林躍森，曾海杰，梁嘉誠，溫漢清

（廣東石油化工學(xué)院 廣東 茂名 525000）

1 引言

近年來，國內(nèi)外校園宿舍火災(zāi)頻發(fā)。教育事業(yè)是整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)社會的重要組成部分。而學(xué)校作為承載教育事業(yè)的主要窗口和受理單元，目前為止仍多以人口密集場所的形式出現(xiàn)。學(xué)校的健康發(fā)展和安全經(jīng)營，對于經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展穩(wěn)定有著重要影響，在當(dāng)前強(qiáng)調(diào)科學(xué)發(fā)展，以人為本的大背景大形勢下，學(xué)校的宿舍安全管理工作顯得更加重要。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，當(dāng)代年輕大學(xué)生對生活的智能化要求也越來越高，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于學(xué)生宿舍，為當(dāng)代大學(xué)生提供更安全、更智能的宿舍生活環(huán)境已經(jīng)成為一個(gè)研究話題[1]。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

智能校園宿舍系統(tǒng)是一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[2]、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為簡便現(xiàn)代大學(xué)生宿舍生活、提高宿舍安全而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)[3]，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如下：以STM32為數(shù)據(jù)處理中心，通過設(shè)計(jì)一款可用來監(jiān)測用電功率的智能排插來監(jiān)測學(xué)生宿舍違規(guī)電器使用情況，并可在超過設(shè)定功率閾值時(shí)自動進(jìn)行斷電處理，以此來保障學(xué)生宿舍用電安全，且設(shè)計(jì)多種場景模式，來對學(xué)生宿舍里的燈光、門、窗簾等進(jìn)行智能控制，并通過MQ-2煙霧傳感器、DHT11溫濕度傳感器與光敏傳感器實(shí)時(shí)采集高校宿舍內(nèi)的環(huán)境信息，并采用ZigBee模組進(jìn)行組網(wǎng)，以樹莓派作為網(wǎng)關(guān)和用戶端進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程監(jiān)測的目的。學(xué)生可通過開發(fā)的移動端APP對宿舍內(nèi)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，并且宿舍管理人員可通過PC端上位機(jī)對學(xué)生宿舍用電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，規(guī)范學(xué)生用電，減少火災(zāi)發(fā)生率。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 主控芯片

本系統(tǒng)采用STM32F103ZET6作為主控芯片，其采用Cortex-M3嵌入式處理器32位內(nèi)核，由于特有的thumb-2指令集，所以其軟件編程非常方便且靈活采用，并且STM32F103XX外設(shè)資源也十分豐富，通信接口有：3個(gè)12位ADC，2個(gè)IIC和3個(gè)SPI通信接口，5個(gè)串口等，滿足于本系統(tǒng)的開發(fā)。

2.1.2 智能排插

智能排插主要是用于統(tǒng)計(jì)用電量和監(jiān)測學(xué)生宿舍的違規(guī)電器。根據(jù)高校要求，學(xué)生宿舍禁止使用大功率電器，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)可用于監(jiān)測功率和用電量的智能排插，采用HLW8032電流電壓采集計(jì)量模塊與普通排插、繼電器組成，當(dāng)學(xué)生在宿舍使用超過1000W以上的電器時(shí)，系統(tǒng)會進(jìn)行斷電處理、發(fā)出警告信息，并上報(bào)宿舍管理人員。

2.1.3 環(huán)境監(jiān)測

該功能主要由煙霧傳感器、溫濕度傳感器和光敏傳感器實(shí)現(xiàn)，通過煙霧檢測模塊和溫濕度檢測模塊共同檢測火災(zāi)，以提高辨別的準(zhǔn)確性。在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的主要功能是在發(fā)生火災(zāi)時(shí)能快速檢測到并啟動宿舍火災(zāi)應(yīng)急措施。

本系統(tǒng)采用光敏電阻模塊來檢測周圍環(huán)境的光線的亮度，其原理是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過提前設(shè)定好光照強(qiáng)度閾值進(jìn)而促使單片機(jī)控制窗簾上的電機(jī)，實(shí)現(xiàn)通過檢測環(huán)境的光線亮度改變，進(jìn)而控制窗簾的開與關(guān)。

采用DHT11溫濕度傳感器模塊，該模塊具有體積小、功耗低、容易使用等特點(diǎn)，且其信號傳輸距離可達(dá)20 m以上，其溫度的測量范圍為0～50℃，濕度的測量范圍是20%～90%RH，測量的溫度為±2℃，濕度為±5%RH，溫度的分辨率為1度，濕度的分辨率為1%RH，滿足本次設(shè)計(jì)的需求。

采用MQ-2煙霧傳感器實(shí)現(xiàn)煙霧檢測功能，該模塊可用于家庭或宿舍的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣、苯、烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測，具有靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、壽命長、驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。

硬件設(shè)計(jì)圖見圖1。

圖1 硬件設(shè)計(jì)圖

2.1.4 場景設(shè)計(jì)

針對學(xué)生宿舍生活作息和安全性考慮，設(shè)計(jì)了3種場景，分別為起床場景、休息場景、火災(zāi)應(yīng)急場景。根據(jù)不同的場景，系統(tǒng)會控制相對應(yīng)的硬件來達(dá)到用戶想要的功能，并分為自動啟動和手動啟動。

2.1.5 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)

宿舍內(nèi)的多個(gè)硬件設(shè)備通過ZigBee組網(wǎng)[4]，樹莓派用作網(wǎng)關(guān)，具體實(shí)現(xiàn)是通過在樹莓派上寫入操作系統(tǒng)，搭建開發(fā)環(huán)境并編寫程序來實(shí)現(xiàn)一個(gè)網(wǎng)關(guān)功能。樹莓派與用戶端通過TCP的方式來通信；樹莓派作為服務(wù)器，用來接收協(xié)調(diào)器（ZigBee網(wǎng)絡(luò)）的數(shù)據(jù)，傳輸?shù)接脩舳耍⑹褂肸igBee模塊，構(gòu)建一個(gè)局域網(wǎng)。在學(xué)生宿舍中，其中有一個(gè)作為協(xié)調(diào)器，多個(gè)作為終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)分別布置宿舍門控制、燈光控制、窗簾控制等。協(xié)調(diào)器構(gòu)建好這個(gè)局域網(wǎng)，讓終端節(jié)點(diǎn)加入；然后收集各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)傳輸過來的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信需求。學(xué)生可通過手機(jī)APP控制宿舍內(nèi)的硬件設(shè)備，如控制電機(jī)開門、打開窗簾、關(guān)燈等。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目的軟件設(shè)計(jì)部分主要是通過手機(jī)端的APP[5]來實(shí)現(xiàn)，使用Java程序設(shè)計(jì)語言Android客戶端以及SQL Server數(shù)據(jù)庫共同完成開發(fā)。通過移動端我們可以監(jiān)測到宿舍的煙霧熱量、溫濕度大小以及是否出現(xiàn)使用電器功率過大的情況，一旦出現(xiàn)危險(xiǎn)情況則手機(jī)端的環(huán)境分析會自動發(fā)出危險(xiǎn)告警信號。這時(shí)APP可以通過遠(yuǎn)程控制直接斷開危險(xiǎn)系數(shù)較高區(qū)域的設(shè)備，當(dāng)危險(xiǎn)系數(shù)在一個(gè)緊急邊緣時(shí)，則可以通過查詢用戶的信息，對所屬宿舍區(qū)域進(jìn)行人工危險(xiǎn)提示。

在系統(tǒng)架構(gòu)層面，Spring MVC 3層架構(gòu)是我們的主導(dǎo)，它是圍繞Servlet設(shè)計(jì)，將請求發(fā)送給控制器，接受客戶端通過Http請求響應(yīng)調(diào)用后臺數(shù)據(jù)接口進(jìn)行與后臺交互，然后通過模型對象，分派器來展示請求結(jié)果視圖。

在Android客戶端，系統(tǒng)一共開發(fā)出6大模塊，即登錄注冊：實(shí)現(xiàn)用戶的信息采集；宿舍信息：對宿舍信息的查看功能；數(shù)據(jù)檢測：對宿舍溫濕度、煙霧度的查看；環(huán)境分析：對宿舍環(huán)境實(shí)時(shí)報(bào)告；監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)：對宿舍內(nèi)氣體質(zhì)量的動態(tài)檢測；個(gè)人中心：對用戶個(gè)人信息的增刪改查操作。

在服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫上，主要設(shè)置有5大操作模塊，即終端連接、API交互、信息管理、日志文件以及數(shù)據(jù)存儲。由于涉及個(gè)人信息的數(shù)據(jù)存儲問題，所以在數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)上，我們給SQL設(shè)置了3層安全驗(yàn)證層次，最大程度地保證存儲的高效性、安全性。

在APP與服務(wù)器交互方面，我們把終端設(shè)備通過API與Internet進(jìn)行連接，是想對宿舍的控制與檢測，然后把后臺用到的數(shù)據(jù)都部署到服務(wù)器上，最后再傳到數(shù)據(jù)庫里進(jìn)行存儲。功能搭建方面，首先用Android搭建一個(gè)UI界面，界面把所有的功能都顯示出來，流程圖見圖2。

圖2 軟件設(shè)計(jì)方面功能展示圖

3 系統(tǒng)測試總結(jié)

（1）對于違規(guī)電器監(jiān)測和用電量統(tǒng)計(jì)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)功率報(bào)警閾值為1 000 W，即使用功率超過1 000 W會觸發(fā)警報(bào)機(jī)制，通過控制繼電器切斷電源，利用蜂鳴器模擬警告聲響，同時(shí)向宿舍管理人員發(fā)送宿舍違規(guī)信息。通過這個(gè)系統(tǒng)，讓學(xué)生養(yǎng)成規(guī)范用電的習(xí)慣和減少用電安全事故的發(fā)生。

（2）利用煙霧模塊和溫濕度模塊協(xié)同監(jiān)測宿舍環(huán)境，提高火災(zāi)監(jiān)測的識別率和準(zhǔn)確率，為學(xué)生提供有保障的宿舍安全環(huán)境，并且進(jìn)行了場景設(shè)計(jì)，如模擬發(fā)生火災(zāi)場景，系統(tǒng)會控制電路觸發(fā)報(bào)警器，并且第一時(shí)間控制宿舍門打開和使宿舍灑水器工作，并向宿舍管理者發(fā)送警報(bào)信息，以便其第一時(shí)間采取相關(guān)行動。

（3）系統(tǒng)采用ZigBee和樹莓派相結(jié)合的組網(wǎng)方式，通過使用多個(gè)ZigBee設(shè)備搭建局域網(wǎng)，并使用樹莓派作為網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器進(jìn)行通信。ZigBee具有成本低、可靠性好、模塊功耗低、網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點(diǎn)，從成本和實(shí)際使用效果方面考慮，ZigBee都非常適合項(xiàng)目需求。

（4）通過手機(jī)端，我們能夠掌握所有在APP上注冊的用戶的安全狀況，24 h全方位監(jiān)控宿舍的危險(xiǎn)系數(shù)。也可以通過軟硬件相結(jié)合，使得能夠遠(yuǎn)程控制宿舍區(qū)域的設(shè)備，當(dāng)出現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí)能夠及時(shí)發(fā)出危險(xiǎn)警報(bào)，通過APP端實(shí)現(xiàn)設(shè)備的一鍵關(guān)閉狀態(tài)。

4 結(jié)語

智能校園宿舍系統(tǒng)是一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為簡便現(xiàn)代大學(xué)生宿舍生活、提高宿舍安全而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)軟硬件的交互配合，使得APP能夠正常對宿舍進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析、環(huán)境檢測、遠(yuǎn)程控制操作以及通過服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫對獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。項(xiàng)目成果達(dá)到了理想效果，實(shí)現(xiàn)了宿舍的智能化[6]、高效化，最大程度地提高群居宿舍的安全性及其智能性。