基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智慧宿舍系統(tǒng)的設(shè)計

覃頌，歐城輝，張芮梅，張春美，丁慧仙，黃駟基

（廣西民族師范學(xué)院，廣西崇左，532200）

0 引言

全國各地高校每年都在擴(kuò)大招生，高校住宿人數(shù)不斷增加，學(xué)生的住宿問題，成為教育領(lǐng)域關(guān)注的重要問題之一。傳統(tǒng)的學(xué)校宿舍管理已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)適應(yīng)不了人們對學(xué)生宿舍管理的需求。學(xué)生宿舍是老師監(jiān)管不到的地方，是最容易發(fā)生校園暴力事件的地點。在我國，傳統(tǒng)學(xué)校的宿舍管理工作僅靠人工來管理，這不僅難度大，而且人工管理成本高，管理成效不佳，不能合理有效地管理住宿的學(xué)生。此外，學(xué)生宿舍的電路不僅復(fù)雜，而且老化程度高，容易發(fā)生火災(zāi)、電路短路、電路漏電等事故。這一系列安全隱患表明傳統(tǒng)的宿舍管理系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足當(dāng)今學(xué)校對學(xué)生宿舍的管理需要。針對這種情況，本文提出了“基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智慧宿舍系統(tǒng)的設(shè)計”，目的是制作一款基于嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)化的智能化、人性化、安全化、健康化、管理化的智慧宿舍系統(tǒng)，實現(xiàn)便捷化移動查寢，隨時了解學(xué)生歸離寢室情況，讓學(xué)生宿舍的人、事、物、盡在掌控。基于人臉識別、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的智慧宿舍使管理更智能、高效、安全。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)涵蓋硬件與軟件兩大方面，系統(tǒng)總體由主控芯片、門禁系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、安全消防系統(tǒng)、衛(wèi)生系統(tǒng)、本地監(jiān)控系統(tǒng)、手機(jī)APP 端七個部分組成。其中硬件方面包括STM32 單片機(jī)、K210 攝像頭、HMI 串口屏、物聯(lián)網(wǎng)模塊、語音播報模塊、電源穩(wěn)壓模塊等器件，軟件方面包括STM32 單片機(jī)的程序設(shè)計、基于易安卓開發(fā)的手機(jī)APP、HMI 串口屏的界面設(shè)計、OneNET 云平臺等相融合。系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控芯片

采用 STM32F103RCT6 單片機(jī)作為該系統(tǒng)的主控，主要負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收工作，通過自身的5 個串口分別與HMI 串口屏、ESP8266 物聯(lián)網(wǎng)模塊、K210 攝像頭相連接。主控芯片STM32F103RCT6 是一款高性能、低功耗的32 位微控制器，基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核，該款芯片包含高性能的RISC 內(nèi)核。這款單片機(jī)搭載了STMicroelectronics 公司開發(fā)的STM32F103 系列芯片，具有較高的性價比和廣泛的應(yīng)用范圍。256K 字節(jié)閃存，48K字節(jié)SRAM，CRC 計算單元，四個通用計時器，兩個高級控制計時器和兩個基礎(chǔ)計時器，51 個高速輸入輸出端口，三個SPI, 兩個I2C, 五個USART, 一個USB, 一個SDIO 和一個CAN 接口等諸多資源，其核心工作頻率可達(dá)72MHz，能夠很好地滿足本設(shè)計的要求，STM32F103RCT6 最小系統(tǒng)圖如圖2 所示。

圖2 STM32F103RCT6 最小系統(tǒng)圖

2.2 HMI 串口屏

HMI 串口屏分辨率可達(dá)800×480，屏幕清晰而且自帶多種控件，例如按鍵控件、文本控件、定時器控件等，并可以通過串口發(fā)送指令與主控芯片進(jìn)行信息交互。HMI 串口屏具有flash 容量，存儲容量為128 兆字節(jié)，掉電存儲容量為1K 字節(jié)，運行內(nèi)存為512K 字節(jié)，串口指令緩存區(qū)為4K字節(jié)，主控頻率為200MHz，并且可以進(jìn)行IO 口擴(kuò)展，并且自帶USART HMI 界面開發(fā)軟件，使得這款HMI 串口屏操作簡單、開發(fā)簡便、功能性強(qiáng)、使用范圍廣等優(yōu)點。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)模塊

物聯(lián)網(wǎng)模塊采用ESP8266，ESP8266 是一種低成本、高集成度、性能穩(wěn)定的Wi-Fi 模塊，適用于各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。它基于ESP8266EX 芯片設(shè)計，該芯片是一款高度集成的Wi-Fi SOC，集成了32 位Tensilica 處理器，CPU 時鐘工作頻率速度最高可達(dá)160MHz，具有完整的TCP/IP 協(xié)議棧和豐富的外圍接口，ESP8266 模塊支持802.11b/g/n Wi-Fi 協(xié)議，可以作為Wi-Fi 客戶端，能夠輕松地與各種Wi-Fi 設(shè)備連接。此外，它還支持作為AP 熱點，方便用戶構(gòu)建局域網(wǎng)。ESP8266 模塊可以通過SPI 協(xié)議，I2C 協(xié)議和串口（USART）等接口與其他外部設(shè)備進(jìn)行通信，通常使用串口（USART）與主控制器進(jìn)行通信，使用AT 指令集作為通信協(xié)議。主控制器可以通過發(fā)送AT 指令給ESP8266 來控制Wi-Fi 的連接、數(shù)據(jù)的接收發(fā)送，以及網(wǎng)絡(luò)相關(guān)配置。使用ESP8266 模塊，能夠通過數(shù)據(jù)上傳OneNET 云平臺，再通過手機(jī)APP 端獲取云平臺數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸流程圖如圖3 所示，ESP8266 模塊電路圖如圖4 所示。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸流程圖

圖4 ESP8266 模塊電路圖

2.4 K210 攝像頭

K210 攝像頭是一款高性能、高分辨率的攝像頭，適合多種應(yīng)用場景。它采用先進(jìn)的圖像傳感器和優(yōu)秀的光學(xué)設(shè)計，能夠提供清晰、細(xì)膩的影像。K210 攝像頭的水平視場角可達(dá)110 度，垂直視場角為70 度，能夠覆蓋較大范圍的監(jiān)控區(qū)域，減少監(jiān)控盲區(qū)。同時，攝像頭支持?jǐn)?shù)字變焦功能，可以根據(jù)各種需要調(diào)整焦距，方便觀察細(xì)節(jié)。具有雙核64 位處理器，總算力可達(dá)1TOPS，內(nèi)置多種硬件加速單元（KPU、FPU、FFT 等），并且擁有較好的功耗性能、穩(wěn)定性與可靠性。

2.5 電源穩(wěn)壓模塊

采用TPS54302 作為電源模塊芯片，TPS54302 是一款具有兩個集成式N 溝道的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管構(gòu)成的同步降壓轉(zhuǎn)換器，輸入電壓范圍為4.5V～28V，開關(guān)頻率在400kHz。并且具備內(nèi)部回路補償和5 毫秒的內(nèi)部軟啟動功能，降低了電源接通瞬間流入電源設(shè)備的峰值電流，同時也更大限度地減少了外部元器件數(shù)量。TPS54302實現(xiàn)恒定頻率，峰值電流模式控制，降低了輸出電容。TPS54302 器件具有一個集成式BOOT 穩(wěn)壓器，SW 引腳為高側(cè)NFET 與低側(cè)NFET 之間的交換節(jié)點連接，在BOOT引腳和SW 引腳之間連接一個100nF 的電容來為高側(cè)MOSFET 提供柵極驅(qū)動電壓，從而保證在溫度和電壓范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的特性。EN 引腳是啟用引腳，浮動EN 引腳使能。引腳FB 為變換器反饋輸入，用反饋電阻分壓器連接輸出電壓。該器件采用了電流模式控制，可以實現(xiàn)快速響應(yīng)和穩(wěn)定地輸出電壓，可生成±2.5%精密電壓基準(zhǔn)，具有高效率和高精度的特點。此外，TPS54302 還具有過電流保護(hù)、過溫保護(hù)和短路保護(hù)等功能，能夠有效保護(hù)系統(tǒng)的安全運行。當(dāng)調(diào)節(jié)輸出節(jié)點與FB 之前的電阻值時，輸出電壓也會隨之線性改變，由電阻R13 和R14 決定。

式中：Vout為輸出電壓，Vref為基準(zhǔn)電壓，通過公式計算得出輸出電壓，給主控芯片、HMI 串口屏、K210 攝像頭等各個模塊進(jìn)行供電，電源穩(wěn)壓模塊電路圖如圖5 所示。

圖5 電源穩(wěn)壓模塊電路圖

3 軟件設(shè)計

3.1 STM32 單片機(jī)的程序設(shè)計

先由主控芯片進(jìn)行初始化，然后再對DS1302 時間模塊、傳感器和K210 攝像頭進(jìn)行初始化，然后由K210 攝像頭對出入宿舍的人員進(jìn)行識別，當(dāng)識別到陌生人員進(jìn)出宿舍時，會通過語音播報模塊進(jìn)行播報，讓宿舍管理人員進(jìn)行處理，并對陌生人員進(jìn)行拍照保存。DS1302 時間模塊會進(jìn)行精準(zhǔn)地計時，我們可以對DS1302 模塊進(jìn)行寫入自己設(shè)計的時間，做好定時工作，保證語音播報模塊每隔固定時間就提醒一次，起到定時時鐘的作用。到了設(shè)計的門禁時間時，主控芯片會通過繼電器對舵機(jī)進(jìn)行控制對宿舍大門關(guān)閉，保護(hù)學(xué)生們的安全。這一過程由傳感器對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再將采集到的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)街骺匦酒?dāng)中，然后主控芯片根據(jù)采集到的信息進(jìn)行舵機(jī)、換氣扇開關(guān)等操作；然后再由ESP8266 將各種信息上傳到OneNET 云平臺，再由手機(jī)APP 端對OneNET 云平臺的數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取。智慧宿舍系統(tǒng)流程圖如圖6 所示。

圖7 ESP8266 鏈接OneNET 云平臺流程圖

3.2 手機(jī)App 的程序設(shè)計

E4A 又名易安卓，它基于谷歌的Simple 語言，實現(xiàn)使用該軟件的簡單語言可以幫助程序員輕松編寫Android 游戲和應(yīng)用程序。同時在這里不僅支持純中文編寫代碼，還支持開發(fā)者邊寫邊看效果，并且操作和其他軟件相比較簡單，不需要開發(fā)者擁有太多復(fù)雜的編程知識，僅需要擁有一點易語言的基礎(chǔ)即可快速的上手操作，提高了工作效率還擁有和易語言一樣的可視化開發(fā)環(huán)境，以及強(qiáng)大的智能語法提示功能，所以就算記不住英文關(guān)鍵詞也沒關(guān)系，只需要擁有一點易語言的基礎(chǔ)即可快速的上手操作使用起來。另外該軟件為用戶們提供了簡潔直觀的主界面，只要仔細(xì)關(guān)注就會發(fā)現(xiàn)其中的IDE 界面和易語言界面十分的相似，而且還可以直接在主界面中設(shè)置窗口設(shè)計器和代碼編輯器。通過這兩個功能即可快速地幫助用戶進(jìn)行可視化窗口設(shè)計和代碼編輯，除此之外還內(nèi)置了Android 開發(fā)包SDK，因此不需要使用的用戶再另外下載Java1.6 的開發(fā)包，JDK 就可以輕松地開發(fā)一個操作系統(tǒng)，十分方便。

3.3 HMI 串口屏的界面設(shè)計

在智慧宿舍系統(tǒng)中，STM32 單片機(jī)通過接收各種傳感器的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對智慧宿舍系統(tǒng)狀態(tài)的實時監(jiān)測和控制，再將采集到的數(shù)據(jù)信息，通過串口按照特定的通信協(xié)議發(fā)送給HMI 串口屏，然后在HMI 串口屏上顯示出來。

使用HMI 串口屏自帶的編程軟件USART HMI，這款編程軟件是基于C 語言的編程環(huán)境，HMI 串口屏可以支持電阻式觸屏和電容式觸屏，操作簡單方便。使用HMI 串口屏自帶的開發(fā)軟件，可以對HMI 串口屏的界面、按鍵、文本框、鍵盤等多種控件進(jìn)行設(shè)計，通過主控芯片的串口來與HMI串口屏進(jìn)行通信。在設(shè)計中通過特定的協(xié)議，可以將各種傳感器的數(shù)據(jù)上傳到HMI 串口屏，達(dá)到數(shù)據(jù)交互；可以通過串口屏來發(fā)送所編寫的指令給主控芯片，通過HMI 串口屏來操控器件動作。

3.4 OneNET 云平臺

OneNet 云平臺全稱OneNet Cloud Platform，是一個由中國移動打造的物聯(lián)網(wǎng)平臺，致力于為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供安全、可靠的連接和管理服務(wù)。OneNet 云平臺提供了一系列功能，包括設(shè)備管理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、規(guī)則引擎等，幫助用戶快速搭建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，使得開發(fā)者可以快速上手并進(jìn)行設(shè)備的接入和數(shù)據(jù)的采集降低開發(fā)成本和部署復(fù)雜度。OneNet 云平臺主要面向智能城市、智能交通、智能環(huán)保、智能農(nóng)業(yè)、智能能源、智能安防等領(lǐng)域提供物聯(lián)網(wǎng)解決方案。OneNet 云平臺具有簡單易用、高可靠性、安全保障、拓展性強(qiáng)、數(shù)據(jù)分析和可視化等特點。同時，OneNet 還支持多種通信協(xié)議，如CoAP、 MQTT、HTTP 等，以適應(yīng)各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入需求。ESP8266 鏈接OneNET 云平臺流程圖如圖7 所示。

4 結(jié)語

本文提出了一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智慧宿舍的系統(tǒng)設(shè)計，本設(shè)計結(jié)合手機(jī)APP 遠(yuǎn)程監(jiān)控、HMI 串口屏本地監(jiān)控等方式對智慧宿舍進(jìn)行實時監(jiān)控保護(hù)，并且具有K210 攝像頭對陌生人員進(jìn)行識別，能夠更好地保護(hù)學(xué)生們的安全，幫助老師和家長守護(hù)的學(xué)生安全。通過采用各種智能設(shè)備、系統(tǒng)和軟件，智慧宿舍為學(xué)生提供了更加便捷、舒適和安全的生活環(huán)境。當(dāng)今社會，智能化的宿舍管理系統(tǒng)更符合社會需求，本設(shè)計使管理人員更方便地對宿舍進(jìn)行監(jiān)管。在未來的發(fā)展中，智慧宿舍將會更加注重個性化需求，隨著5G、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，智慧宿舍也將實現(xiàn)更高程度的智能化和互聯(lián)互通，為學(xué)生創(chuàng)造更加美好的生活體驗。