基于嵌入式的學生宿舍設備智能管理系統(tǒng)的設計

張秋晶 邱金波（廣東石油化工學院 廣東 茂名 525000）

基于嵌入式的學生宿舍設備智能管理系統(tǒng)的設計

張秋晶 邱金波
（廣東石油化工學院 廣東 茂名 525000）

利用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)建的智能化、信息化的學生宿舍設備管理系統(tǒng)，能夠提升學校對學生生活和學習的管理工作質(zhì)量，提高工作效率。本文給出了學生宿舍設備管理系統(tǒng)的分析、設計與實現(xiàn)過程。提出了使用嵌入式系統(tǒng)作為學生宿舍管理核心的思路，研究設計了一套基于嵌入式的學生宿舍設備管理系統(tǒng)。

學生宿舍設備管理；嵌入式系統(tǒng)；ZigBee

1.引言

目前，隨著初高中、高校的住校學生人數(shù)的不斷增加，給各個學校帶來了極大的管理壓力。學生宿舍設備采用集中管理的一個顯著的優(yōu)點，就是可以快速的獲得相關(guān)宿舍綜合數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析要求，從而能夠在第一時間內(nèi)掌握宿舍設備的動態(tài)信息。通過這種“集中式”管理的模式能夠顯著提高學生宿舍設備的綜合管理水平，同時也能夠為宿舍的管理部門已經(jīng)管理者創(chuàng)造一個快速、安全、準確、可靠的應用監(jiān)管平臺[1]。因此，本文提出一套基于嵌入式系統(tǒng)的學生宿舍設備智能控制系統(tǒng)。

2.系統(tǒng)總體框架

本系統(tǒng)主要由宿舍管理核心模塊、Zigbee通信模塊、安防模塊、燈光模塊、語音模塊、設備控制模塊以及上位機服務平臺組成。系統(tǒng)框架如圖1所示。由安防等采集信息的功能模塊采學生宿舍中的各種信息比如：燈光、煙火、紅外防盜等。通過無線Zigbee通信模塊傳輸至宿舍管理核心模塊，經(jīng)過處理后再上傳至上位機服務平臺，由平臺統(tǒng)一保存和發(fā)送相關(guān)控制命令控制相應的設備。

圖1 系統(tǒng)框圖

3.系統(tǒng)硬件電路設計

3.1 宿舍管理核心模塊

系統(tǒng)處理器采用的是基于cortex－M3內(nèi)核的STM32F103VET6[3]。這款芯片屬于STM32系列增強型微處理器，工作頻率可達到72MHz，保證了核心模塊對整個學生宿舍環(huán)境檢測產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)的處理速度，同時支持RISC指令集，即可以移植嵌入式實時操作系統(tǒng)，大大拓寬了對整個系統(tǒng)軟件設計要求。

3.2 Zigbee通信模塊

CC2530是TI公司為Zigbee無線數(shù)據(jù)傳輸設計的一款專用芯片，而且它能夠以非常低的總體成本建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點，適合學生宿舍這種人員密集型、數(shù)量需求大的場合。CC2530芯片工作時具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)[2]。通信模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。模塊采用直流5V供電，經(jīng)電源芯片LM3117轉(zhuǎn)換成3.3V 為CC2530芯片和看門狗電路供電，接收指令或數(shù)據(jù)后通過串口發(fā)送至單片機。

圖2 zigbee通信模塊結(jié)構(gòu)

3.3 設備控制模塊

模塊負責控制學生宿舍中一些典型的電氣設備，比如空調(diào)、風扇、電動窗簾、電動晾衣桿等。模塊通過Zigbee通信模塊接收來自管理核心模塊的控制指令，分別以紅外通信的模式控制空調(diào)、以電動機械的模式控制風扇、電動窗簾等。在智能控制上可以實現(xiàn)當室內(nèi)溫度超過設定溫度時，在休息時間自動開啟空調(diào)制冷；當室內(nèi)濕度超過設定濕度時開啟空調(diào)抽濕功能；當遇上雷雨天氣而學生無法趕回宿舍的情況下，控制電動晾衣桿縮回室內(nèi)避免淋濕等。

3.4 燈光模塊

燈光模塊包含了對宿舍日光燈照明、書桌臺燈照明、洗浴廁所白熾燈照明、夜間LED照明以及緊急用電照明的控制，實現(xiàn)了對學術(shù)宿舍區(qū)域所有燈光的實時控制。有效的實現(xiàn)了對學生固定作息時間安排的控制，比如晚上固定時間熄燈休息，早上固定時間開燈起床，夜間上廁所自動開熄燈等。

3.5 安防模塊

安防模塊包括人體熱釋電傳感器模塊、紅外幕簾傳感器模塊、火災一氧化碳監(jiān)測模塊。其中，人體紅外熱釋電傳感器用以檢測人體發(fā)射的紅外線，以識別是否有人在傳感器的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)活動。紅外幕簾傳感器是安裝在宿舍的門窗旁邊用以監(jiān)測是否有人從門窗侵入。紅外幕簾傳感器也是監(jiān)測人體發(fā)射的紅外線來觸發(fā)報警的，探測區(qū)域就如同一個窗簾一樣把整個門窗范圍都罩住，一旦有人從門窗侵入就觸發(fā)傳感器節(jié)點產(chǎn)生報警并通知管理員，保障學生的生命財產(chǎn)安全。火災傳感器模塊用以監(jiān)測宿舍內(nèi)火災即將發(fā)生時環(huán)境的變化，比如說一氧化煙霧、火焰光、溫度等等，當檢測到宿舍內(nèi)的這些敏感量超過正常的標準時就預示著有火災發(fā)生，立即觸發(fā)傳感器節(jié)點產(chǎn)生火災報警和緊急處理工作，以保障宿舍內(nèi)人員和財物的安全。

3.6 語音模塊

語音模塊主要定點播報音樂、新聞、語音提醒，可以實現(xiàn)對學生的定點通知、新聞播報、音樂播報、實時提醒等功能。為學生的學習和生活帶來極大的便利，也為學校減輕相關(guān)的管理工作量。模塊采用芬蘭VLSI公司生產(chǎn)的芯片VS1003，這是一款M P3/WM A音頻解碼芯片[4]。模塊采用SD卡作為存儲器存儲日常使用的音樂、新聞等音頻文件，當播放命令達到時播放相應的音頻文件。當需要播放臨時通知或新聞時，模塊將通過Zigbee通信模塊接收相應的音頻文件并存儲，然后給其編號，再將標號發(fā)送給服務平臺以達到控制的效果。

4.系統(tǒng)服務平臺軟件設計

服務平臺采用Qt平臺編寫，可以實現(xiàn)多平臺運行(Windows、Linux)，適用面廣[5]。服務平臺啟動后首先初始化串口設置，接收來自核心管理模塊處理后傳輸?shù)牟杉瘮?shù)據(jù)，并保持到后臺數(shù)據(jù)庫中，供管理人員需要時查看。運行本服務平臺應用軟件時，當有數(shù)據(jù)發(fā)送至PC機串口，觸發(fā)串口接收信號槽，就會執(zhí)行串口讀取數(shù)據(jù)的操作。接收完數(shù)據(jù)后校驗數(shù)據(jù)的完整性以及正確性，并進行智能算法處理后，得到相應的控制指令，并將指令發(fā)送給核心處理模塊，由它實現(xiàn)對學生宿舍設備的統(tǒng)一管理控制。其軟件工作流程如圖3所示。

圖3 服務平臺軟件工作流程圖

5.結(jié)語

經(jīng)過實驗驗證該項目切實可行，解決了以下問題：（1）人工管理工作量大，效率低，智能化系統(tǒng)可有效解決人工方面的缺點。（2）智能系統(tǒng)自動采集學生宿舍環(huán)境信息并進行智能化判斷及處理。（3）無線傳感在應用上存在來自成本方面的阻力, 方案將采用最經(jīng)濟的解決方案。（4）使用者在管理界面可實現(xiàn)對學生宿舍的實時監(jiān)控及對智能設備的操作。（5）嵌入式系統(tǒng)為復雜的管理環(huán)境提供了強大的技術(shù)平臺支持，構(gòu)建了整個學生宿舍設備控制系統(tǒng)，適合各個不同層次的學校。

[1]許超.學生宿舍管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)信息與電腦(理論版) [J].科技風，2012,08(07) :237-239.

[2]羅剛,蔣學彬,涂熹薇等.油氣田有毒氣體泄漏預警與監(jiān)測系統(tǒng)研究[J]．鉆采工藝，2013(11)：116-118.

[3]鐘科.基于STM32的溫度測量系統(tǒng)[J].微處理機，2015(2)：64-66.

[4]洪家平.基于VS1003的解碼器的MP3播放器的設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2010(11):54-56.

[5]張鋒，李凱亮，曾俊林.嵌入式系統(tǒng)的太陽能雙電源系統(tǒng)設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2014(12):35-37.

TP1

A

1009-5624（2016）06-0068-03