基于Arduino的低成本智能宿舍監(jiān)控系統(tǒng)研究

黃利紅

(湖南軟件職業(yè)學院,湖南湘潭 411100)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了不同領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展的可能性,例如智能建筑等。隨著我國教育現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展,大量高等院校學生宿舍紛紛建成。這些建筑要滿足的不僅僅是單一性的功能需求,更要提供安全、綠色、便捷、智能的環(huán)境,宿舍管理人員也需要更加方便高效的管理手段。而現(xiàn)有的智能建筑系統(tǒng)往往存在著成本高,不易擴展和改造,缺乏系統(tǒng)聯(lián)動機制等缺陷?；贏rduino的低成本智能宿舍監(jiān)控系統(tǒng)是解決上述問題的一種可行方法。

1 現(xiàn)狀研究

物物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于建筑物,國外的先例出現(xiàn)在美國。1984年美國聯(lián)合科技集團對康涅狄格州哈特福德市的一座舊金融大廈進行改建,建成了世界上第一座智能大廈。被改造過的大樓是利用當時先進的數(shù)字程控交換技術(shù)、計算機技術(shù)、資料檢索技術(shù)和語音通信等技術(shù),實現(xiàn)了大廈內(nèi)的高效辦公和設(shè)備自動化管理[1]。

此后,相關(guān)應(yīng)用在美國迅速發(fā)展。2009年9月美國IBM公司與愛荷華州迪比克市一起合作,希望將該市城市打造成為智慧城市。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用于建筑物,作為智慧城市的一個重要組成部分,成為智慧城市的一個個節(jié)點,能將所有樓宇的水電、消防、交通和安防等各種信息綜合聯(lián)系起來。

在差不多的年份,日本也提出了“智慧日本”的發(fā)展戰(zhàn)略,該戰(zhàn)略將數(shù)字信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到生活和生產(chǎn)的每個方面。韓國也開始將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到城市的建設(shè)發(fā)展,以提高城市的管理綜合能力和效率。這個時期,加拿大、新加坡和印度等國家也提出了類似的概念。

在我國,隨著Arduino技術(shù)的發(fā)展,對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用于建筑物的研究也非常多。劉春林等設(shè)計了一種基于Arduino和Android設(shè)備的溫室智能控制系統(tǒng),對溫室的環(huán)境進行調(diào)節(jié)[2]。呂剛磊等利用Arduino技術(shù),設(shè)計了一個智能家居系統(tǒng),該系統(tǒng)包括溫度檢測、PM2.5檢測、智能插座等,能實現(xiàn)對家庭溫度的檢測、插座的控制和空氣質(zhì)量的監(jiān)控[3]。付孟林等設(shè)計了一個基于Arduino的分布式智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計,能實現(xiàn)家居內(nèi)部有害氣體監(jiān)測、報警、顯示等功能。

從國內(nèi)外的各種研究和運用可以看出,絕大部分運用采用了當時最先進的技術(shù),投入了大量的人力和資金,成本較高的。這些系統(tǒng)建設(shè)大部分使用有線通信方式,部署與配置工作相當復雜,不易擴展,進行改造和系統(tǒng)升級也非常困難。另外也由于缺乏系統(tǒng)聯(lián)動機制,各個子系統(tǒng)之間沒有形成較好的信息互聯(lián)互通。

基于Arduino的低成本智能宿舍監(jiān)控系統(tǒng)因其接入門檻較低、覆蓋面廣、傳輸速度快,具有很強的可擴展性,可以在較少的人力和資金的情況下,對高校宿舍進行24小時全方位的監(jiān)控,這些能夠解決現(xiàn)狀的不足。

Arduino是2005年歐洲一個開發(fā)團隊推出的開源性的軟件硬件相結(jié)合的開發(fā)平臺。它包含的硬件能夠?qū)崿F(xiàn)基本硬件搭載功能,軟件是能夠?qū)崿F(xiàn)這些基本功能的一套開源的軟件開發(fā)環(huán)境。用戶只要通過簡單的程序編寫和硬件搭載就能完成某種產(chǎn)品的開發(fā)。它也具有與PC以及電腦端口連接的周邊裝置的功能,能夠通過運行的PC端上面的軟件進行信息傳遞從而進行控制。因Arduino具有跨平臺、簡單易用的特點,可以縮短開發(fā)周期,降低研究成本,適用于該系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計

基于Arduino的低成本智能宿舍監(jiān)控系統(tǒng),在各種傳感器采集數(shù)據(jù)后,采用常見的Arduino開發(fā)板對數(shù)據(jù)進行收集和處理,存儲至物聯(lián)網(wǎng)云平臺,然后在上位機控制平臺或者移動端可以進行查看。該系統(tǒng)無需布線,在WiFi下即可實現(xiàn)實時監(jiān)控宿舍的情況,如有警情例如火災(zāi)等可迅速告知宿舍成員和管理人員前去處理障,也可以提供電器、照明、溫控監(jiān)控的功能。如圖1所示:

圖1 基于Arduino的低成本智能宿舍監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計Fig.1 Overall design of low cost intelligent dormitory monitoring system based on Arduino

系統(tǒng)主要由四個部分構(gòu)成:

(1)數(shù)據(jù)采集部分。這個部分主要有各種傳感器組成,用于采集學生宿舍中的各種基本數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集部分通過各種線纜和Arduino微控制器部分連接。

(2)嵌入式平臺部分。這個部分主要由Arduino微控制器和無線模塊組成,將收集的數(shù)據(jù)進行處理并通過無線方式上傳至互聯(lián)網(wǎng)云平臺。

(3)物聯(lián)網(wǎng)云平臺部分。物聯(lián)網(wǎng)云平臺是一種為“萬物互聯(lián)”定制的云平臺,它與我們平時所見的普通的互聯(lián)網(wǎng)是不同的,第一個是連接進去的終端數(shù)量非常龐大,第二個是接入的協(xié)議非常多樣化。目前國內(nèi)比較成熟的有中國移動的OneNET、阿里云AIoT、電信云平臺、華為云、機智云、百度天工等。這個部分是作為數(shù)據(jù)存儲、轉(zhuǎn)發(fā)的云端架構(gòu)。它是物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)功能的大數(shù)據(jù)處理核心,相當于橋梁一樣,能實現(xiàn)物體與物體之間的數(shù)據(jù)交互與交換的功能。

(4)終端控制部分。這個部分由上位機控制平臺和移動客戶端組成,它能夠接收來自物聯(lián)網(wǎng)云平臺的數(shù)據(jù),同時也可以發(fā)送控制命令給物聯(lián)網(wǎng)云平臺。隨后物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備云平臺將控制命令轉(zhuǎn)發(fā)給嵌入式平臺部分,從而實現(xiàn)了終端控制部分對嵌入式平臺部分的遠程控制功能。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

基于Arduino的低成本智能宿舍監(jiān)控系統(tǒng)在硬件的選擇上要遵循技術(shù)上比較成熟、經(jīng)濟比較合理,應(yīng)用上比較適用,以及維修、操作性比較簡單的原則。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊硬件

基于Arduino的低成本智能宿舍監(jiān)控系統(tǒng)主要收集宿舍里面的以下方面的數(shù)據(jù)如溫度高低、濕度大小、聲音大小、是否有人、是否有煙霧、火焰等,選擇了市面上常見的技術(shù)已經(jīng)非常成熟的硬件。

宿舍的環(huán)境最常見的是對溫度、濕度的采集。溫濕度傳感器采用DHT11,DHT11濕度傳感器是一款市面上非常成熟的雙用型傳感器,精度高,抗干擾能力很強,具有很高的可信度,能夠同時檢測空氣中的溫度與濕度,是一種性價比非常高的傳感器。

此外,判斷宿舍里是否有人采用人體紅外傳感器HC-SR501,當有人經(jīng)過時,其散發(fā)的紅外線引起探頭內(nèi)部熱釋電反應(yīng),從而改變傳感器的輸出狀態(tài)。

宿舍是否有有害氣體揮發(fā)或者火災(zāi)的檢測可以采用煙霧傳感器采用MQ-2。這種傳感器常用于家庭或工廠的氣體泄漏監(jiān)測,對液化氣、酒精、天然氣、煙霧等非常靈敏。它是一種多種氣體的探測器。其基本工作原理是,空氣中的有害氣體濃度越大,它的電導率越大,電阻越低,輸出的模擬信息也就越大。MQ-2的探測范圍極其的廣泛,靈敏度高、響應(yīng)快、穩(wěn)定性好、壽命長、驅(qū)動電路簡單[1]。

宿舍是否有火災(zāi)發(fā)生,可以采用火焰?zhèn)鞲衅?。選取YL-38型號的火焰?zhèn)鞲衅?它運用了特殊的紅外接收裝置,能夠檢測到火焰的特定波長,并將火焰強度量化,轉(zhuǎn)化成高低變化的模擬信號或者高低電平數(shù)字信號[2]。人體紅外傳感器,煙霧傳感器,火焰?zhèn)鞲衅骱头澍Q器結(jié)合使用,在出現(xiàn)危險情況時實現(xiàn)報警。

3.2 嵌入式平臺模塊硬件

基于Arduino的低成本智能宿舍監(jiān)控系統(tǒng)采用Arduino mega 2560主板。Arduino mega 2560是一塊以ATmega 2560為核心的微控制器開發(fā)板,在其開發(fā)板上裝置54個數(shù)字輸入輸出接口和16個模擬輸入輸出接口,其中數(shù)字輸入輸出接口有16組具備脈寬調(diào)制功能,這些輸入輸出接口可以與大量外圍模塊連接,正好滿足本設(shè)計對Arduino微控制器的需求。在另一方面,Arduino mega 2560在燒錄或者執(zhí)行程序代碼時,直接使用USB接口與電腦對接即可。Arduino mega 2560具備雙重供電系統(tǒng),分別為USB口供電與外部電池供電,兩種電源供電系統(tǒng)會根據(jù)特定情況自動切換。如圖2、圖3所示:

圖2 Arduino mega 2560開發(fā)板Fig.2 Arduino mega 2560 development board

圖3 ESP8266開發(fā)板Fig.3 esp8266 development board

該系統(tǒng)的無線模塊采用ESP8266開發(fā)板,這種開發(fā)板非常適合用于物聯(lián)網(wǎng)和智能家居的WiFi模塊。性能穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)簡單,價格低廉,符合該系統(tǒng)低成本的要求。Arduino和ESP8266開發(fā)板的連接和控制都比較簡單、方便,通過SPI/SDIO接口或者中央處理器AHB橋接口即可。ESP8266有三種組網(wǎng)模式:SoftAP模式、Station模式、SoftAP+ Station模式[3]。它的主要作用是讓整個嵌入式平臺部分通過WiFi與網(wǎng)絡(luò)連接,因監(jiān)控系統(tǒng)要求能進行遠程控制,因此采用第三種模式即混合模式。

4 結(jié)語

本文以物聯(lián)網(wǎng)以及其關(guān)鍵技術(shù)為出發(fā)點,對基于Arduino的低成本智能宿舍監(jiān)控系統(tǒng)進行總體設(shè)計,以解決以往的成本高、不易擴展和改造、缺乏聯(lián)動等問題。并依據(jù)技術(shù)上比較成熟、經(jīng)濟比較合理,應(yīng)用上比較適用,以及維修、操作性比較簡單的原則,對系統(tǒng)所需的硬件進行了設(shè)計。