智慧浴室管理系統的設計與實現

王國正，吳韶波，王 沖，楊霽琦，桑慶威

（北京信息科技大學 信息與通信工程學院，北京 100101）

0 引 言

疫情期間，各高校采取多種措施減少人員聚集，而公共浴室的洗浴人數常常不可控制，導致人員扎堆聚集。為了滿足防疫要求，急需合理控制洗浴人數，調配人員的洗浴時間。本文采用物聯網技術，基于傳感器、單片機等硬件以及HTTP協議棧和WiFi協議等軟件平臺對浴室溫濕度、人員流動和物資使用等情況進行檢測和控制，從而實現校園浴室的智能化管理。

1 需求分析

針對大學校園公共浴室的使用需求開展調研和分析，得到智慧浴室管理系統的需求如下：（1）衣柜預約與排隊，合理利用衣柜資源；（2）檢測環境參數，通過手機端小程序給出合理建議；同時在顯示屏顯示，調節電機控制參數；（3）設立租售機，解決洗浴用品忘記攜帶的問題；（4）控制洗浴人流量，實時監測使用衣柜及噴頭情況，通過小程序進行反饋。

2 方案設計

智慧浴室管理系統應用物聯網技術進行設計，通過RFID、溫濕度傳感器等信息傳感設備，按相關通信協議，將衣柜、噴頭等設施與互聯網相連接，進行信息交換和通信。其中物聯網技術的應用主要分為三大層面：感知層、傳輸層和應用層。應用HTTP協議進行網絡數據的獲取與傳輸，如圖1所示。

圖1 設計方案示意圖

2.1 智慧浴室管理感知層設計

浴室管理系統信息感知主要通過溫濕度傳感器和RFID技術實現。溫度傳感器采用DS18B20 防水型數字溫度傳感器。系統以PC機為上位主機，以單片機為核心的數據采集模塊為下位機，單片機與DS18B20 串接和通信，同時與PC機連在一起，構成三位一體的主從分布式控制系統。使用校園一卡通中的RFID進行身份識別與操作記錄，RFID用于版塊之間的數據交換，串聯起一個極其復雜的系統。當有持卡人的狀態被記錄時，這些狀態會被發往網關做進一步處理。

2.2 網絡層設計

網絡通信主要是采用短距離無線方式，將電磁波作為傳輸介質。無線組網可避免布線煩惱，防止浴室內部溫濕度較高對線圈的損壞，易于日常維護及故障檢測。

考慮到浴室不存在供電問題，且WiFi可以輕松接入校園網，方便信息上傳網關，智慧浴室管理系統中采用WiFi技術進行組網，基本配備包括WiFi模塊及一臺AP。

2.3 應用層設計

智能校園浴室管理系統建立了一個統一的標準化平臺，實現校園浴室內部各智能設備的互聯和信息共享，并通過Internet接口實現遠程監控。客戶端計算機或控制設備要獲取校園浴室設備的實時信息或執行控制必須通過Internet或其他遠程協議將請求或控制命令發送到校園浴室網關，由校園浴室網關處理并轉發給終端設備。

3 硬件實現

智能校園浴室主要應用STM32單片機作為下位機，同時應用溫濕度傳感器以及RFID設備。

租售機基本原理如圖2所示。使用嵌入式系統為學生提供洗浴用品，租售機使用LCD顯示屏幕，按鍵輸入完成商品選用以及支付，下方使用開關設備進行拖鞋的借用；內部設有紫外線殺菌燈，保證洗浴設備的整潔與無菌；側部設立折疊板凳，上方含有烘干機，通過設計濕度閾值控制開關，保證折疊板凳的正常使用，通過防水舵機控制折疊板凳的開合。

圖2 租售機基本原理

租售機服務流程如圖3所示。系統通過矩陣鍵盤來選擇貨物的種類與數量后自動售貨機提示投幣。自動售貨機的貨幣識別器對所投貨幣進行識別，根據金額大小將商品選擇權通過LCD液晶屏顯示給客戶；客戶按鍵選擇后，CPU控制芯片發出指令將所選商品從儲備料道中送達取物口，同時在租售機后臺進行商品數量的更新。

圖3 租售機服務流程

4 理論支持

4.1 排隊論模型的基本假設

在本文研究的智慧浴室管理系統中，將浴室噴頭以及衣柜稱為浴位服務設備，要求得到服務的人員稱為顧客，兩者組成一個隨機服務系統（即排隊系統）。為簡化這一排隊系統模型，現對該系統做如下假設：首先，先到先服務，即顧客進入系統后接受服務的順序是公平合理的；其次，假定每個浴室的服務性能是一樣的。

4.2 排隊論具體模型的構建

以本校為例，該智慧浴室管理中的排隊原理如下：

（1）排隊規則：結合我校公共浴室的實際情況，采用排隊服務機制。

（2）輸入過程：在此排隊系統中，顧客的來源和系統的容量都可看作是無限的，同時顧客的到達是隨機的，且進入系統的時間間隔相互獨立。假設系統中有個浴位可為顧客提供服務，并且各自的服務時間是相互獨立的，每個浴位的服務時間服從參數為（平均服務時間）的負指數分布。該系統的客源和容量無限，同時單位時間內進入系統的顧客流和每個浴位的服務時間分別服從參數為和的負指數分布。因此可將該隨機服務系統簡化為M/M/m模型表示。易知整個系統的服務設備使用強度=/（），并記單個服務設備的使用強度=/。

5 實踐結果

5.1 系統框架搭建

通過家居3D DIY和SketchBook設計浴室外觀和租售機外觀，如圖4所示。

圖4 浴室整體外觀設計

5.2 程序設計

軟件部分一方面應用騰訊云服務技術存儲用戶數據到數據庫中；另一方面應用微信小程序技術創建小程序，顯示浴室內部的情況，預約衣柜時用戶可以在小程序上自主完成相關操作。小程序界面如圖5所示。

圖5 小程序界面

學生根據程序界面顏色判斷浴位狀態，綠色代表正常，黃色代表已被使用，紅色代表故障，藍色代表已被預約。如果浴室的浴位已被預約完，可以點擊底部的“快速預約”進行排隊，可查看正在排隊的人數；通過騰訊云數據庫分析出預計等待的時間，有浴位時會有通知提醒，無須再前往浴室查看排隊的情況。通過JS邏輯完成用戶預約衣柜的流程，如圖6所示。通過服務器調用學生信息，每一位學生預約衣柜時響應后端處理函數，并確認預約。

圖6 預約衣柜的后臺數據處理

6 結 語

針對疫情期間高校傳統公共浴室在管理方式上存在的諸多不足，從硬件和軟件層面對現存浴室管理系統進行了改進。通過對智慧浴室管理系統的設計，解決了大學校園中經常出現的洗澡排隊以及洗浴用品忘帶、洗浴時間沖突等問題。系統采集的數據可以幫助學校后勤管理部門進一步了解學生的需求，如根據洗浴數據推斷浴室的清潔度、錯開洗浴高峰進行清潔等等。