張昊霖，張 敏，曹大焱，董偉寧，朱笑瑩

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125100）

0 引 言

隨著《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》的印發(fā)和持續(xù)推進(jìn)，“智慧校園”逐步在校園中推廣[1]。學(xué)生寢室作為學(xué)生校園生活的重要活動(dòng)場所，也受到了極大關(guān)注。目前，國內(nèi)外有許多學(xué)者對學(xué)生寢室的相關(guān)智慧化進(jìn)行了研究，但大多主要針對整個(gè)學(xué)生公寓以及整個(gè)學(xué)生群體。例如：吳永斌等設(shè)計(jì)了學(xué)生宿舍人臉識別考勤系統(tǒng)[2]；文獻(xiàn)[3-4]基于B/S架構(gòu)對高校宿舍管理系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)；朱靜宜基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了校園建筑能耗智慧控制平臺[5]。以上研究對于單個(gè)寢室內(nèi)部的智慧化所做工作較少，寢室內(nèi)部設(shè)備配備仍然普遍簡單。

目前學(xué)生寢室內(nèi)普遍采用上下鋪或上床下桌的配置，學(xué)生在上鋪時(shí)存在關(guān)燈不方便的問題。而由于學(xué)生獨(dú)立生活經(jīng)驗(yàn)相對較少，在寢室生活中，普遍存在著熄燈時(shí)沒關(guān)燈導(dǎo)致第二天起床時(shí)燈長明、下雨時(shí)因?yàn)闆]關(guān)窗導(dǎo)致寢室被淋濕，忘帶鑰匙導(dǎo)致被鎖門外等問題。此外，學(xué)生寢室失竊現(xiàn)象也是高等院校的一個(gè)“頑疾”[3]，因?qū)W生私接電器引發(fā)火災(zāi)的現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。

針對上述問題，本文根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)生活習(xí)慣[6]，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種智慧寢室系統(tǒng)。智慧寢室系統(tǒng)使用多種環(huán)境傳感器采集當(dāng)前環(huán)境信息[7]，其不僅能夠通過手機(jī)APP對寢室門、窗、燈等設(shè)備進(jìn)行控制，還可以實(shí)現(xiàn)寢室的防火防盜等功能，使學(xué)生寢室生活更加安全和便捷。筆者將本文系統(tǒng)安裝在某高校學(xué)生寢室內(nèi)，進(jìn)行了為期一周的實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有一定實(shí)用性，對學(xué)生寢室生活質(zhì)量有一定提升。智慧寢室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，且學(xué)生可安全地自行架構(gòu)組裝，因此適于推廣。

1 整體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)學(xué)生生活需求，本系統(tǒng)包括門禁系統(tǒng)、燈光控制系統(tǒng)、自動(dòng)窗系統(tǒng)和安全系統(tǒng)四部分。用戶可以通過手機(jī)APP連接校園網(wǎng)向?qū)嬍抑懈鱾€(gè)系統(tǒng)發(fā)送不同命令，使相應(yīng)系統(tǒng)完成指令操作，實(shí)現(xiàn)對寢室門、燈光、窗等設(shè)備的控制。智慧寢室系統(tǒng)工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 智慧寢室系統(tǒng)工作原理示意圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 門禁系統(tǒng)

門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)了密碼鎖和遠(yuǎn)程開關(guān)門兩大功能。該設(shè)計(jì)優(yōu)勢在于：

（1）密碼鎖功能。無需攜帶鑰匙就可以開寢室門，故能夠解決學(xué)生忘記帶鑰匙、丟失鑰匙而無法進(jìn)入寢室的問題。

（2）遠(yuǎn)程開關(guān)門功能。該功能可遠(yuǎn)程控制開關(guān)門，能夠解決學(xué)生忘記反鎖門以及需要臨時(shí)為他人開門等緊急問題。

門禁系統(tǒng)由主控模塊、密碼模塊、WiFi模塊和開鎖模塊四部分組成，各模塊具體工作原理如下：

（1）主控模塊

主控模塊采用高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的STC90C52RC單片機(jī)作為主控芯片，對系統(tǒng)進(jìn)行控制。通過檢驗(yàn)WiFi模塊與密碼模塊通信引腳間的電平變化，控制相應(yīng)模塊執(zhí)行指令，以達(dá)到操控系統(tǒng)的目的。

（2）密碼模塊

該模塊由矩陣按鍵、LCD1602、8個(gè)LED、有源蜂鳴器等器件組成。用戶通過矩陣按鍵輸入密碼，每輸入一個(gè)密碼點(diǎn)亮一個(gè)LED燈，并將輸入的密碼顯示在LCD1602顯示屏上。密碼輸入完成后通過單片機(jī)對接收到的矩陣按鍵電平信號進(jìn)行處理，并與設(shè)置的密碼進(jìn)行對比。若密碼正確，向開鎖模塊發(fā)送開鎖命令由開鎖模塊完成開鎖；若密碼不正確則蜂鳴器長鳴進(jìn)行報(bào)警。

（3）WiFi模塊

WiFi模塊主要由ESP8266-12E模塊組成。用戶可以應(yīng)用手機(jī)APP通過校園網(wǎng)向WiFi模塊發(fā)送開門的指令，當(dāng)WiFi模塊接到指令后通過改變定義引腳的電平高低與主控模塊進(jìn)行通信，主控模塊控制開鎖模塊進(jìn)行開鎖。

（4）開鎖模塊

本模塊的主要元件為SG90舵機(jī)。舵機(jī)與普通門鎖相連，當(dāng)收到開關(guān)鎖命令后，單片機(jī)通過輸出PWM信號控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到開關(guān)門鎖的目的。

門禁系統(tǒng)工作原理示意圖如圖2所示。

圖2 門禁系統(tǒng)工作原理示意圖

2.2 燈光控制系統(tǒng)

燈光控制系統(tǒng)主要具有定時(shí)關(guān)燈、遠(yuǎn)程關(guān)燈兩項(xiàng)功能。該設(shè)計(jì)優(yōu)勢在于：

（1）定時(shí)關(guān)燈功能。通過設(shè)定關(guān)燈時(shí)間定時(shí)自動(dòng)關(guān)燈，解決當(dāng)熄燈時(shí)因忘記關(guān)燈導(dǎo)致的燈長明或因去上課忘記關(guān)燈等原因造成浪費(fèi)的問題。

（2）遠(yuǎn)程開、關(guān)燈功能。通過手機(jī)遠(yuǎn)程控制開、關(guān)燈，在床上對寢室燈光進(jìn)行控制，以達(dá)到提升寢室生活便利性的目的。

燈光控制系統(tǒng)由51單片機(jī)、WiFi模塊和舵機(jī)組成。該系統(tǒng)主要工作原理如下：將51單片機(jī)的定時(shí)器T0作為時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定時(shí)間后單片機(jī)通過PWM信號控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)關(guān)燈功能。遠(yuǎn)程關(guān)燈功能與遠(yuǎn)程開關(guān)門功能類似，都是使用手機(jī)與WiFi模塊進(jìn)行通信，通過51單片機(jī)控制舵機(jī)實(shí)現(xiàn)開關(guān)燈這一功能。

2.3 自動(dòng)窗系統(tǒng)

自動(dòng)窗系統(tǒng)具有雨天自動(dòng)關(guān)窗功能。當(dāng)學(xué)生因上課等原因而無人在寢室、且未關(guān)窗時(shí)，如遇雨天則可能導(dǎo)致寢室被雨淋濕而造成不必要的損失。自動(dòng)窗系統(tǒng)優(yōu)勢在于，出現(xiàn)上述無人在寢室且需要關(guān)窗的情況時(shí)，可以通過雨天自動(dòng)關(guān)窗功能進(jìn)行關(guān)窗，避免寢室被淋濕而造成損失。

自動(dòng)窗系統(tǒng)由51單片機(jī)、雨滴檢驗(yàn)?zāi)K、微動(dòng)開關(guān)、ULN2003電機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)組成。主要工作原理如下：以微動(dòng)開關(guān)作為檢測開關(guān)，檢測窗當(dāng)前狀態(tài)是開或關(guān)；關(guān)窗時(shí)微動(dòng)開關(guān)導(dǎo)通，開窗時(shí)微動(dòng)開關(guān)斷開。自動(dòng)窗系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)雨滴檢驗(yàn)?zāi)K檢測到水滴、且微動(dòng)開關(guān)檢測到窗戶處于打開的狀態(tài)，則單片機(jī)將控制步進(jìn)電機(jī)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行關(guān)窗，如果超時(shí)電機(jī)將停轉(zhuǎn)以防止對窗戶造成破壞。

自動(dòng)關(guān)窗系統(tǒng)工作原理示意圖如圖3所示。

圖3 自動(dòng)關(guān)窗系統(tǒng)工作原理示意圖

2.4 安全系統(tǒng)

寢室安全問題也是寢室設(shè)計(jì)必須要考慮的重要問題之一，因此本文設(shè)計(jì)了寢室安全系統(tǒng)，主要包括防火模塊與防盜模塊兩部分。該系統(tǒng)具有火災(zāi)檢測、火災(zāi)報(bào)警、人員檢測等功能，能夠在發(fā)生危險(xiǎn)之初進(jìn)行報(bào)警，降低危險(xiǎn)帶來的損失。

防火模塊由51單片機(jī)、MQ-135有害氣體檢測傳感器、DHT11溫濕度傳感器、蜂鳴器組成，主要原理如下：MQ-135有害氣體檢測傳感器通過模擬量輸出電壓，通過檢測空氣中煙霧濃度的改變輸出電壓，煙霧濃度越高，輸出電壓越大。一旦電壓超過設(shè)定的閥值，單片機(jī)將會(huì)檢驗(yàn)到電平變化，從而控制蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，以提醒學(xué)生有危險(xiǎn)發(fā)生；同時(shí)，通過WiFi模塊向所有用戶發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號，用戶可以遠(yuǎn)程開門請求附近人員進(jìn)行幫助。而DHT11溫濕度傳感器具有檢測溫濕度的功能，當(dāng)傳感器檢測到寢室內(nèi)溫度高于50 ℃時(shí)，進(jìn)行報(bào)警并向所有用戶發(fā)出起火災(zāi)警信號。

防盜模塊主要由RCWL-0516微波雷達(dá)感應(yīng)開關(guān)與紅外光電反射傳感器組成，主要工作原理如下：紅外傳感器安裝在寢室門上方，檢測是否有人進(jìn)入寢室；RCWL-0516微波雷達(dá)感應(yīng)開關(guān)安裝在面向?qū)嬍覂?nèi)墻上，用于對寢室內(nèi)人員檢測；當(dāng)防盜系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，若模塊檢測到房間內(nèi)有人或有人進(jìn)入房間，蜂鳴器長鳴進(jìn)行報(bào)警。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件開發(fā)環(huán)境

智慧寢室系統(tǒng)采用Keil μVision4與Arduino IDE兩種軟件對硬件進(jìn)行開發(fā)。通過Arduino IDE完成對ESP8266-12E模塊與手機(jī)APP、51單片機(jī)之間通信程序的編寫，使用Keil μVision4完成對其他硬件控制代碼的編寫。

Keil是一款涵蓋C語言編譯的專業(yè)軟件開發(fā)系統(tǒng)， 具備宏匯編、庫管理和仿真調(diào)試等諸多功能，是當(dāng)代的主流編譯工具之一[8]。Arduino與Keil類似，但是與Keil相比，Arduino具有開源的優(yōu)勢且更易上手。Arduino在下載相關(guān)硬件拓展包后可以在示例的基礎(chǔ)上編寫程序，適合在短時(shí)間內(nèi)完成難度較高的硬件程序編寫。

3.2 應(yīng)用軟件開發(fā)

智慧寢室系統(tǒng)的應(yīng)用軟件是基于Blinker開發(fā)的，通過Blinker APP與智慧寢室系統(tǒng)的硬件進(jìn)行連接，以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的遠(yuǎn)程控制。

Blinker是一套跨平臺、跨硬件的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，其提供了手機(jī)APP端、設(shè)備端、服務(wù)端支持[9]，同時(shí)向用戶提供自定義布局圖形化操作界面，在滿足用戶要求的前提下極大地降低了使用難度。本系統(tǒng)通過在Arduino IDE添加Blinker庫，在開發(fā)文檔所給例程的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)。開發(fā)時(shí)通過調(diào)用封裝好的相應(yīng)設(shè)備的函數(shù)簡單地對I/O口進(jìn)行定義設(shè)置即可達(dá)到控制設(shè)備的目的。其中控制設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵代碼如下：

填寫以上代碼即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的基本運(yùn)行。

將程序編譯后，通過CH340模塊以USB轉(zhuǎn)串口的方式下載到WiFi模塊，即可實(shí)現(xiàn)通過此軟件連接校園網(wǎng)對硬件系統(tǒng)進(jìn)行控制。軟件操作界面如圖4所示。

圖4 軟件操作界面

4 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

這里將本系統(tǒng)應(yīng)用到寢室進(jìn)行了1周的測試，結(jié)果表明本系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，并提升寢室同學(xué)的生活質(zhì)量。門禁系統(tǒng)能通過密碼或手機(jī)遠(yuǎn)程操作實(shí)現(xiàn)開關(guān)門；燈光控制系統(tǒng)和自動(dòng)窗系統(tǒng)能正常工作且具有較高的穩(wěn)定性；紅外傳感器在能穩(wěn)定工作的條件下可以有效檢測18 cm內(nèi)人員進(jìn)出情況；當(dāng)溫度到達(dá)50 ℃時(shí)DHT11溫濕度傳感器可以實(shí)現(xiàn)正常報(bào)警；有害氣體檢測傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)閥值煙霧報(bào)警功能；RCWL-0516微波雷達(dá)感應(yīng)開關(guān)能夠有效的探測5 m范圍內(nèi)的人員運(yùn)動(dòng)情況且不會(huì)受到寢室外環(huán)境的影響。但在測試的過程中發(fā)現(xiàn)WiFi模塊若長時(shí)間工作會(huì)產(chǎn)生較多熱量需要做好散熱工作。由于受時(shí)間精力限制，該系統(tǒng)無法進(jìn)行更為完善的測試，筆者將基于本研究進(jìn)行進(jìn)一步的系統(tǒng)提升工作，以期實(shí)現(xiàn)更多功能。

5 結(jié) 語

本文給出了一種智慧寢室系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)方案，為寢室智能化提供了一條可行途徑。本系統(tǒng)可以通過手機(jī)完成對寢室門禁、窗戶、燈等設(shè)備的自由控制，同時(shí)具有防火、防盜功能。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行，能有效提高寢室的安全性，能為學(xué)生的寢室生活提供便利，提高學(xué)生寢室生活質(zhì)量，對于學(xué)生宿舍的智能化建設(shè)具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

注：本文通訊作者為張敏。