基于云平臺的學生宿舍智能化管理系統

陳耀釗 李雪竹

摘 要：隨著高等教育的快速發展，高校的招生規模日益擴大，大學生宿舍管理也更加困難。大學生的數量日益增多，人工管理宿舍的弊端逐漸凸顯，而宿舍管理對于高校來說又是保證學生管理質量的重要部分，針對校園宿舍管理方面的難題，設計了一款基于云平臺的學生宿舍智能化管理系統，提高宿舍管理的質量與效率，保證學生的身心健康，為高校宿舍的管理提供諸多便利。

關鍵詞：云平臺;宿舍管理;高校大學生

宿舍是高校學子在校內的主要聚集地，也是除了課堂學習之外，最重要的生活與活動場所。但是根據最新的調查研究顯示，當代大學生在宿舍內的平均睡眠時間低于六小時。并且其中絕大部分是因為學習之外的原因熬夜從而沒有按時就寢睡覺，導致第二天精神萎靡，甚至無法按時起床，嚴重影響之后的學習生活。除此之外，平時在校期間，學生的外出與夜歸情況也都需要學校管理人員能夠及時掌握到。并且，每逢節假日，學生在放假時的離校情況，與放假后的返校情況也都是學生宿舍管理工作的重點之一。因此，設計一套基于云平臺的高校宿舍智能化管理系統，既能夠對學生在宿舍內的就寢與起床情況進行實時監測又可以對學生宿舍的人員流動情況進行實時的掌握。與此同時，還可以加強老師和學校管理人員對于學生實際生活動態的了解。讓老師全方位了解學生在宿舍內的生活情況，使其更加走進學生，更加融入學生的學習生活，更加有利于其對于學生的教育和管理。

一、高校宿舍管理現狀分析

（一）宿舍管理現狀

近年來，校園涌現出越來越多的信息管理系統，逐步覆蓋了校園內各類教學與管理業務，校園的管理水平和管理效率在各類系統的協助下取得了長足發展。每年的大學生人數都在增加，對高校來說每年的大學生宿舍管理越來越難。就現在來說大部分大學雖然在學生學籍管理方面應用了高效的信息系統，但管理方式仍以人工管理為主。高校的大學生宿舍管理大部分在使用這種傳統的管理方式，大部分的學生宿舍管理工作都是由宿管員和輔導員負責。這些管理工作對于宿管員和輔導員來說，既煩瑣工作量又大，而且會消耗大量的人力、物力和財力，從而不利于高校的長遠發展。

（二）宿舍管理系統現狀

目前，市場上出現過許多學生宿舍管理系統，其所提供的配置大多數都是站在學生的生活需求上面來設計的，如有：查詢水電費、繳納水電費，通過智能手機應用程序遠程控制宿舍的燈光、空調、窗簾、窗戶，盜竊預警、火災預警、使用大功率電器預警等。但是，無論是國內還是國外，站在老師、家長的需求上設計可監測學生就寢情況的學生宿舍管理系統少之又少。

二、系統設計方案

（一）系統整體設計

宿舍管理系統基于人體紅外傳感器、ZigBee、和OneNet云平臺，通過在寢室門和各床位上安裝的人體紅外傳感裝置采集數據，經ZigBee將數據傳送至子站，子站再將匯集到的數據經有線網絡傳送至OneNet云平臺，OneNet云平臺對數據進行存儲與處理，再根據用戶權限將數據傳送至App，實現一種高效的數據傳輸系統。系統整體運作流程如圖1所示。

（二）系統功能設計

（1）在App中實時查看宿舍人員流動情況及學生就寢情況。老師和家長通過在App中輸入學生的相關信息（學院、專業班級、學生姓名）便能查看到此時學生宿舍內有多少人，是否在床上睡覺，方便老師和家長對學生進行就寢管理，減少管理人員查寢的工作量。

（2）晚歸、晚睡及缺課消息的及時通知。若學生出現以下情況：超過學校規定的晚歸時間還未回寢室;到了半夜12點還未上床就寢;早上在有課的情況下未及時起床等，系統能及時發出報警信號，并將報警信號、報警類型、學生姓名、學生手機號碼上傳云平臺，老師與家長通過授權方式就能很方便查詢學生違規情況。對于特殊情況，如學生晚上未歸、睡懶覺不按時上課等信息，系統能以短信的方式及時反饋給輔導員和學生家長，方便輔導員與學生家長提醒學生及時糾錯。

（3）對返校情況的及時確定。目前，收假后學生的返校情況只能由學生管理員一一排查，或由班干排查后統一向學校匯報。這兩種方法不僅費時費力，且統計結果有可能與真實情況不符，這將嚴重影響到學生切身安全問題，同時使得學校和父母無法真正的了解學生是否安全到校。該系統可根據寢室人員流動情況變相的完成返校情況的檢查。

（4）云平臺中作息情況分析云平臺會根據傳感器采集到的信息統計出該生一周、一個月、一季度和一年的就寢時間，學生通過授權能在App查詢自己的統計數據，方便學生總結與反思前一段時間的生活作息狀況，便于學生主動養成健康的生活作息規律。

（5）對學生起床與就寢的提醒。若有課的時段，云平臺通過課表與單片機發送來的數據進行匹配，判斷是否有學生未及時起床或者未出門，如果學生未及時起床或未及時出門，單片機將控制揚聲器發出起床鈴聲或盡快出門的提示語，進行強制性干預，以減少大學生上課缺勤遲到的情況。如果有學生未及時就寢或及回歸情況，系統亦能以短信及語音方式予以提醒。功能如圖2所示。

三、宿舍智能化管理系統設計

（一）硬件感知系統

本系統分為檢測模塊和傳輸模塊，采用的主控制器是51單片機，型號是STC89C52RC，是STC公司生產的低功耗、高性能CMOS8位控制器，具有8K字節系列可編程Flash存儲器。

檢測模塊由HC-SR501人體紅外傳感器搭建，靈敏度高、可靠性強、超低電壓供電，有兩種觸發方式。門邊先后安放兩個傳感器，利用傳感器檢測到信號的先后順序判斷人員進出情況，用來統計宿舍內人數;在宿舍每個床位安放一個傳感器，用來檢測學生就寢狀況。寢室傳感器分布圖如圖3所示。

傳輸模塊采用E32-433T27D無線串口通信模塊，支持LoRa直序擴頻技術，低功耗，傳輸距離遠可達5000m以上，抗干擾能力強，擁有較高的保密性能。該模塊的通信接口為UART接口，與單片機連接采用串口通信全雙工模式進行數據的傳輸。利用MCU“中斷+定時器超時”的方式控制該模塊，一旦射頻模塊完成數據的接受或發送，立刻進入休眠模式，達到低功耗的目的。可通過對模塊的設置，使得模塊參數將會保存，即使掉電，也會在上電后依舊按照設置好的參數執行命令。模塊內有看門狗，在發生異常情況時，可及時重啟并按照之前的設置繼續工作。無線串口通信模塊將從單片機上所接收到的宿舍人數、就寢情況、睡眠時長等信息通過ZigBee無線網絡上傳至子站，完成數據的采集、整理與發送。

（二）網絡傳輸

該系統主要利用無線通信網絡將樓內的每一間宿舍分機與一棟宿舍的主機連接成一個網絡，通過ZigBee網絡將單片機收集的信息傳輸至子站，利用校園內的有線網絡將子站與云平臺連接并進行數據輸送，通過無線網絡發送至手機APP，實現對各宿舍情況的集中管理。

宿舍至子站的數據傳輸線路由Zigbee無線通訊模塊構成。ZigBee 是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議，具有成本低、功耗小、設備穩定可靠等優點。ZigBee網絡主要包含三種節點類型：ZigBee 協調器（ZigBee，Coordinator，ZC）、ZigBee路由器（ZigBee，Router，ZR）和終端節點（ZigBee，End，Device，ZED）。終端節點接收到來自單片機的數據，傳輸至路由器，路由器可以運行一個存放有路由協議的精簡協議棧，負責網絡數據的路由，實現數據中轉功能。協調器是網絡建立的起點，負責PAN 網絡的初始化，確定PAN的ID號和PAN操作的物理信道并統籌短地址分配，子站與每個傳感器之間有專屬的地址，并與傳輸至云平臺的有線網絡相連接。無線通信模塊與宿舍的單片機USB口相連接，單片機將檢測到的人體紅外傳感器數據通過串行口傳送到無線通信模塊。無線模塊接將收的信息，傳輸至子站。

子站接收到數據后，通過有線網絡傳輸到學校云平臺。有線傳輸技術最主要的特點就是需要借助于電纜或者光纜等傳輸介質完成信息傳輸，利用TCP/IP協議，并通過以太網進行傳輸。云平臺接收到傳輸來的數據并整合后，通過4G網絡發送至手機APP。4G網絡具有通信速度快、覆蓋范圍廣、通信靈活、高質量通信、頻率效率高且費用便宜的特點。網絡傳輸流程如圖4所示。

（三）云平臺

云服務器，可在廣域網或局域網內將硬件、軟件、網絡等系列資源統一起來，實現數據的計算、儲存、處理和共享。單片機將傳感器采集到的數據上傳到云服務器后，云平臺進行存儲與處理，當手機App用戶發送查詢請求時，與其建立連接并根據用戶所具有的權限，反饋相應的信息至手機App。在云服務器中建立數據庫，所述數據庫包含4個表，分別是：學生信息表、課程表、宿舍人員出入情況表和宿舍人員休息情況表，所述學生信息表用于存儲學生的姓名、學院、專業、班級、學號、電話號碼、登錄密碼、宿舍號、床位號等信息;所述課程表用于存儲全部班級的課程信息;所述宿舍人員出入情況表用于存儲宿舍號、宿舍內人數等信息;所述宿舍人員休息情況表用于存儲宿舍號、床位號和宿舍人員在床時間。OneNet是一款由中國移動打造的PaaS物聯網開放平臺，適配各種網絡環境和協議類型、支持各類傳感器和智能硬件的快速接入和大數據服務的云計算平臺開發工具，因此，采用OneNet搭建云服務器。設備終端在接入OneNet設備云之前，需在平臺網站注冊用戶賬號，登錄中國物聯網開放平臺官方網站即可用郵箱賬號注冊。之后用戶可憑借此賬號登錄OneNet設備云平臺首頁進行新建項目、新增設備、新增數據流、查看數據、新增觸發器、添加APIKEY、新建應用等操作，各項操作完成后，OneNet會為每個虛擬設備自動分配唯一的設備ID和PIKEY，憑借此時的設備ID和APIKEY可使智能硬件、遠程移動控制端與OneNet設備云建立TCP連接。在單片機將傳感器采集到的數據上傳到OneNet之前，需要給單片機配置與OneNet對應的設備ID與APIKEY，才可實現單片機與OneNet的互連。

單片機將傳感器采集到的數據上傳到云服務器后，云平臺進行存儲與處理，當手機App用戶發送查詢請求時，與其建立連接并根據用戶所具有的權限，反饋相應的信息至手機App。如圖5所示。

四、結論

本文設計了一種基于人體紅外傳感與無線通信的學生宿舍智能化管理系統，在不侵犯學生隱私的前提下，從傳統的查寢變為智能查寢，能有效幫助宿舍管理人員與學生管理人員對學生宿舍的管理，減輕了管理人員的勞動強度，也有利于節省學校在宿舍管理上的開支，同時也便于學生及時了解自己的作息習慣，以培養學生養成良好的生活、學習習慣，更大程度上的為學生、管理人員、家長提供方便。以實現一套更完善、更全 面、更智能，更便利，更簡潔的學生宿舍管理系統。

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