于君君， 吳祥飛， 甘 潤， 劉成成， 丁 雨， 何恩節(jié)*

(1.安徽科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 鳳陽 233100；2.安徽科技學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院，安徽 鳳陽 233100)

在物聯(lián)網(wǎng)(IOT)高速發(fā)展的今天，實現(xiàn)對學(xué)生宿舍統(tǒng)一化管理和智能化操控成為一種可能。已有的學(xué)生宿舍管理的系統(tǒng)具備用電安全保護(hù)、火災(zāi)報警和無線傳輸數(shù)據(jù)等功能，但其普遍存在價格過高、系統(tǒng)性能較低和走線過長且繁瑣等弊端。傳統(tǒng)考勤方式要求輔導(dǎo)員晚上輪班現(xiàn)場檢查學(xué)生回宿舍情況或者讓班干部反饋上課情況，具有勞動量大、效率低的缺點。在“互聯(lián)網(wǎng)+”大環(huán)境下，提升宿舍管理智能化成為一種急切的需求，是社會發(fā)展的結(jié)果。為此，設(shè)計和實現(xiàn)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的宿舍管理系統(tǒng)非常有意義，本設(shè)計以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的宿舍智能化管理系統(tǒng)，以STM32單片機(jī)為處理器，結(jié)合多種傳感器實現(xiàn)宿舍管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，系統(tǒng)在操作便捷性、穩(wěn)性能、功耗和安全性等方面均具備明顯優(yōu)勢,以期為將來的商業(yè)推廣提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

設(shè)計于2019年4-11月在安徽科技學(xué)院龍湖校區(qū)電子實驗室進(jìn)行。選用的硬件材料主要有STM32F103ZET6單片機(jī)、溫濕度檢測器、雨滴檢測器、MQ-2煙霧傳感器、指紋識別傳感器和ESP8266無線收發(fā)模塊等。STM32F103ZET6是一種增強(qiáng)型微控制器，擁有12位ADC，精度較高。其中，ADC 將傳感器輸入的電壓(模擬信號)采樣后的數(shù)字信號存放于數(shù)據(jù)寄存器中，以供CPU讀取。ESP8266無線傳輸模塊是一款高性能的WIFI串口模塊，擁有極佳的功耗性能、射頻性能、穩(wěn)定性、通用性和可靠性，適用于各種應(yīng)用和不同功耗需求。ESP8266擁有完整的且自成體系的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)功能，既能夠獨立應(yīng)用，也可以作為從機(jī)搭載于其他主機(jī)MCU運行?？啥嗳送瑫r連線，傳輸距離較遠(yuǎn)。溫度模塊的核心元件是熱敏元件，濕度模塊的核心元件是濕敏元件，溫濕度傳感器是集測量溫度和濕度為一身的裝置。溫濕度傳感器常采用溫濕度一體探頭，首先采集環(huán)境溫濕度，然后由配套電路處理成電流和電壓信號，具有體積小、性能穩(wěn)定、價格低廉等優(yōu)點。用于自動關(guān)開窗系統(tǒng)的雨滴傳感器可以實時檢測是否下雨，首先通過控制器將檢測出的信號進(jìn)行變換，進(jìn)而啟動電機(jī)關(guān)閉(開啟)窗戶，確保室內(nèi)保持干燥。MQ-2是一個多種氣體探測器，可以監(jiān)測廚房常用的液化氣、天然氣和火災(zāi)煙霧，也可以檢測實驗室里的化學(xué)氣體，如有機(jī)物苯、小分子烷和酒精等。MQ-2型煙霧監(jiān)測元件是一種SnO氣敏材料，通過導(dǎo)電率的變化監(jiān)測煙霧濃度，具有驅(qū)動電路簡單、靈敏度高和成本低等優(yōu)點。指紋識別模塊為半導(dǎo)體電容式或者電感式指紋傳感器。凸凹不平的手指與半導(dǎo)體器件平面形成變化的電容/電感，進(jìn)而完成指紋的采集。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 指紋解鎖房門并反饋夜間未歸學(xué)生數(shù)量 提前錄入宿舍成員指紋，通過現(xiàn)場匹配完成解鎖可進(jìn)入房間，并實時更新并顯示人員數(shù)量。

1.2.2 室內(nèi)溫濕度的實時監(jiān)測和室內(nèi)煙霧的自動報警 通過溫濕度傳感器實時監(jiān)測室內(nèi)的溫濕度并在液晶顯示屏中更新和顯示；通過MQ-2煙霧傳感器監(jiān)測室內(nèi)煙霧濃度，當(dāng)達(dá)到設(shè)定閾值時通過系統(tǒng)啟動報警裝置。

1.2.3 實現(xiàn)下雨天自動關(guān)閉窗戶 雨滴傳感器可以檢測是否下雨并通過系統(tǒng)啟動窗戶電機(jī)完成自動關(guān)閉(開啟)窗戶，以保持室內(nèi)干燥。

1.2.4 數(shù)據(jù)無線傳輸并將以上信息發(fā)送給本宿舍成員及宿舍管理員手機(jī)端 ESP8266無線傳輸模塊是一種體積特小、成本特低的能實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)募呻娐费b置。通過ESP8266無線傳輸模塊，宿舍液晶屏上所有信息在樓宇管理員監(jiān)控室里得以分享，并能在手機(jī)端實時查看。宿舍管理功能包括樓房管理、宿舍管理、學(xué)生管理三大部分；當(dāng)宿舍管理員或老師需要查詢學(xué)生宿舍信息時可以按照以下方式進(jìn)行：(1)按學(xué)號進(jìn)行查詢：實現(xiàn)對本學(xué)生信息的查詢以及查看宿舍溫度、濕度、空氣成分等情況。(2)按姓名查詢：通過學(xué)生姓名查詢本學(xué)生信息以及宿舍溫度、濕度、空氣成分等情況。(3)按班級查詢：通過班級查詢某班級學(xué)生住宿情況。(4)按寢室號查詢：查看每個宿舍所住學(xué)生信息以及宿舍溫度、濕度、空氣成分等情況。(5)樓房住宿情況查詢：查看每棟樓所住學(xué)生信息以及學(xué)生宿舍溫度、濕度、空氣成分等情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 電路設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的宿舍管理系統(tǒng)按照功能可分為六個部分：主控部分、報警部分、人機(jī)交互部分、信息采集部分和電源部分。圖1為基于物聯(lián)網(wǎng)的宿舍管理系統(tǒng)的整體框架圖，報警部分又由火災(zāi)報警、逃課報警和盜竊報警組成；圖2為中央控制單元即STM32F103ZET6最小系統(tǒng)仿真電路，芯片精度較高，擁有12位ADC；圖3為系統(tǒng)電源管理仿真電路；圖4為液晶顯示仿真電路；圖5為系統(tǒng)整體仿真電路。

圖1 宿舍管理系統(tǒng)的構(gòu)架圖

圖2 STM32F103ZET6仿真電路

圖3 電源仿真電路圖

圖4 液晶顯示仿真電路圖

圖5 宿舍管理系統(tǒng)的仿真電路圖

2.2 數(shù)據(jù)采集及處理

程序步驟是設(shè)計的靈魂，首先用特定的、標(biāo)準(zhǔn)的符號來描述基于物聯(lián)網(wǎng)的宿舍管理系統(tǒng)程序運行具體步驟的過程，被稱為程序框圖或者程序流程圖，如圖6所示。程序流程圖從上至下按照信息的輸入、信息處理和信息輸出的關(guān)系，將主要的運行內(nèi)容標(biāo)識出來。采用Keil MDK-ARM編譯器完成程序的編寫。按照精度的要求，程序分為初始化程序、驅(qū)動程序、精度較低的自檢程序和精度要求較高的中斷服務(wù)程序。可以看出，該流程圖分為頂層、中層和底層三部分。從結(jié)構(gòu)上分為順序結(jié)構(gòu)、選擇(分支)結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)這三種基本結(jié)構(gòu)。向下的箭頭加橢圓框表示起始，向下的箭頭加橢圓框表示終止；向上箭頭、向下箭頭加矩形框表示執(zhí)行，框內(nèi)是執(zhí)行步驟；箭頭向上箭頭、向下箭頭加菱形框表示判別，框內(nèi)為邏輯條件。頂層和底層為簡單的線性結(jié)構(gòu)，又稱順序結(jié)構(gòu)，各框過程按照順序執(zhí)行；分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在中間層，也是既核心又復(fù)雜的一層。分支結(jié)構(gòu)首先是對真或假條件進(jìn)行判斷，然后分別執(zhí)行不同框的內(nèi)容。當(dāng)條件為真時，while型循環(huán)會反復(fù)執(zhí)行該框內(nèi)容，一旦條件為假，跳出while循環(huán)，執(zhí)行循環(huán)緊后的框內(nèi)容。

圖6 宿舍管理系統(tǒng)的程序流程圖

2.3 系統(tǒng)運行

基于物聯(lián)網(wǎng)的宿舍管理系統(tǒng)的實物圖如圖7～8所示。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能實現(xiàn)以下功能：指紋識別模塊可以完成錄入和刪除指紋功能。指紋匹配成功會解鎖房門，夜間10:30會將進(jìn)入房間的宿舍成員數(shù)量反饋致管理員(輔導(dǎo)員)手機(jī)端已達(dá)到反饋和核查夜間未歸學(xué)生數(shù)量；上課期間宿舍學(xué)生數(shù)量和房門關(guān)閉情況也會及時反饋，這對早晨不起床和晚上不按時就寢是個很好的監(jiān)督。溫濕度傳感器模塊和MQ-2煙霧檢測器模塊實現(xiàn)室內(nèi)溫濕度的實時監(jiān)測和顯示，如果同學(xué)在室內(nèi)吸煙，系統(tǒng)就會啟動報警模塊，對同學(xué)的非自律行為起到很好的監(jiān)督。另一方面，上課期間無人情況下如果報警就是火災(zāi)的可能性很大，本系統(tǒng)及時聯(lián)系管理員給予處理，大大減小了火災(zāi)隱患以及損失。雨滴傳感器通變換電路將監(jiān)測是否下雨的信息轉(zhuǎn)換，如果檢測到雨滴信號，雨滴傳感器模塊就會啟動智能窗戶的電機(jī)及時關(guān)閉窗戶以達(dá)到保持室內(nèi)干燥的目的；ESP8266無線傳輸模塊實現(xiàn)將以上信息發(fā)送給所有舍友及宿舍管理員(輔導(dǎo)員)手機(jī)端。

圖7 宿舍管理系統(tǒng)的實物圖

圖8 宿舍管理系統(tǒng)的結(jié)果圖

5 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)是宿舍管理智能化的重要因素之一。本設(shè)計采用STM32型芯片以及溫濕度、煙霧、雨滴等多種傳感器實現(xiàn)宿舍環(huán)境參數(shù)和人員情況的檢測與反饋，提供了一個安全、方便、智能化的操作平臺。指紋解鎖房門并反饋夜間未歸學(xué)生數(shù)量，提前錄入宿舍成員指紋，通過現(xiàn)場匹配完成解鎖可進(jìn)入房間，并實時更新并顯示人員數(shù)量。室內(nèi)溫濕度的實時監(jiān)測和室內(nèi)煙霧的自動報警，通過溫濕度傳感器實時監(jiān)測室內(nèi)的溫濕度并在液晶顯示屏中更新和顯示；通過MQ-2煙霧傳感器監(jiān)測室內(nèi)煙霧濃度，當(dāng)達(dá)到設(shè)定閾值時通過系統(tǒng)啟動報警裝置。實現(xiàn)下雨天自動關(guān)閉窗戶。雨滴傳感器可以檢測是否下雨并通過系統(tǒng)啟動窗簾電機(jī)完成自動開啟(關(guān)閉)窗戶，以保持室內(nèi)環(huán)境干燥。ESP 8266無線傳輸模塊將以上信息發(fā)送給所有本宿舍成員及宿舍管理員手機(jī)端。通過ESP 8266無線傳輸模塊無線傳輸模塊，宿舍液晶屏上所有信息在樓宇管理員監(jiān)控室里得以分享，并能在輔導(dǎo)員手機(jī)端實時查看。