談智慧寢室系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)
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摘要：文中針對學(xué)生寢室生活中常見問題，設(shè)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(shè)備進行遠程控制，能夠解決忘帶鑰匙、雨天忘關(guān)窗、忘關(guān)燈等問題；同時具有火災(zāi)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(xué)生寢室生活質(zhì)量、方便學(xué)生管理寢室、加強寢室安全性；另外，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，適于推廣。
關(guān)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(xué)生寢室作為學(xué)生校園生活的重要活動場所，也受到了極大關(guān)注。目前，國內(nèi)外有許多學(xué)者對學(xué)生寢室的相關(guān)智慧化進行了研究，但大多主要針對整個學(xué)生公寓以及整個學(xué)生群體。例如：吳永斌等設(shè)計了學(xué)生宿舍人臉識別考勤系統(tǒng)[2]；文獻[3-4]基于B/S架構(gòu)對高校宿舍管理系統(tǒng)進行了設(shè)計與功能實現(xiàn)；朱靜宜基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)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(shè)備配備仍然普遍簡單。目前學(xué)生寢室內(nèi)普遍采用上下鋪或上床下桌的配置，學(xué)生在上鋪時存在關(guān)燈不方便的問題。而由于學(xué)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(guān)燈導(dǎo)致第二天起床時燈長明、下雨時因為沒關(guān)窗導(dǎo)致寢室被淋濕，忘帶鑰匙導(dǎo)致被鎖門外等問題。此外，學(xué)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(zāi)的現(xiàn)象也時有發(fā)生。針對上述問題，本文根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)生活習(xí)慣[6]，設(shè)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(shè)備進行控制，還可以實現(xiàn)寢室的防火防盜等功能，使學(xué)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(xué)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(xué)生寢室生活質(zhì)量有一定提升。智慧寢室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，且學(xué)生可安全地自行架構(gòu)組裝，因此適于推廣。
1整體設(shè)計方案
根據(jù)學(xué)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(yīng)系統(tǒng)完成指令操作，實現(xiàn)對寢室門、燈光、窗等設(shè)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(shè)計
2.1門禁系統(tǒng)
門禁系統(tǒng)設(shè)計了密碼鎖和遠程開關(guān)門兩大功能。該設(shè)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(xué)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(guān)門功能。該功能可遠程控制開關(guān)門，能夠解決學(xué)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(guān)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(guān)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(guān)燈、遠程關(guān)燈兩項功能。該設(shè)計優(yōu)勢在于：（1）定時關(guān)燈功能。通過設(shè)定關(guān)燈時間定時自動關(guān)燈，解決當熄燈時因忘記關(guān)燈導(dǎo)致的燈長明或因去上課忘記關(guān)燈等原因造成浪費的問題。（2）遠程開、關(guān)燈功能。通過手機遠程控制開、關(guān)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(shè)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(guān)燈功能。遠程關(guān)燈功能與遠程開關(guān)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(guān)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(guān)窗功能。當學(xué)生因上課等原因而無人在寢室、且未關(guān)窗時，如遇雨天則可能導(dǎo)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(guān)窗的情況時，可以通過雨天自動關(guān)窗功能進行關(guān)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?zāi)K、微動開關(guān)、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(guān)作為檢測開關(guān)，檢測窗當前狀態(tài)是開或關(guān)；關(guān)窗時微動開關(guān)導(dǎo)通，開窗時微動開關(guān)斷開。自動窗系統(tǒng)啟動時，當雨滴檢驗?zāi)K檢測到水滴、且微動開關(guān)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(guān)窗，如果超時電機將停轉(zhuǎn)以防止對窗戶造成破壞。自動關(guān)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(shè)計必須要考慮的重要問題之一，因此本文設(shè)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(zāi)檢測、火災(zāi)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(shè)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(xué)生有危險發(fā)生；同時，通過WiFi模塊向所有用戶發(fā)出火災(zāi)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(zāi)警信號。防盜模塊主要由RCWL-0516微波雷達感應(yīng)開關(guān)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(yīng)開關(guān)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(shè)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(guān)硬件拓展包后可以在示例的基礎(chǔ)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(yīng)用軟件開發(fā)
智慧寢室系統(tǒng)的應(yīng)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(shè)備端、服務(wù)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(chǔ)上進行開發(fā)。開發(fā)時通過調(diào)用封裝好的相應(yīng)設(shè)備的函數(shù)簡單地對I/O口進行定義設(shè)置即可達到控制設(shè)備的目的。其中控制設(shè)備運行的關(guān)鍵代碼如下：填寫以上代碼即可實現(xiàn)設(shè)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(yīng)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(xué)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(guān)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(yīng)開關(guān)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(shè)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(shè)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(xué)生的寢室生活提供便利，提高學(xué)生寢室生活質(zhì)量，對于學(xué)生宿舍的智能化建設(shè)具有一定現(xiàn)實意義。注：本文通訊作者為張敏。
參考文獻
[1]譚竣耀，張慶榮.物聯(lián)網(wǎng)工程的發(fā)展與應(yīng)用[J].數(shù)字通信世界，2017，13（9）：251.
[2]吳永斌，濮永仙，肖坤娥，等.學(xué)生宿舍人臉識別考勤系統(tǒng)設(shè)計[J].軟件導(dǎo)刊，2020，19（6）：113-116.
[3]胡橙鳳.基于B/S架構(gòu)高校宿舍管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電腦知識與技術(shù)，2020，16（6）：61-62.
[3]周紅軍.基于B/S架構(gòu)高校學(xué)生管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2013.
[4]覃勇，尉成玉.基于B/S結(jié)構(gòu)的高校宿舍管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].信息與電腦（理論版），2016，10（24）：137-139.
[5]朱靜宜.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校園建筑能耗智慧監(jiān)控平臺設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2020，10（8）：39-41.
[6]陳周閱.智慧教室建設(shè)問題與建議思考[J].教育教學(xué)論壇，2020，12（3）：286-287.
[7]崔業(yè)璞，王長磊，唐浩譽，等.智能寢室[J].電子產(chǎn)品世界，2014，22（11）：30-32
[8]謝志進，李澤宇，呂程.Keil實現(xiàn)不同功能的程序的拼接方法[J].科技經(jīng)濟導(dǎo)刊，2019，27（11）：35.
作者：張昊霖 張敏 曹大焱 董偉寧 朱笑瑩 單位：遼寧工程技術(shù)大學(xué)
