境數據、用戶信息以及設備控制日志信息的存儲，搭建了MySQL數據庫，實現了與智慧宿舍網關、手機APP之間的通信功能和數據發布功能。

3? ? 結語

運用數據采集技術、語音識別技術、網絡通信技術，完成了針對宿舍環境監測和設備控制功能。經過測試，系統各模塊功能正常，各類環境數據采集并反饋的數據誤差較小，較為精準[3]。

本文設計的智慧宿舍管理系統，能夠提供宿舍無人安全保障，對宿舍設備控制方式死板等問題進行了相應優化，提供給用戶更加簡單、方便、安全的生活環境。同時，添加了多種用戶與宿舍內設備的交互手段，保證了宿舍無人時的用戶對宿舍的管理能力。

下一步的研究工作，計劃對智慧宿舍管理系統繼續進行研究，并考慮擴大面向人群，針對宿舍管理員進行相關的功能擴展，賦予不同等級的管理員對各個宿舍的相應管理權限。

[參考文獻]

[1]張美平，吳德平，王燦杰，等.基于樹莓派的智能家居設計與實現[J].計算機系統應用，2019（8）：109-114.

[2]辛閱，黃浪塵，李家兒.學生宿舍遠程智能管理系統設計[J].軟件，2020（3）：79-83.

[3]程翔，徐正榮，張坤明.基于物聯網的智能家居控制系統設計[J].傳感器與微系統，2021（3）：106-108.

（編輯 傅金睿）

Intelligent dormitory management system based on Internet of Things technology

Sheng Peilei， Zhuang Xufei*， Sun Rui， He Min， Li Teen， Hong Yiran

（School of Information Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot 010080， China）

Abstract：With the continuous change of social and economic structure and the rapid development of information technology， people put forward higher requirements for the comfort， safety and convenience of dormitory environment. Due to the limited living conditions of dormitory， it is difficult to accurately perceive the changes of environment; it is difficult to make early warning for emergencies when there is no one and it is also lack of unified management means for multiple dormitories. The smart dormitory management system designed in this paper can accurately sense the environment changes in the dormitory， realize the dormitory home equipment control function through voice commands or mobile phone app， and give warnings and reminders for the security situation of the dormitory， and also realize the authority management function of dormitory personnel.

Key words：intelligent dormitory; environmental monitoring; remote control; speech recognition