基于物聯(lián)網(wǎng)的智能宿舍系統(tǒng)

摘 要：基于現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)概念，針對(duì)高校的學(xué)生公寓，這里搭建了一套智能宿舍系統(tǒng)，以便學(xué)校學(xué)生宿舍里的學(xué)生和管理人員享受到現(xiàn)代智能家居帶來(lái)的方便與便捷。系統(tǒng)以網(wǎng)頁(yè)形式面向兩類(lèi)用戶群，用樹(shù)莓派作為系統(tǒng)服務(wù)器，還包括有一系列相關(guān)的配套設(shè)備，包括改裝過(guò)后的宿舍門(mén)鎖，單獨(dú)設(shè)計(jì)的配套空調(diào)遙控器，溫度煙霧傳感器，還有遙控插線板等。

關(guān)鍵詞：智能宿舍系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；單片機(jī)；433M；樹(shù)莓派

1 系統(tǒng)的目的及意義

近年來(lái)，學(xué)生宿舍一直不夠智能化，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)宿舍的實(shí)時(shí)監(jiān)管。為了使同學(xué)的生活更加的便利，方便樓管精準(zhǔn)的維護(hù)宿舍的安全，我們開(kāi)發(fā)了一套宿舍智能管理系統(tǒng)，對(duì)宿舍內(nèi)的基本設(shè)備如插座和門(mén)鎖進(jìn)行了加裝433M無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)的改造，同時(shí)研制了濕度煙霧顯示報(bào)警器，通過(guò)手機(jī)或電腦平臺(tái)進(jìn)行操作，可達(dá)到遠(yuǎn)程控制門(mén)鎖開(kāi)關(guān)，電燈，空調(diào)開(kāi)關(guān)以及對(duì)宿舍環(huán)境監(jiān)控的目的。實(shí)現(xiàn)宿舍、管理人員、居住人員信息間的交流，達(dá)到智能宿舍系統(tǒng)關(guān)系的目標(biāo)。

2 總體設(shè)計(jì)

智能宿舍系統(tǒng)主要基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用ARM嵌入式系統(tǒng)與51單片機(jī)，利用無(wú)線傳感器技術(shù)、信號(hào)處理與通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體構(gòu)架。將宿舍的基本電器配置與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通訊來(lái)對(duì)用電器的進(jìn)行智能監(jiān)控和管理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)關(guān)宿舍門(mén)、對(duì)插座上的用電器進(jìn)行控制、并監(jiān)測(cè)宿舍環(huán)境等等功能，從而完成對(duì)宿舍的智能化管理。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依靠三層架構(gòu)，感知層，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層的主要功能是感知信息，在這個(gè)層面上包含了各種硬件設(shè)備，如加裝了單片機(jī)STC15W408AS和433M模塊的門(mén)鎖，插座，溫度煙霧顯示報(bào)警器等設(shè)備，采用無(wú)線通信、傳感器控制等技術(shù)，搭建中繼網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接各個(gè)感知層與網(wǎng)絡(luò)層，將用電器接收到的信息傳給網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層的基礎(chǔ)設(shè)施包括互聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)端，應(yīng)用了網(wǎng)絡(luò)融合、網(wǎng)絡(luò)傳送及無(wú)線通訊技術(shù)將信息傳給應(yīng)用層。用藍(lán)牙和433M通信模塊構(gòu)成通信節(jié)點(diǎn)使手機(jī)控制端嵌入樓內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)，依靠樹(shù)莓派搭建服務(wù)器實(shí)現(xiàn)宿舍內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)交換。應(yīng)用層則通過(guò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)處理等技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，分析，處理和呈現(xiàn)。該部分包含客戶端的Android應(yīng)用APP程序和樓管管理端的網(wǎng)頁(yè)兩部分。

2.1 感知層的實(shí)現(xiàn)

感知層包含了多種設(shè)備，核心技術(shù)是在宿舍各種用電器上加裝了單片機(jī)STC15W408AS和433M模塊以感知信息。STC15W408AS單片機(jī)是最新一代51集成電路芯片，具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。433M通信模塊無(wú)線通信頻段434MHz-437MHz，采用聲表諧振器SAW穩(wěn)頻，頻率穩(wěn)定度極高，適合多發(fā)一收無(wú)線遙控及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，在宿舍樓中穿墻能力較強(qiáng)，并且性價(jià)比高。二者構(gòu)成了最小系統(tǒng)。在這個(gè)層面上改裝的門(mén)鎖，插座，溫度煙霧報(bào)警器等設(shè)備，采用無(wú)線通信、傳感器控制等技術(shù)，構(gòu)成組成各種感知層設(shè)備，將用電器接收到的信息傳給網(wǎng)絡(luò)層。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層的實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用了網(wǎng)絡(luò)融合、網(wǎng)絡(luò)傳送及無(wú)線通訊技術(shù)將信息傳給應(yīng)用層。用藍(lán)牙和433M通信模塊構(gòu)成通信節(jié)點(diǎn)使手機(jī)控制端嵌入樓內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)；用STC15W408AS和433M通信模塊搭建中繼網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接各個(gè)感知層部分；依靠樹(shù)莓派搭建服務(wù)器實(shí)現(xiàn)宿舍內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)交換。

整個(gè)智能宿舍系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層部分主要分三部分實(shí)現(xiàn)：設(shè)備～組網(wǎng)（中繼）～終控（樹(shù)莓派端），與實(shí)際系統(tǒng)對(duì)應(yīng)為宿舍內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)～樓道內(nèi)的通信中繼器～宿舍樓服務(wù)器。其基礎(chǔ)設(shè)施包括互聯(lián)網(wǎng)和手機(jī)端。

在傳遞數(shù)據(jù)信息過(guò)程中，設(shè)備將信號(hào)發(fā)出，傳遞到中繼處補(bǔ)償信號(hào)衰減，為了方便層級(jí)管理，先將數(shù)據(jù)傳到一級(jí)中繼處，再傳到二級(jí)中繼處，擴(kuò)大傳輸距離，最后到終控處完成對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行集中管理和控制。終控處的實(shí)現(xiàn)基于樹(shù)莓派，用戶數(shù)據(jù)存在MySQL中。

我們?cè)O(shè)計(jì)的通信協(xié)議，使用類(lèi)ZigBee的方式自建組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)上下行的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)自下而上的三層結(jié)構(gòu)為設(shè)備，中繼，終端。他們之間的數(shù)據(jù)傳輸包分為四部分，分別是起始和終止的標(biāo)志位、信號(hào)發(fā)出的設(shè)備標(biāo)識(shí)號(hào)、數(shù)據(jù)最初來(lái)源的設(shè)備表示號(hào)和中繼ID構(gòu)成的路由表。依照這套協(xié)議，通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的模式，實(shí)現(xiàn)信息從服務(wù)器到設(shè)備之間的穩(wěn)定可靠的傳輸。

2.3 應(yīng)用層的實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用層即為搭建的智能宿舍平臺(tái)，包含學(xué)生用戶端的Android應(yīng)用程序和樓管管理端的網(wǎng)頁(yè)兩部分。

對(duì)于生活在宿舍的學(xué)生用戶群體，其可通過(guò)在該平臺(tái)上注冊(cè)為一般用戶，來(lái)對(duì)宿舍內(nèi)的電器開(kāi)關(guān)等進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制；對(duì)于宿舍樓的管理者用戶，其

可通過(guò)在該平臺(tái)上注冊(cè)為管理員，來(lái)對(duì)整棟樓所有宿舍進(jìn)行監(jiān)控與管理。使用電腦或手機(jī)都可實(shí)現(xiàn)對(duì)宿舍的監(jiān)控與操作。手機(jī)端可以直接通過(guò)433M轉(zhuǎn)藍(lán)牙串口模塊實(shí)現(xiàn)直接嵌入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)宿舍設(shè)備的控制。使用網(wǎng)頁(yè)端時(shí)，先進(jìn)行身份確認(rèn)，分為普通用戶和管理員兩個(gè)通道。管理員登錄后，可對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)所有宿舍進(jìn)行查詢和更改設(shè)置，既可以看到整棟樓的用戶數(shù)據(jù)和宿舍內(nèi)的情況匯總，也可對(duì)電器進(jìn)行操作，達(dá)到對(duì)宿舍監(jiān)督的作用，保證宿舍的安全。

3 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)

該套系統(tǒng)相比現(xiàn)在市場(chǎng)上已有的智能家居產(chǎn)品，我們的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積更大，而不是只限于一個(gè)路由器可以覆蓋到的地方；我們無(wú)線通信選用的頻段更低，穿墻性更好；同時(shí)設(shè)備改裝成本低，整套系統(tǒng)成本也可以降得很低，更貼近實(shí)際生活，實(shí)用性強(qiáng)，便于市場(chǎng)接受，便于系統(tǒng)推廣與應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

宋涵（1996-），男，漢族，西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院專(zhuān)業(yè)2014級(jí)學(xué)生。