談智慧寢室系統(tǒng)設計實現(xiàn)
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摘要：文中針對學生寢室生活中常見問題，設計并實現(xiàn)了一種智慧寢室系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過手機對寢室門、窗、燈等智能化設備進行遠程控制，能夠解決忘帶鑰匙、雨天忘關窗、忘關燈等問題；同時具有火災報警、失竊報警等功能，可有效加強寢室安全性。實驗結(jié)果表明：所提智慧寢室系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，且可以有效提高學生寢室生活質(zhì)量、方便學生管理寢室、加強寢室安全性；另外，該系統(tǒng)結(jié)構簡單，成本低廉，適于推廣。
關鍵詞：嵌入式；物聯(lián)網(wǎng)；寢室；blinker；傳感器；環(huán)境監(jiān)測
引言
隨著《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》的印發(fā)和持續(xù)推進，“智慧校園”逐步在校園中推廣[1]。學生寢室作為學生校園生活的重要活動場所，也受到了極大關注。目前，國內(nèi)外有許多學者對學生寢室的相關智慧化進行了研究，但大多主要針對整個學生公寓以及整個學生群體。例如：吳永斌等設計了學生宿舍人臉識別考勤系統(tǒng)[2]；文獻[3-4]基于B/S架構對高校宿舍管理系統(tǒng)進行了設計與功能實現(xiàn)；朱靜宜基于物聯(lián)網(wǎng)技術設計了校園建筑能耗智慧控制平臺[5]。以上研究對于單個寢室內(nèi)部的智慧化所做工作較少，寢室內(nèi)部設備配備仍然普遍簡單。目前學生寢室內(nèi)普遍采用上下鋪或上床下桌的配置，學生在上鋪時存在關燈不方便的問題。而由于學生獨立生活經(jīng)驗相對較少，在寢室生活中，普遍存在著熄燈時沒關燈導致第二天起床時燈長明、下雨時因為沒關窗導致寢室被淋濕，忘帶鑰匙導致被鎖門外等問題。此外，學生寢室失竊現(xiàn)象也是高等院校的一個“頑疾”[3]，因?qū)W生私接電器引發(fā)火災的現(xiàn)象也時有發(fā)生。針對上述問題，本文根據(jù)學生的學習生活習慣[6]，設計并實現(xiàn)了一種智慧寢室系統(tǒng)。智慧寢室系統(tǒng)使用多種環(huán)境傳感器采集當前環(huán)境信息[7]，其不僅能夠通過手機APP對寢室門、窗、燈等設備進行控制，還可以實現(xiàn)寢室的防火防盜等功能，使學生寢室生活更加安全和便捷。筆者將本文系統(tǒng)安裝在某高校學生寢室內(nèi)，進行了為期一周的實驗測試。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，具有一定實用性，對學生寢室生活質(zhì)量有一定提升。智慧寢室系統(tǒng)結(jié)構簡單、成本低廉，且學生可安全地自行架構組裝，因此適于推廣。
1整體設計方案
根據(jù)學生生活需求，本系統(tǒng)包括門禁系統(tǒng)、燈光控制系統(tǒng)、自動窗系統(tǒng)和安全系統(tǒng)四部分。用戶可以通過手機APP連接校園網(wǎng)向?qū)嬍抑懈鱾€系統(tǒng)發(fā)送不同命令，使相應系統(tǒng)完成指令操作，實現(xiàn)對寢室門、燈光、窗等設備的控制。智慧寢室系統(tǒng)工作原理示意圖如圖1所示。
2硬件設計
2.1門禁系統(tǒng)
門禁系統(tǒng)設計了密碼鎖和遠程開關門兩大功能。該設計優(yōu)勢在于：（1）密碼鎖功能。無需攜帶鑰匙就可以開寢室門，故能夠解決學生忘記帶鑰匙、丟失鑰匙而無法進入寢室的問題。（2）遠程開關門功能。該功能可遠程控制開關門，能夠解決學生忘記反鎖門以及需要臨時為他人開門等緊急問題。門禁系統(tǒng)由主控模塊、密碼模塊、WiFi模塊和開鎖模塊四部分組成，各模塊具體工作原理如下：（1）主控模塊主控模塊采用高速、低功耗、超強抗干擾的STC90C52RC單片機作為主控芯片，對系統(tǒng)進行控制。通過檢驗WiFi模塊與密碼模塊通信引腳間的電平變化，控制相應模塊執(zhí)行指令，以達到操控系統(tǒng)的目的。（2）密碼模塊該模塊由矩陣按鍵、LCD1602、8個LED、有源蜂鳴器等器件組成。用戶通過矩陣按鍵輸入密碼，每輸入一個密碼點亮一個LED燈，并將輸入的密碼顯示在LCD1602顯示屏上。密碼輸入完成后通過單片機對接收到的矩陣按鍵電平信號進行處理，并與設置的密碼進行對比。若密碼正確，向開鎖模塊發(fā)送開鎖命令由開鎖模塊完成開鎖；若密碼不正確則蜂鳴器長鳴進行報警。（3）WiFi模塊WiFi模塊主要由ESP8266-12E模塊組成。用戶可以應用手機APP通過校園網(wǎng)向WiFi模塊發(fā)送開門的指令，當WiFi模塊接到指令后通過改變定義引腳的電平高低與主控模塊進行通信，主控模塊控制開鎖模塊進行開鎖。（4）開鎖模塊本模塊的主要元件為SG90舵機。舵機與普通門鎖相連，當收到開關鎖命令后，單片機通過輸出PWM信號控制舵機的轉(zhuǎn)動，達到開關門鎖的目的。門禁系統(tǒng)工作原理示意圖如圖2所示。
2.2燈光控制系統(tǒng)
燈光控制系統(tǒng)主要具有定時關燈、遠程關燈兩項功能。該設計優(yōu)勢在于：（1）定時關燈功能。通過設定關燈時間定時自動關燈，解決當熄燈時因忘記關燈導致的燈長明或因去上課忘記關燈等原因造成浪費的問題。（2）遠程開、關燈功能。通過手機遠程控制開、關燈，在床上對寢室燈光進行控制，以達到提升寢室生活便利性的目的。燈光控制系統(tǒng)由51單片機、WiFi模塊和舵機組成。該系統(tǒng)主要工作原理如下：將51單片機的定時器T0作為時鐘進行計時，當?shù)竭_設定時間后單片機通過PWM信號控制舵機轉(zhuǎn)動，以實現(xiàn)定時關燈功能。遠程關燈功能與遠程開關門功能類似，都是使用手機與WiFi模塊進行通信，通過51單片機控制舵機實現(xiàn)開關燈這一功能。
2.3自動窗系統(tǒng)
自動窗系統(tǒng)具有雨天自動關窗功能。當學生因上課等原因而無人在寢室、且未關窗時，如遇雨天則可能導致寢室被雨淋濕而造成不必要的損失。自動窗系統(tǒng)優(yōu)勢在于，出現(xiàn)上述無人在寢室且需要關窗的情況時，可以通過雨天自動關窗功能進行關窗，避免寢室被淋濕而造成損失。自動窗系統(tǒng)由51單片機、雨滴檢驗模塊、微動開關、ULN2003電機驅(qū)動、步進電機組成。主要工作原理如下：以微動開關作為檢測開關，檢測窗當前狀態(tài)是開或關；關窗時微動開關導通，開窗時微動開關斷開。自動窗系統(tǒng)啟動時，當雨滴檢驗模塊檢測到水滴、且微動開關檢測到窗戶處于打開的狀態(tài)，則單片機將控制步進電機在規(guī)定的時間內(nèi)進行關窗，如果超時電機將停轉(zhuǎn)以防止對窗戶造成破壞。自動關窗系統(tǒng)工作原理示意圖如圖3所示。
2.4安全系統(tǒng)
寢室安全問題也是寢室設計必須要考慮的重要問題之一，因此本文設計了寢室安全系統(tǒng)，主要包括防火模塊與防盜模塊兩部分。該系統(tǒng)具有火災檢測、火災報警、人員檢測等功能，能夠在發(fā)生危險之初進行報警，降低危險帶來的損失。防火模塊由51單片機、MQ-135有害氣體檢測傳感器、DHT11溫濕度傳感器、蜂鳴器組成，主要原理如下：MQ-135有害氣體檢測傳感器通過模擬量輸出電壓，通過檢測空氣中煙霧濃度的改變輸出電壓，煙霧濃度越高，輸出電壓越大。一旦電壓超過設定的閥值，單片機將會檢驗到電平變化，從而控制蜂鳴器進行報警，以提醒學生有危險發(fā)生；同時，通過WiFi模塊向所有用戶發(fā)出火災報警信號，用戶可以遠程開門請求附近人員進行幫助。而DHT11溫濕度傳感器具有檢測溫濕度的功能，當傳感器檢測到寢室內(nèi)溫度高于50℃時，進行報警并向所有用戶發(fā)出起火災警信號。防盜模塊主要由RCWL-0516微波雷達感應開關與紅外光電反射傳感器組成，主要工作原理如下：紅外傳感器安裝在寢室門上方，檢測是否有人進入寢室；RCWL-0516微波雷達感應開關安裝在面向?qū)嬍覂?nèi)墻上，用于對寢室內(nèi)人員檢測；當防盜系統(tǒng)啟動時，若模塊檢測到房間內(nèi)有人或有人進入房間，蜂鳴器長鳴進行報警。
3軟件設計
3.1軟件開發(fā)環(huán)境
智慧寢室系統(tǒng)采用KeilμVision4與ArduinoIDE兩種軟件對硬件進行開發(fā)。通過ArduinoIDE完成對ESP8266-12E模塊與手機APP、51單片機之間通信程序的編寫，使用KeilμVision4完成對其他硬件控制代碼的編寫。Keil是一款涵蓋C語言編譯的專業(yè)軟件開發(fā)系統(tǒng)，具備宏匯編、庫管理和仿真調(diào)試等諸多功能，是當代的主流編譯工具之一[8]。Arduino與Keil類似，但是與Keil相比，Arduino具有開源的優(yōu)勢且更易上手。Arduino在下載相關硬件拓展包后可以在示例的基礎上編寫程序，適合在短時間內(nèi)完成難度較高的硬件程序編寫。
3.2應用軟件開發(fā)
智慧寢室系統(tǒng)的應用軟件是基于Blinker開發(fā)的，通過BlinkerAPP與智慧寢室系統(tǒng)的硬件進行連接，以實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的遠程控制。Blinker是一套跨平臺、跨硬件的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，其提供了手機APP端、設備端、服務端支持[9]，同時向用戶提供自定義布局圖形化操作界面，在滿足用戶要求的前提下極大地降低了使用難度。本系統(tǒng)通過在ArduinoIDE添加Blinker庫，在開發(fā)文檔所給例程的基礎上進行開發(fā)。開發(fā)時通過調(diào)用封裝好的相應設備的函數(shù)簡單地對I/O口進行定義設置即可達到控制設備的目的。其中控制設備運行的關鍵代碼如下：填寫以上代碼即可實現(xiàn)設備的基本運行。將程序編譯后，通過CH340模塊以USB轉(zhuǎn)串口的方式下載到WiFi模塊，即可實現(xiàn)通過此軟件連接校園網(wǎng)對硬件系統(tǒng)進行控制。軟件操作界面如圖4所示。
4系統(tǒng)測試與結(jié)果分析
這里將本系統(tǒng)應用到寢室進行了1周的測試，結(jié)果表明本系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，并提升寢室同學的生活質(zhì)量。門禁系統(tǒng)能通過密碼或手機遠程操作實現(xiàn)開關門；燈光控制系統(tǒng)和自動窗系統(tǒng)能正常工作且具有較高的穩(wěn)定性；紅外傳感器在能穩(wěn)定工作的條件下可以有效檢測18cm內(nèi)人員進出情況；當溫度到達50℃時DHT11溫濕度傳感器可以實現(xiàn)正常報警；有害氣體檢測傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)閥值煙霧報警功能；RCWL-0516微波雷達感應開關能夠有效的探測5m范圍內(nèi)的人員運動情況且不會受到寢室外環(huán)境的影響。但在測試的過程中發(fā)現(xiàn)WiFi模塊若長時間工作會產(chǎn)生較多熱量需要做好散熱工作。由于受時間精力限制，該系統(tǒng)無法進行更為完善的測試，筆者將基于本研究進行進一步的系統(tǒng)提升工作，以期實現(xiàn)更多功能。
5結(jié)語
本文給出了一種智慧寢室系統(tǒng)的合理設計方案，為寢室智能化提供了一條可行途徑。本系統(tǒng)可以通過手機完成對寢室門禁、窗戶、燈等設備的自由控制，同時具有防火、防盜功能。通過實驗驗證，本系統(tǒng)能穩(wěn)定運行，能有效提高寢室的安全性，能為學生的寢室生活提供便利，提高學生寢室生活質(zhì)量，對于學生宿舍的智能化建設具有一定現(xiàn)實意義。注：本文通訊作者為張敏。
參考文獻
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作者：張昊霖 張敏 曹大焱 董偉寧 朱笑瑩 單位：遼寧工程技術大學
