李曉磊，王學(xué)賀

（菏澤醫(yī)學(xué)?？茖W(xué)校，山東 菏澤 274000）

0 引 言

近年來，宿舍發(fā)生火災(zāi)事件不斷發(fā)生，嚴(yán)重威脅著當(dāng)代大學(xué)生的人身安全與財(cái)產(chǎn)安全，也對(duì)學(xué)校的教學(xué)、生活秩序產(chǎn)生了較大的影響。對(duì)于當(dāng)代大學(xué)生，除了日常上課與室外活動(dòng)，其余大部分時(shí)間在宿舍中度過，對(duì)高校學(xué)生宿舍的安全性、舒適性也有較高的要求，在未來智能化高校學(xué)生宿舍將成為一種趨勢。本文以單片機(jī)為基礎(chǔ)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)出一套高校智能宿舍系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)宿舍內(nèi)溫度、濕度及火情情況實(shí)時(shí)檢測、顯示，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)能夠及實(shí)地報(bào)警，有效地減少宿舍火災(zāi)事件的發(fā)生。此外，當(dāng)學(xué)生出門時(shí)忘記關(guān)燈或空調(diào)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程關(guān)閉避免浪費(fèi)能源，為宿舍內(nèi)學(xué)生生活中不用移步即可完成電燈和空調(diào)開關(guān)提供了極大的方便。

1 整體方案研究

為了更加全面地檢測宿舍內(nèi)環(huán)境狀況，本系統(tǒng)采取了多元化參數(shù)檢測，主要包括宿舍內(nèi)溫度、濕度、煙霧濃度及火焰情況。在溫度、濕度檢測方面，采用DHT11一體式數(shù)字溫濕度傳感器；在火情檢測方面，由溫度、煙霧濃度與火焰情況作為判斷火情的重要參數(shù)，使用煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鬟M(jìn)行檢測；在顯示數(shù)據(jù)方面，本文采用12864液晶以及手機(jī)APP進(jìn)行顯示數(shù)據(jù)；在單片機(jī)與手機(jī)APP之間的數(shù)據(jù)傳輸方面，采用ESP8266 Wi-Fi無線傳輸模塊進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)。因此，本設(shè)計(jì)主要包含主控制器器模塊，溫濕度檢測模塊、火情檢測模塊、Wi-Fi無線傳輸模塊、液晶顯示及報(bào)警模塊、繼電器控制模塊及手機(jī)APP七部分組成，基于STC89C52單片機(jī)的智能宿舍系統(tǒng)整體電路圖如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)研究

2.1 主控制器模塊

本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為主控制器，該類型單片機(jī)功耗較低，內(nèi)部擁有定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、外部中斷以及全雙工串口通信功能，4組并行I/O接口具有輸入和輸出數(shù)據(jù)的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外圍電路的控制。STC89C52單片機(jī)主控制器電路主要包括電源、晶振以及復(fù)位電路，在本系統(tǒng)中單片機(jī)能夠?qū)Ω鞣N傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理、顯示，同時(shí)利用串口通信功能與ESP8266 Wi-Fi模塊進(jìn)行信息的傳輸。

2.2 溫濕度檢測模塊

本系統(tǒng)采用DHT11溫濕度傳感器檢測溫度、濕度。DHT11溫濕度傳感器是一款常用的工業(yè)級(jí)數(shù)字復(fù)合型傳感器，其內(nèi)部主要由電阻式感濕元件和NTC測溫元件組成。該傳感器模塊使用方便簡單，單總線數(shù)據(jù)輸出接口能夠直接與單片機(jī)外部I/O接口連接，DHT11溫度傳感器每次傳輸40位的數(shù)據(jù)，其中包含16位溫度數(shù)據(jù)、16位的濕度數(shù)據(jù)以及8位的校驗(yàn)數(shù)據(jù)，單片機(jī)根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得到溫度、濕度值，在本系統(tǒng)中DHT11傳感器與單片機(jī)的P2.0 I/O接口相連進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖1 系統(tǒng)整體電路圖

2.3 火情檢測模塊

為了更準(zhǔn)確地檢測宿舍內(nèi)的火情情況，本系統(tǒng)采用MQ2型煙霧傳感器和YL38火焰?zhèn)鞲衅髯鳛榛鹎闄z測模塊，兩種傳感器分別用來檢測宿舍內(nèi)的煙霧濃度以及是否存在火焰情況。煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鱾鞲衅骶哂袛?shù)字量和模擬量輸出模式，在本系統(tǒng)中煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅骶捎脭?shù)字量輸出模式，其輸出接口分別與單片機(jī)P1.1、P1.2 I/O接口相連接，當(dāng)宿舍內(nèi)的煙霧濃度或者火焰光譜超過傳感器預(yù)設(shè)閾值時(shí)傳感器輸出低電平，當(dāng)單片機(jī)接收到低電平信號(hào)后系統(tǒng)將進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)會(huì)在12864液晶屏幕和手機(jī)端APP中顯示火情檢測數(shù)據(jù)。

2.4 Wi-Fi無線傳輸模塊

ESP8266 Wi-Fi模塊是一個(gè)完整且體系化的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)解決方案，其支持STA、AP及STA+AP三種運(yùn)行方式，用戶可根據(jù)需求根據(jù)相應(yīng)的AT指令自行選擇運(yùn)行方式。ESP8266 Wi-Fi模塊是一款超低功耗且通信穩(wěn)定的無線傳輸模塊，本系統(tǒng)中，單片機(jī)接口P3.0、P3.1分別與Wi-Fi模塊的TX、RX接口連接，Wi-Fi模塊采用STA+AP運(yùn)行方式，當(dāng)Wi-Fi模塊連接入校園網(wǎng)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的聯(lián)網(wǎng)功能，能夠與手機(jī)端APP進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，當(dāng)沒有局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)可連接時(shí)，Wi-Fi模塊可以用其產(chǎn)生的熱點(diǎn)供用戶的手機(jī)端APP連接，從而實(shí)現(xiàn)較近距離的通信功能。

2.5 液晶顯示及報(bào)警模塊

本系統(tǒng)采用12864液晶模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，該類型液晶屏具有串行通信和并行通信兩種工作模式，本系統(tǒng)中采用并行通信模式，需將PSB控制端口需要設(shè)置為高電平狀態(tài)，八位數(shù)據(jù)口分別與單片機(jī)的P0端口相連，在數(shù)據(jù)顯示時(shí)，還需要按照時(shí)序要求分別對(duì)RS數(shù)據(jù)命令選擇端、R/W讀寫控制端進(jìn)行設(shè)置，在本系統(tǒng)中PSB、R/W、RS引腳分別接P2.4、P2.6、P2.7 I/O接口。液晶顯示模塊主要用來顯示宿舍內(nèi)的溫度、濕度以及火情情況。系統(tǒng)報(bào)警模塊主要由LED指示燈以及蜂鳴器兩部分組成，當(dāng)出現(xiàn)溫度、濕度過高或者出現(xiàn)火情時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。

2.6 繼電器控制模塊

繼電器模塊用來電控制燈和空調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，由于STC89C52單片機(jī)主控制器的I/O接口默認(rèn)狀態(tài)輸出高電平，所以在本系統(tǒng)中將繼電器模塊設(shè)置為低電平觸發(fā)模式。本系統(tǒng)中的兩路繼電器輸出端口直接與主控制器的I/O接口P1.3、P1.4相連接，當(dāng)主控制器輸出低電平時(shí)，繼電器處于常閉狀態(tài)，用電設(shè)備處于工作狀態(tài)；當(dāng)輸出高電平時(shí)，繼電器處于常開狀態(tài)，用電設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài)。

3 軟件系統(tǒng)研究

本系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)包括各模塊初始化程序模塊，測量程序模塊，顯示程序模塊、串口通信模塊以及手機(jī)端APP設(shè)計(jì)，軟件系統(tǒng)算法具體如下：

（1）初始化DHT11溫濕度傳感器、煙霧濃度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞒绦颍?/p>

（2）初始化ESP8266 Wi-Fi無線模塊程序，采用STA+AP混合模式，配置模塊連接的網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)置其產(chǎn)生熱點(diǎn)名稱及密碼，并建立服務(wù)器；

（3）開啟總中斷，設(shè)置串口中斷并建立其服務(wù)程序，與ESP8266 Wi-Fi無線模塊進(jìn)行通信。在執(zhí)行系統(tǒng)程序的過程中，當(dāng)手機(jī)端APP發(fā)送數(shù)據(jù)命令時(shí)，即觸發(fā)串口中斷程序，停止執(zhí)行當(dāng)前程序，執(zhí)行步驟（7）；

（4）運(yùn)行DHT11溫濕度傳感器、煙霧濃度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞒绦?，進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測；

（5）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處理完的數(shù)據(jù)進(jìn)行液晶顯示并通過串口通信發(fā)送至手機(jī)端APP顯示；

（6）判斷檢測到的數(shù)據(jù)是否達(dá)到火情報(bào)警預(yù)設(shè)值，若是，聲光報(bào)警，否則，返回執(zhí)行步驟（2）；

（7）中斷服務(wù)程序，判斷接收的數(shù)據(jù)命令類型，根據(jù)命令執(zhí)行控制電燈、空調(diào)用電器的繼電器開關(guān)操作，執(zhí)行完畢后繼續(xù)運(yùn)行中斷服務(wù)程序前的程序。

本文手機(jī)端APP是使用E4A易安卓軟件開發(fā)設(shè)計(jì)，E4A易安卓軟件是一款采用可視化開發(fā)環(huán)境，并支持中文代碼編寫及強(qiáng)大的智能編程語法提示功能，開發(fā)環(huán)境主要由設(shè)計(jì)區(qū)和代碼區(qū)兩部分組成，代碼區(qū)代碼主算法如下：

（1）創(chuàng)建主窗口，設(shè)置各標(biāo)簽背景顏色；

（2）連接服務(wù)器，各按鈕被激活可用，斷開服務(wù)器設(shè)置，各按鈕不可用；

（3）設(shè)置各按鈕及其執(zhí)行的動(dòng)作；

事件 主窗口.按下某鍵 （鍵代碼 為 整數(shù)型，傳址 屏蔽 為 邏輯型）

（4）接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行顯示，執(zhí)行動(dòng)作。

使用手機(jī)端APP時(shí)，首先需要進(jìn)行服務(wù)器IP地址和端口連接登錄，然后才能通過相應(yīng)的按鈕實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的查看和控制。

4 測試結(jié)果與分析

本文在硬件、軟件完成基礎(chǔ)上對(duì)智能宿舍系統(tǒng)溫度檢測、濕度檢測、火情報(bào)警及遠(yuǎn)程控制功能進(jìn)行了多次實(shí)際功能測試，其中電燈、空調(diào)用LED燈模擬，測試實(shí)物圖如圖2所示，測試結(jié)果如表1所示。測試結(jié)果表明：智能宿舍系統(tǒng)能有效地檢測宿舍內(nèi)溫度、濕度、煙霧濃度及火焰情況并進(jìn)行液晶實(shí)時(shí)顯示；溫度、煙霧濃度超過預(yù)設(shè)值以及檢測到火焰情況時(shí)均能進(jìn)行聲光報(bào)警；檢測結(jié)果能通過無線Wi-Fi通信技術(shù)實(shí)時(shí)顯示在手機(jī)端APP，手機(jī)端APP電燈、空調(diào)控制按鈕能夠?qū)ζ鋵?shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，基于STC89C52單片機(jī)研究的智能宿舍系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全部預(yù)設(shè)功能。

圖2 測試實(shí)物圖

表1 測試結(jié)果記錄

5 結(jié) 論

學(xué)生宿舍已不再是普通的休息場所，而是大學(xué)生密切關(guān)注的集休閑、學(xué)習(xí)、娛樂為一體的“第二家庭”。本文以單片機(jī)為為基礎(chǔ)，結(jié)合傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究設(shè)計(jì)了一種能夠提升宿舍居住環(huán)境的安全性與舒適性的智能宿舍系統(tǒng)，并通過功能測試研究了其性能。系統(tǒng)能夠有效地檢測宿舍內(nèi)物理環(huán)境，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警功能，同時(shí)還能夠通過手機(jī)端APP進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)，不僅能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測宿舍內(nèi)物理環(huán)境，還能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制宿舍內(nèi)用電設(shè)備。該系統(tǒng)功能穩(wěn)定，設(shè)計(jì)人性化，能為該類技術(shù)在未來高校宿舍應(yīng)用中創(chuàng)造基礎(chǔ)性條件。