基于物聯網技術的智能宿舍系統設計

林躍森，曾海杰，梁嘉誠，溫漢清

（廣東石油化工學院 廣東 茂名 525000）

1 引言

近年來，國內外校園宿舍火災頻發。教育事業是整個國民經濟社會的重要組成部分。而學校作為承載教育事業的主要窗口和受理單元，目前為止仍多以人口密集場所的形式出現。學校的健康發展和安全經營，對于經濟社會的發展穩定有著重要影響，在當前強調科學發展，以人為本的大背景大形勢下，學校的宿舍安全管理工作顯得更加重要。隨著科學技術的不斷進步，當代年輕大學生對生活的智能化要求也越來越高，將物聯網技術應用于學生宿舍，為當代大學生提供更安全、更智能的宿舍生活環境已經成為一個研究話題[1]。

2 系統整體設計

智能校園宿舍系統是一個基于物聯網技術[2]、計算機網絡系統，為簡便現代大學生宿舍生活、提高宿舍安全而設計的系統[3]，該系統的設計方案如下：以STM32為數據處理中心，通過設計一款可用來監測用電功率的智能排插來監測學生宿舍違規電器使用情況，并可在超過設定功率閾值時自動進行斷電處理，以此來保障學生宿舍用電安全，且設計多種場景模式，來對學生宿舍里的燈光、門、窗簾等進行智能控制，并通過MQ-2煙霧傳感器、DHT11溫濕度傳感器與光敏傳感器實時采集高校宿舍內的環境信息，并采用ZigBee模組進行組網，以樹莓派作為網關和用戶端進行通信，實現遠程控制和遠程監測的目的。學生可通過開發的移動端APP對宿舍內聯網設備進行遠程操作，并且宿舍管理人員可通過PC端上位機對學生宿舍用電情況進行實時監測，規范學生用電，減少火災發生率。

2.1 硬件設計

2.1.1 主控芯片

本系統采用STM32F103ZET6作為主控芯片，其采用Cortex-M3嵌入式處理器32位內核，由于特有的thumb-2指令集，所以其軟件編程非常方便且靈活采用，并且STM32F103XX外設資源也十分豐富，通信接口有：3個12位ADC，2個IIC和3個SPI通信接口，5個串口等，滿足于本系統的開發。

2.1.2 智能排插

智能排插主要是用于統計用電量和監測學生宿舍的違規電器。根據高校要求，學生宿舍禁止使用大功率電器，在此基礎上設計了一個可用于監測功率和用電量的智能排插，采用HLW8032電流電壓采集計量模塊與普通排插、繼電器組成，當學生在宿舍使用超過1000W以上的電器時，系統會進行斷電處理、發出警告信息，并上報宿舍管理人員。

2.1.3 環境監測

該功能主要由煙霧傳感器、溫濕度傳感器和光敏傳感器實現，通過煙霧檢測模塊和溫濕度檢測模塊共同檢測火災，以提高辨別的準確性。在系統中實現的主要功能是在發生火災時能快速檢測到并啟動宿舍火災應急措施。

本系統采用光敏電阻模塊來檢測周圍環境的光線的亮度，其原理是將光信號轉換為電信號，通過提前設定好光照強度閾值進而促使單片機控制窗簾上的電機，實現通過檢測環境的光線亮度改變，進而控制窗簾的開與關。

采用DHT11溫濕度傳感器模塊，該模塊具有體積小、功耗低、容易使用等特點，且其信號傳輸距離可達20 m以上，其溫度的測量范圍為0～50℃，濕度的測量范圍是20%～90%RH，測量的溫度為±2℃，濕度為±5%RH，溫度的分辨率為1度，濕度的分辨率為1%RH，滿足本次設計的需求。

采用MQ-2煙霧傳感器實現煙霧檢測功能，該模塊可用于家庭或宿舍的氣體泄漏監測裝置，適宜于液化氣、苯、烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測，具有靈敏度高、響應快、穩定性好、壽命長、驅動電路簡單等優點。

硬件設計圖見圖1。

圖1 硬件設計圖

2.1.4 場景設計

針對學生宿舍生活作息和安全性考慮，設計了3種場景，分別為起床場景、休息場景、火災應急場景。根據不同的場景，系統會控制相對應的硬件來達到用戶想要的功能，并分為自動啟動和手動啟動。

2.1.5 物聯網關

宿舍內的多個硬件設備通過ZigBee組網[4]，樹莓派用作網關，具體實現是通過在樹莓派上寫入操作系統，搭建開發環境并編寫程序來實現一個網關功能。樹莓派與用戶端通過TCP的方式來通信；樹莓派作為服務器，用來接收協調器（ZigBee網絡）的數據，傳輸到用戶端，并使用ZigBee模塊，構建一個局域網。在學生宿舍中，其中有一個作為協調器，多個作為終端節點。終端節點分別布置宿舍門控制、燈光控制、窗簾控制等。協調器構建好這個局域網，讓終端節點加入；然后收集各個終端節點傳輸過來的數據，實現系統通信需求。學生可通過手機APP控制宿舍內的硬件設備，如控制電機開門、打開窗簾、關燈等。

2.2 軟件設計

該項目的軟件設計部分主要是通過手機端的APP[5]來實現，使用Java程序設計語言Android客戶端以及SQL Server數據庫共同完成開發。通過移動端我們可以監測到宿舍的煙霧熱量、溫濕度大小以及是否出現使用電器功率過大的情況，一旦出現危險情況則手機端的環境分析會自動發出危險告警信號。這時APP可以通過遠程控制直接斷開危險系數較高區域的設備，當危險系數在一個緊急邊緣時，則可以通過查詢用戶的信息，對所屬宿舍區域進行人工危險提示。

在系統架構層面，Spring MVC 3層架構是我們的主導，它是圍繞Servlet設計，將請求發送給控制器，接受客戶端通過Http請求響應調用后臺數據接口進行與后臺交互，然后通過模型對象，分派器來展示請求結果視圖。

在Android客戶端，系統一共開發出6大模塊，即登錄注冊：實現用戶的信息采集；宿舍信息：對宿舍信息的查看功能；數據檢測：對宿舍溫濕度、煙霧度的查看；環境分析：對宿舍環境實時報告；監控數據：對宿舍內氣體質量的動態檢測；個人中心：對用戶個人信息的增刪改查操作。

在服務器、數據庫上，主要設置有5大操作模塊，即終端連接、API交互、信息管理、日志文件以及數據存儲。由于涉及個人信息的數據存儲問題，所以在數據庫的設計上，我們給SQL設置了3層安全驗證層次，最大程度地保證存儲的高效性、安全性。

在APP與服務器交互方面，我們把終端設備通過API與Internet進行連接，是想對宿舍的控制與檢測，然后把后臺用到的數據都部署到服務器上，最后再傳到數據庫里進行存儲。功能搭建方面，首先用Android搭建一個UI界面，界面把所有的功能都顯示出來，流程圖見圖2。

圖2 軟件設計方面功能展示圖

3 系統測試總結

（1）對于違規電器監測和用電量統計，本系統設計功率報警閾值為1 000 W，即使用功率超過1 000 W會觸發警報機制，通過控制繼電器切斷電源，利用蜂鳴器模擬警告聲響，同時向宿舍管理人員發送宿舍違規信息。通過這個系統，讓學生養成規范用電的習慣和減少用電安全事故的發生。

（2）利用煙霧模塊和溫濕度模塊協同監測宿舍環境，提高火災監測的識別率和準確率，為學生提供有保障的宿舍安全環境，并且進行了場景設計，如模擬發生火災場景，系統會控制電路觸發報警器，并且第一時間控制宿舍門打開和使宿舍灑水器工作，并向宿舍管理者發送警報信息，以便其第一時間采取相關行動。

（3）系統采用ZigBee和樹莓派相結合的組網方式，通過使用多個ZigBee設備搭建局域網，并使用樹莓派作為網關與服務器進行通信。ZigBee具有成本低、可靠性好、模塊功耗低、網絡容量大等優點，從成本和實際使用效果方面考慮，ZigBee都非常適合項目需求。

（4）通過手機端，我們能夠掌握所有在APP上注冊的用戶的安全狀況，24 h全方位監控宿舍的危險系數。也可以通過軟硬件相結合，使得能夠遠程控制宿舍區域的設備，當出現危險情況時能夠及時發出危險警報，通過APP端實現設備的一鍵關閉狀態。

4 結語

智能校園宿舍系統是一個基于物聯網技術、計算機網絡系統為簡便現代大學生宿舍生活、提高宿舍安全而設計的系統。通過互聯網實現軟硬件的交互配合，使得APP能夠正常對宿舍進行實時數據分析、環境檢測、遠程控制操作以及通過服務器及數據庫對獲取到的數據進行采集。項目成果達到了理想效果，實現了宿舍的智能化[6]、高效化，最大程度地提高群居宿舍的安全性及其智能性。