基于嵌入式的學(xué)生宿舍設(shè)備智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張秋晶 邱金波（廣東石油化工學(xué)院 廣東 茂名 525000）

基于嵌入式的學(xué)生宿舍設(shè)備智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張秋晶 邱金波
（廣東石油化工學(xué)院 廣東 茂名 525000）

利用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)建的智能化、信息化的學(xué)生宿舍設(shè)備管理系統(tǒng)，能夠提升學(xué)校對(duì)學(xué)生生活和學(xué)習(xí)的管理工作質(zhì)量，提高工作效率。本文給出了學(xué)生宿舍設(shè)備管理系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程。提出了使用嵌入式系統(tǒng)作為學(xué)生宿舍管理核心的思路，研究設(shè)計(jì)了一套基于嵌入式的學(xué)生宿舍設(shè)備管理系統(tǒng)。

學(xué)生宿舍設(shè)備管理；嵌入式系統(tǒng)；ZigBee

1.引言

目前，隨著初高中、高校的住校學(xué)生人數(shù)的不斷增加，給各個(gè)學(xué)校帶來了極大的管理壓力。學(xué)生宿舍設(shè)備采用集中管理的一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)，就是可以快速的獲得相關(guān)宿舍綜合數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析要求，從而能夠在第一時(shí)間內(nèi)掌握宿舍設(shè)備的動(dòng)態(tài)信息。通過這種“集中式”管理的模式能夠顯著提高學(xué)生宿舍設(shè)備的綜合管理水平，同時(shí)也能夠?yàn)樗奚岬墓芾聿块T已經(jīng)管理者創(chuàng)造一個(gè)快速、安全、準(zhǔn)確、可靠的應(yīng)用監(jiān)管平臺(tái)[1]。因此，本文提出一套基于嵌入式系統(tǒng)的學(xué)生宿舍設(shè)備智能控制系統(tǒng)。

2.系統(tǒng)總體框架

本系統(tǒng)主要由宿舍管理核心模塊、Zigbee通信模塊、安防模塊、燈光模塊、語(yǔ)音模塊、設(shè)備控制模塊以及上位機(jī)服務(wù)平臺(tái)組成。系統(tǒng)框架如圖1所示。由安防等采集信息的功能模塊采學(xué)生宿舍中的各種信息比如：燈光、煙火、紅外防盜等。通過無(wú)線Zigbee通信模塊傳輸至宿舍管理核心模塊，經(jīng)過處理后再上傳至上位機(jī)服務(wù)平臺(tái)，由平臺(tái)統(tǒng)一保存和發(fā)送相關(guān)控制命令控制相應(yīng)的設(shè)備。

圖1 系統(tǒng)框圖

3.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 宿舍管理核心模塊

系統(tǒng)處理器采用的是基于cortex－M3內(nèi)核的STM32F103VET6[3]。這款芯片屬于STM32系列增強(qiáng)型微處理器，工作頻率可達(dá)到72MHz，保證了核心模塊對(duì)整個(gè)學(xué)生宿舍環(huán)境檢測(cè)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)的處理速度，同時(shí)支持RISC指令集，即可以移植嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，大大拓寬了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要求。

3.2 Zigbee通信模塊

CC2530是TI公司為Zigbee無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)的一款專用芯片，而且它能夠以非常低的總體成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，適合學(xué)生宿舍這種人員密集型、數(shù)量需求大的場(chǎng)合。CC2530芯片工作時(shí)具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)[2]。通信模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。模塊采用直流5V供電，經(jīng)電源芯片LM3117轉(zhuǎn)換成3.3V 為CC2530芯片和看門狗電路供電，接收指令或數(shù)據(jù)后通過串口發(fā)送至單片機(jī)。

圖2 zigbee通信模塊結(jié)構(gòu)

3.3 設(shè)備控制模塊

模塊負(fù)責(zé)控制學(xué)生宿舍中一些典型的電氣設(shè)備，比如空調(diào)、風(fēng)扇、電動(dòng)窗簾、電動(dòng)晾衣桿等。模塊通過Zigbee通信模塊接收來自管理核心模塊的控制指令，分別以紅外通信的模式控制空調(diào)、以電動(dòng)機(jī)械的模式控制風(fēng)扇、電動(dòng)窗簾等。在智能控制上可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)室內(nèi)溫度超過設(shè)定溫度時(shí)，在休息時(shí)間自動(dòng)開啟空調(diào)制冷；當(dāng)室內(nèi)濕度超過設(shè)定濕度時(shí)開啟空調(diào)抽濕功能；當(dāng)遇上雷雨天氣而學(xué)生無(wú)法趕回宿舍的情況下，控制電動(dòng)晾衣桿縮回室內(nèi)避免淋濕等。

3.4 燈光模塊

燈光模塊包含了對(duì)宿舍日光燈照明、書桌臺(tái)燈照明、洗浴廁所白熾燈照明、夜間LED照明以及緊急用電照明的控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)術(shù)宿舍區(qū)域所有燈光的實(shí)時(shí)控制。有效的實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生固定作息時(shí)間安排的控制，比如晚上固定時(shí)間熄燈休息，早上固定時(shí)間開燈起床，夜間上廁所自動(dòng)開熄燈等。

3.5 安防模塊

安防模塊包括人體熱釋電傳感器模塊、紅外幕簾傳感器模塊、火災(zāi)一氧化碳監(jiān)測(cè)模塊。其中，人體紅外熱釋電傳感器用以檢測(cè)人體發(fā)射的紅外線，以識(shí)別是否有人在傳感器的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)活動(dòng)。紅外幕簾傳感器是安裝在宿舍的門窗旁邊用以監(jiān)測(cè)是否有人從門窗侵入。紅外幕簾傳感器也是監(jiān)測(cè)人體發(fā)射的紅外線來觸發(fā)報(bào)警的，探測(cè)區(qū)域就如同一個(gè)窗簾一樣把整個(gè)門窗范圍都罩住，一旦有人從門窗侵入就觸發(fā)傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生報(bào)警并通知管理員，保障學(xué)生的生命財(cái)產(chǎn)安全。火災(zāi)傳感器模塊用以監(jiān)測(cè)宿舍內(nèi)火災(zāi)即將發(fā)生時(shí)環(huán)境的變化，比如說一氧化煙霧、火焰光、溫度等等，當(dāng)檢測(cè)到宿舍內(nèi)的這些敏感量超過正常的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)就預(yù)示著有火災(zāi)發(fā)生，立即觸發(fā)傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生火災(zāi)報(bào)警和緊急處理工作，以保障宿舍內(nèi)人員和財(cái)物的安全。

3.6 語(yǔ)音模塊

語(yǔ)音模塊主要定點(diǎn)播報(bào)音樂、新聞、語(yǔ)音提醒，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生的定點(diǎn)通知、新聞播報(bào)、音樂播報(bào)、實(shí)時(shí)提醒等功能。為學(xué)生的學(xué)習(xí)和生活帶來極大的便利，也為學(xué)校減輕相關(guān)的管理工作量。模塊采用芬蘭VLSI公司生產(chǎn)的芯片VS1003，這是一款M P3/WM A音頻解碼芯片[4]。模塊采用SD卡作為存儲(chǔ)器存儲(chǔ)日常使用的音樂、新聞等音頻文件，當(dāng)播放命令達(dá)到時(shí)播放相應(yīng)的音頻文件。當(dāng)需要播放臨時(shí)通知或新聞時(shí)，模塊將通過Zigbee通信模塊接收相應(yīng)的音頻文件并存儲(chǔ)，然后給其編號(hào)，再將標(biāo)號(hào)發(fā)送給服務(wù)平臺(tái)以達(dá)到控制的效果。

4.系統(tǒng)服務(wù)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)平臺(tái)采用Qt平臺(tái)編寫，可以實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)運(yùn)行(Windows、Linux)，適用面廣[5]。服務(wù)平臺(tái)啟動(dòng)后首先初始化串口設(shè)置，接收來自核心管理模塊處理后傳輸?shù)牟杉瘮?shù)據(jù)，并保持到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，供管理人員需要時(shí)查看。運(yùn)行本服務(wù)平臺(tái)應(yīng)用軟件時(shí)，當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送至PC機(jī)串口，觸發(fā)串口接收信號(hào)槽，就會(huì)執(zhí)行串口讀取數(shù)據(jù)的操作。接收完數(shù)據(jù)后校驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性以及正確性，并進(jìn)行智能算法處理后，得到相應(yīng)的控制指令，并將指令發(fā)送給核心處理模塊，由它實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生宿舍設(shè)備的統(tǒng)一管理控制。其軟件工作流程如圖3所示。

圖3 服務(wù)平臺(tái)軟件工作流程圖

5.結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該項(xiàng)目切實(shí)可行，解決了以下問題：（1）人工管理工作量大，效率低，智能化系統(tǒng)可有效解決人工方面的缺點(diǎn)。（2）智能系統(tǒng)自動(dòng)采集學(xué)生宿舍環(huán)境信息并進(jìn)行智能化判斷及處理。（3）無(wú)線傳感在應(yīng)用上存在來自成本方面的阻力, 方案將采用最經(jīng)濟(jì)的解決方案。（4）使用者在管理界面可實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生宿舍的實(shí)時(shí)監(jiān)控及對(duì)智能設(shè)備的操作。（5）嵌入式系統(tǒng)為復(fù)雜的管理環(huán)境提供了強(qiáng)大的技術(shù)平臺(tái)支持，構(gòu)建了整個(gè)學(xué)生宿舍設(shè)備控制系統(tǒng)，適合各個(gè)不同層次的學(xué)校。

[1]許超.學(xué)生宿舍管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)信息與電腦(理論版) [J].科技風(fēng)，2012,08(07) :237-239.

[2]羅剛,蔣學(xué)彬,涂熹薇等.油氣田有毒氣體泄漏預(yù)警與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J]．鉆采工藝，2013(11)：116-118.

[3]鐘科.基于STM32的溫度測(cè)量系統(tǒng)[J].微處理機(jī)，2015(2)：64-66.

[4]洪家平.基于VS1003的解碼器的MP3播放器的設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010(11):54-56.

[5]張鋒，李凱亮，曾俊林.嵌入式系統(tǒng)的太陽(yáng)能雙電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2014(12):35-37.

TP1

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1009-5624（2016）06-0068-03