基于物聯網技術和Android系統的智能宿舍的設計與實現

章萬靜，徐義晗，劉長榮，周文技

（淮安信息職業技術學院，淮安223003）

0 引言

隨著科學技術不斷的進步，人們的生活水平也在不斷的提高，人們對生活的質量、快捷、方便和舒適的要求也會越來越高。而年輕的當代大學生更愿意接觸新生事物，他們思維獨立、追求個性，有較強的自我意識，對校園的教學質量、生活設施和學生管理有較高的要求。目前，學生宿舍生活條件較為簡陋，宜居性不高，管理效能低下，安全性差，失竊高發，防火防盜措施存在漏洞，隨著生活水平的提高，學生個性化需求的不斷增加，學生宿舍居住條件近年來較以前有所改善，但仍未形成“物聯生活”。因而，智能宿舍，將物聯網技術應用于學生宿舍，為當代大學生提供更安全、智能、方便、快捷的學習和生活場所必將成為歷史的必然[1]。

本文是在物聯網技術和Android系統的基礎上，以學生宿舍為研究對象，建立一個對學生宿舍環境實時監制與家電管理的智能化系統。系統以ZigBee近距離無線傳輸協議組建宿舍控制監測網絡[2]，采用CC2530作為子節點核心控制處理器，實現宿舍的燈光、空調、窗簾、安防、空氣監測等智能化控制，并通過增設服務器以及開發Android應用程序，實現手機或筆記本遠程對宿舍中的設備進行監測和控制。

1 系統整體設計

智能宿舍系統是一個基于物聯網技術，體系開放、結構松散而內部邏輯緊密的系統[3]，該系統的總體架構如圖1所示。宿舍內部控制網絡中，所有的環境數據通過溫濕度、氣體傳感器進行采集，并通過ZigBee子節點將采集到的數據發送到ZigBee協調器，終端PC通過串口將ZigBee協調器采集的數據讀取。在整個系統中終端PC即充當了服務端，也與Wi-Fi充當了宿舍網關，PC終端將宿舍的數據發送至云端服務器，在An?droid終端或筆記本終端可通過宿舍局域網對房中設備進行監測和控制。

1.1 系統硬件設計

（1）智能燈光

正常情況下，學生宿舍用電系統為交流電220V、50Hz，所以需要通過驅動電路來控制照明燈的開關。驅動電路如圖2所示，主要由光電耦合器MOC3032和可控硅T435兩部分組成，其中MOC3032光電耦合器能夠實現強弱電之間的電氣隔離。當CC2530控制芯片P23口輸出低電平時，MOC3032中1和2引腳控制的發光二極管就會導通，則MOC3023的4和6引腳兩端只要稍有壓差就會導通，并觸發可控硅Q4導通從而點亮照明設備[4]。反之，照明燈不會被點亮。

圖1 智能宿舍系統整體設計

圖2 智能燈光驅動電路

（2）智能窗簾

智能窗簾系統主要由電機、滑槽導軌、軸承、滾珠絲桿、滑移小車等部分構成，如圖3所示。電機選用DT52E-45/20靜音電機，窗簾的開合主要是通過電機的正反轉來實現的[5]，移動速度可達20cm/s。其工作原理是：電機通電啟動后，帶動滾珠絲桿轉動，動力將會作用滑移小車運動，從而帶動吊環移動，使窗簾打開或關閉。電機的正反轉控制電路如圖4所示。

（3）環境監測

宿舍內的環境參數需要使用傳感器實時采集，為其他智能設備控制和管理提供數據和策略支持。溫濕度參數使用DHT11傳感器，可同時測出環境的溫度和濕度，由于DHT11采用單總線數字輸出，具有尺寸小、響應時間短、可靠性高、穩定性好、價格低廉、容易使用等特點。DHT11硬件連接如圖5所示。

圖3 智能窗簾系統總裝圖

圖4 電機正反轉的控制電路

圖5 DTH11硬件控制圖

氣體參數采用MQ-2煙霧傳感器，可以用于氣體泄漏監測，可檢測常見氣體包括天然氣、酒精、甲烷、一氧化碳等氣體。該傳感器具有靈敏度好、響應速度快、探測范圍廣、成本低，壽命長等優點，可直接使用5V開關電源直接進行供電。本文中不需要讀取具體的數值，外圍的驅動電路就更簡單，煙霧氣體的閾值可以設置為100ppm，硬件連接如圖6所示。

圖6 MQ-2硬件控制圖

（4）智能安防

智能安防主要采用OV公司生產的OV7670攝像頭進行視頻監控，該攝像頭可以在-30℃-70℃溫度范圍內工作，工作在2.5V-3.0V的電壓下，功耗非常低，硬件連接如圖7所示。

圖7 OV7670硬件控制圖

（5）智能空調

智能空調需要使用紅外進行控制，紅外控制主要由發送和接收兩部分組成，如圖8所示。而目前大部分家電均采用紅外一體化接收頭來接收紅外信號[6]，ZigBee子節點上安裝紅外發送裝置即可。ZigBee子節點接收到來自人為的操作空調的命令后，編碼調制成為一系列脈沖信號，通過紅外發射管發送紅外信號，由空調內置的紅外一體化接收頭接收紅外信號，同時對信號進行放大、檢波、整形得到TTL電平的編碼信號，空調就會自動的做出相應設置。

圖8 紅外發送和接收示意圖

1.2 系統軟件設計

系統硬件組網控制實現后，需要進行軟件開發，通過操作筆記本電腦或手機，從而遠距離啟動和控制硬件設施。智能宿舍系統軟件功能如圖9所示。

圖9 智能宿舍軟件功能圖

（1）Web服務端軟件功能設計

在本系統中Web端后臺管理系統共有6個模塊，分別為：

●注冊模塊：實現宿舍成員的注冊。

●登錄模塊：實現宿舍成員的登錄。

●房間管理：可對房間添加、刪除、修改。

●設備管理：可對房中的設備添加、刪除及設備信息的維護。

●模式選擇；用戶可以對宿舍設置回家模式、休息模式，也可以自定義模式。

●數據采集：通過溫濕度、氣體傳感器將房中的環境數據采集。

（2）Android客戶端軟件功能設計

在本系統中Android客戶端共有6個模塊，分別為：

●用戶登錄：實現用戶登錄。

●房間信息：可查看房中各個房間中的設備信息。

●環境數據：可以查看房中的溫濕度、氣體信息。

●設備控制：可對房間中設備進行控制。

●成員信息：可查看宿舍成員的信息。

●日志文件：可查看房中的日志文件。

（3）云端數據存儲功能設計

在本系統中Android客戶端共有1個模塊，為宿舍日志文件存儲。

2 系統軟件實現

系統的軟件設計分別利用HTML5和Strust2+Hi?bernate開發智能宿舍管理系統Web端管理程序，在串口通訊時采用觀察者設計模式，利用HTTP通信實現Web端與Android客戶端、云端服務器通信，其中服務端程序使用MyEclipse 2014進行開發，Android客戶端使用Android Studio及Android SDK包進行開發。其中，設備管理流程如圖10所示，Android移動端主界面如圖11所示。

圖10 設備管理流程圖

圖11 Android客戶端主界面

新增設備AJAX核心代碼為：

3 結語

本文所提出的智能宿舍解決方案，利用CC2530核心控制芯片和ZigBee技術實現各硬件節點的組網和控制[7]，通過軟件開發，實現了智能終端遠距離操作和控制[8]。完備的測試和充分的實際操作表明，該方案順應時代與科技的發展方向，在改善學生學習和生活環境的同時，增強了用戶體驗，具有較高的市場前景和實用價值。