陸麗娟，劉亞榮，謝曉蘭

(桂林理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林541004)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能及云計(jì)算等技術(shù)的飛速發(fā)展，將新技術(shù)應(yīng)用在學(xué)校日常監(jiān)控管理中成為廣大學(xué)者研究的課題。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了一種物聯(lián)網(wǎng)下大區(qū)域校園智能視覺特征定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對校園人行道等區(qū)域的視覺特征定位；文獻(xiàn)[2-4]均以STM32為核心，通過各類傳感器模塊分別實(shí)現(xiàn)對學(xué)生宿舍火災(zāi)監(jiān)控、逃課監(jiān)控、環(huán)境溫濕度、人體溫度等的監(jiān)控；文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)的一種節(jié)約型智能學(xué)生宿舍管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對學(xué)生就寢情況、宿舍水電等的智能控制；文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一款基于人體紅外傳感與無線通信的學(xué)生宿舍智能管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生到校、就寢、學(xué)習(xí)情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控；文獻(xiàn)[7]采用人臉識(shí)別功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對學(xué)生的管理。然而，由于高校學(xué)生擁有電腦和智能手機(jī)的數(shù)量與日俱增，使得越來越多的大學(xué)生沉迷于網(wǎng)絡(luò)或手機(jī)游戲中，高校宿舍為這部分學(xué)生提供了最好的游戲場所[8]，總有部分同學(xué)或者寢室在休息時(shí)間段大聲喧嘩，或者聯(lián)網(wǎng)游戲，高分貝的噪聲不僅影響學(xué)生自己的身心健康，同時(shí)也嚴(yán)重干擾了周圍其他宿舍學(xué)生的休息。對于傳統(tǒng)的宿舍管理模式，對于熄燈后的大聲喧嘩現(xiàn)象，通常采用巡查監(jiān)聽并制止的方式，這種方式不僅效率較低，且會(huì)影響到其他宿舍學(xué)生的休息。目前大多數(shù)宿舍監(jiān)控系統(tǒng)一般只考慮學(xué)生人數(shù)的統(tǒng)計(jì)、煙霧報(bào)警等，卻忽略了休息時(shí)間段噪聲的影響[2-13]。鑒于此，本文采用以單片機(jī)為核心，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對每個(gè)宿舍人員數(shù)、煙霧隱患和休息時(shí)間段噪聲分貝的監(jiān)測，并將監(jiān)測情況實(shí)時(shí)發(fā)送到管理員手機(jī)，實(shí)現(xiàn)對各個(gè)宿舍的實(shí)時(shí)安全高效監(jiān)控。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

宿舍監(jiān)控管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括STM32單片機(jī)、聲音檢測電路、煙霧檢測電路、紅外計(jì)數(shù)模塊、LCD顯示屏、LED報(bào)警電路和GSM通信模塊。聲音檢測電路、煙霧檢測電路、紅外計(jì)數(shù)模塊分別采集宿舍的聲音、煙霧和人數(shù)，并將采集結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在LCD顯示屏，當(dāng)采集的煙霧或聲音分貝值超過設(shè)定閾值時(shí)，單片機(jī)將通過GSM模塊向管理員發(fā)送短消息，同時(shí)將宿舍編號發(fā)送到用戶的手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)管理員手機(jī)與單片機(jī)之間的信息交互。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)由STM32F103C8T6單片機(jī)、電源穩(wěn)壓與濾波電路、晶振電路、復(fù)位電路和擴(kuò)展接口電路等構(gòu)成[14-15]。如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

STM32F103C8T6單片機(jī)最小系統(tǒng)的工作頻率為72 MHz，含有兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，3個(gè)通用定時(shí)器和一個(gè)高級定時(shí)器，工作電壓在2.0～3.6 V。由于STM32F103C8T6單片機(jī)最小系統(tǒng)中，已經(jīng)含有了一些基礎(chǔ)的電路。因此，本設(shè)計(jì)將各個(gè)傳感器模塊電路、LED報(bào)警電路、時(shí)間顯示電路直接連接到單片機(jī)相應(yīng)管腳。

1.3 紅外計(jì)數(shù)模塊

紅外計(jì)數(shù)模塊采用紅外對管傳感器，如圖3所示。其工作電壓為5 V，DO引腳為信號口，當(dāng)檢測到有人時(shí)低電平輸出，檢測到?jīng)]有人時(shí)高電平輸出。此外，DO引腳通過5.1 kΩ的下拉電阻接入單片機(jī)的PB14口，使之保持低電平的狀態(tài)。

圖3 紅外計(jì)數(shù)電路

1.4 聲音檢測電路

聲音檢測電路采用聲音傳感器，如圖4所示。其工作電壓在3.3～5.3 V，DO引腳為數(shù)字量輸出接口，接到單片機(jī)的PB12口上，當(dāng)聲音強(qiáng)度達(dá)到閾值20 dB時(shí)，輸出低電平信號。

圖4 聲音檢測電路

1.5 煙霧檢測電路

煙霧檢測電路通過煙霧傳感器MQ-2來實(shí)現(xiàn)，電路如圖5所示。其工作電壓為5 V，通電后需要預(yù)熱20 s左右，測量的數(shù)據(jù)才穩(wěn)定。DO同樣也是數(shù)字量輸出接口，接到單片機(jī)PA0口上，當(dāng)煙霧濃度達(dá)到閾值時(shí)，輸出低電平。

圖5 煙霧檢測電路

1.6 LCD顯示電路

LCD顯示電路采用I2C端口擴(kuò)展芯片PCF8574與LCD1602相結(jié)合。以往通常用的是LCD的8根數(shù)據(jù)線和3根控制線E，RS和R/W與單片機(jī)相連接工作，但此連接方式占用的I/O口較多。因此，本文采用間接連接的方式控制LCD。為了減少接線數(shù)量，只采用LCD引腳DB4～DB7與單片機(jī)進(jìn)行通信，從而減少對控制中心I/O的需求。

PCF8574通過兩條雙向總線I2C可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程I/O擴(kuò)展，它包含一個(gè)8位準(zhǔn)雙向口和一個(gè)I2C總線接口，SDA引腳為數(shù)據(jù)線，SCL引腳為時(shí)鐘線，帶背光電源控制，對比度可調(diào)節(jié)。它不但電流消耗較低，且輸出鎖存，具有大電流驅(qū)動(dòng)實(shí)力，可直接驅(qū)動(dòng)LCD[16]。將擴(kuò)展芯片PCF8574的P4～P7雙向I/O口與LCD1602的DB4～DB7相連接，P0～P2口分別接到RS、RW和CS口。LCD1602顯示電路如圖6所示。

圖6 LCD顯示電路

1.7 時(shí)鐘顯示電路

時(shí)鐘顯示電路采用時(shí)鐘芯片DS1302，如圖7所示。工作電壓為2.0～5.5 V，與單片機(jī)之間采用同步串行的方式進(jìn)行通信，需3根 I/O線：串行時(shí)鐘(SCLK)、I/O數(shù)據(jù)線、復(fù)位(RST)。將DS1302的SCLK引腳與單片機(jī)的PB3引腳相連，DS1302的I/O引腳與單片機(jī)的PB4引腳相連，DS1302的RST引腳與單片機(jī)的PB5引腳相連。

圖7 時(shí)鐘顯示電路

1.8 LED報(bào)警電路設(shè)計(jì)

LED報(bào)警電路采用發(fā)光二極管和降壓模塊，電路如圖8所示。由于發(fā)光二極管的工作電壓為3.0～3.3 V，因此需要用到降壓模塊，將5 V電壓降低到3.3 V。紅色發(fā)光二極管接到單片機(jī)的PA4口，黃色發(fā)光二極管接到單片機(jī)的PA5口。

圖8 LED報(bào)警電路

1.9 GSM通信模塊電路設(shè)計(jì)

GSM通信模塊采用SIM800C，其電路如圖9所示。SIM800C的TXD口為模塊的串口發(fā)送引腳，RXD口為串口接收引腳，分別與單片機(jī)的PB10和PB11引腳連接。其他引腳保持懸空狀態(tài)。

圖9 GSM通信模塊電路

2 軟件程序設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主程序

本系統(tǒng)程序采用C語言在Keil5環(huán)境下編寫。主程序流程圖如圖10所示。

首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括單片機(jī)、GSM模塊、LCD1602等的初始化。然后開啟煙霧報(bào)警檢測，按鍵設(shè)置時(shí)間檢測，之后判斷是否在紅外計(jì)數(shù)模塊和聲音分貝檢測的時(shí)間范圍內(nèi)，是則進(jìn)行紅外計(jì)數(shù)檢測、聲音分貝檢測。紅外計(jì)數(shù)檢測判斷是否有人進(jìn)入，并統(tǒng)計(jì)進(jìn)入和外出人數(shù)，最后將宿舍統(tǒng)計(jì)人數(shù)實(shí)時(shí)發(fā)送給LCD1602顯示，否則結(jié)束程序；聲音分貝檢測判斷報(bào)警是否超過3次，是則GSM模塊發(fā)送短信到管理員手機(jī)，否則結(jié)束程序。

2.2 聲音檢測電路程序設(shè)計(jì)

聲音檢測電路實(shí)時(shí)檢測聲音信號的分貝值，當(dāng)聲音分貝值達(dá)到所設(shè)閾值20 dB時(shí)，警告次數(shù)加一，點(diǎn)亮紅色LED，當(dāng)警告次數(shù)大于3次且聲音分貝值仍然超過所設(shè)閾值時(shí)，GSM模塊發(fā)送短信通知管理員，否則結(jié)束程序。主程序流程如圖10所示。

3 系統(tǒng)測試

3.1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

在對本系統(tǒng)進(jìn)行測試時(shí)，結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)置系統(tǒng)各參數(shù)，見表1。

表1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

3.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)部署

本文所設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)擬采用的網(wǎng)絡(luò)部署圖如圖11所示。顯示屏布設(shè)在監(jiān)控室，實(shí)時(shí)顯示各宿舍人數(shù)。

1為紅外傳感器；2為煙霧傳感器；3為聲音傳感器圖11 學(xué)生宿舍監(jiān)控系統(tǒng)硬件部署圖

3.3 測試結(jié)果

根據(jù)設(shè)置參數(shù)，分別對聲音檢測電路、煙霧檢測電路、紅外計(jì)數(shù)模塊及其他電路進(jìn)行測試。其中，聲音檢測電路測試采用在聲音傳感器模塊附近放一段音樂來模擬噪聲，并觀察 LCD 上顯示時(shí)間是否在所設(shè)定時(shí)間段內(nèi)。在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)，隨著音樂聲音的增大，分貝值增高，當(dāng)超過預(yù)設(shè)值 20 dB 時(shí)，觀察紅色 LED 是否亮起，并且保持5 s，再次觀察 LED 燈是否熄滅；當(dāng)音樂聲音分貝值繼續(xù)超過20 dB時(shí)，紅色LED亮起3次后，GSM 模塊能否成功發(fā)送短信到設(shè)定好的手機(jī)上，短信內(nèi)容與所監(jiān)測的宿舍號是否一致。

煙霧報(bào)警檢測模塊采用在煙霧傳感器附近點(diǎn)一條蚊香或者點(diǎn)燃紙張來模擬大功率用電設(shè)備燒毀情況。紅外計(jì)數(shù)模塊檢測采用將手指放在紅外發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間來模擬人進(jìn)入和外出的狀態(tài)。

以上測試結(jié)果均達(dá)到了預(yù)設(shè)功能，如圖12、圖13所示。

圖12 GSM通信模塊測試結(jié)果圖

圖13 聲音檢測測試

4 結(jié)論

通過對所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行測試，并對比傳統(tǒng)宿舍監(jiān)控管理系統(tǒng)，得到以下結(jié)論：

1)利用煙霧傳感器和紅外對管傳感器實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)宿舍監(jiān)控系統(tǒng)檢測煙霧、人數(shù)統(tǒng)計(jì)的功能。

2)通過聲音傳感器檢測休息時(shí)間段宿舍噪聲情況，保障了同學(xué)們的休息時(shí)間。

3)通過LCD顯示屏可以讓宿舍管理員很清楚地看到每個(gè)宿舍學(xué)生的情況，便于統(tǒng)計(jì)宿舍人數(shù)。