摘 要：為解決高校學(xué)生用水、用電安全問題，設(shè)計實現(xiàn)了一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、低功耗無線通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)云平臺的學(xué)生宿舍水電智能監(jiān)測系統(tǒng)。以STM32F103單片機(jī)為核心處理器，通過水壓、電流傳感器實現(xiàn)對水壓、電流的監(jiān)測，通過紅外傳感器模塊實現(xiàn)對宿舍人員數(shù)量的監(jiān)控，通過WiFi模塊把數(shù)據(jù)上傳至華為云平臺。輸出信號由單片機(jī)采集，水壓、電流值在液晶顯示屏上顯示。管理員通過Web端對宿舍水電進(jìn)行實時監(jiān)測，以保障宿舍人員用水、用電安全。該系統(tǒng)具有體積小、功耗低等優(yōu)點，可以降低能耗并保障高校宿舍用水、用電安全。

關(guān)鍵詞：智能監(jiān)測；STM32；華為云平臺；物聯(lián)網(wǎng)；大數(shù)據(jù)；無線通信

中圖分類號：TP212.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）04-000-06

0 引 言

隨著我國高等教育事業(yè)的飛速發(fā)展，高校已經(jīng)成為了我國資源消耗大戶。截至2021年9月30日，我國普通高等學(xué)校共有2 756所，在校人數(shù)3 285.3萬人。住房城鄉(xiāng)建設(shè)部會同財政部和教育部陸續(xù)制定并發(fā)布了一系列相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，眾多高校建立了一批節(jié)能監(jiān)管平臺，然而，現(xiàn)階段高校學(xué)生用水、用電情況仍不容樂觀，用電不當(dāng)導(dǎo)致宿舍起火，甚至導(dǎo)致學(xué)生死亡的事故頻頻發(fā)生。

智能水電監(jiān)測即利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，配合華為云平臺，實現(xiàn)對宿舍用水、用電安全的監(jiān)測，并對宿舍進(jìn)行智能化管理。該系統(tǒng)可以培養(yǎng)學(xué)生節(jié)約水電的意識，提高信息傳遞的效率，降低事故發(fā)生率及損失，在宿舍監(jiān)督管理、提升現(xiàn)代化宿舍安全意識方面，具有良好的社會效益和應(yīng)用前景。

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、無線通信、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的高速發(fā)展，高校有必要引進(jìn)智慧水電管理系統(tǒng)，通過在宿舍水電閘門安裝必要的傳感器從而實現(xiàn)對用水、用電的監(jiān)控。該系統(tǒng)的使用在保證人身安全的同時，能夠達(dá)到節(jié)約能源的目標(biāo)，對資源配置、環(huán)境建設(shè)等具有重大意義。

1 系統(tǒng)組成

宿舍水電監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。主控芯片采用STM32F103，該微控制器采用Cortex-M3內(nèi)核，CPU最高速度達(dá)72 MHz，具有16 KB～1 MB FLASH、多種控制外設(shè)、USB全速接口和CAN。該系統(tǒng)采用高精度、低功耗的濕度傳感器采集濕度數(shù)據(jù)，采用水壓、電流傳感器采集水流、電壓數(shù)據(jù)。硬件終端采集數(shù)據(jù)并定時發(fā)送至華為云平臺（注冊的用戶可通過Web端查詢數(shù)據(jù)[1-4]）。宿舍水電監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.1 人員計數(shù)系統(tǒng)

設(shè)計基于單片機(jī)的人體計數(shù)系統(tǒng)，根據(jù)紅外傳感器的檢測情況和對單片機(jī)數(shù)據(jù)的處理情況，對人員進(jìn)出方向進(jìn)行判斷并準(zhǔn)確計數(shù)，并通過無線通信技術(shù)進(jìn)行實時反饋。管理者可以通過Web端或手機(jī)APP端實時掌握宿舍人員數(shù)量，對無人的宿舍進(jìn)行相關(guān)監(jiān)測。

1.2 室內(nèi)漏水監(jiān)測及警報系統(tǒng)

當(dāng)室內(nèi)人員數(shù)量為0時該漏水監(jiān)測及報警系統(tǒng)開始工作。控制單元由低成本的嵌入式最小控制系統(tǒng)構(gòu)成，負(fù)責(zé)采集來自檢測單元的漏水監(jiān)測終端的異常信息，對信號的可靠性進(jìn)行判斷，并將信號輸出到報警單元?？刂茊卧檬覂?nèi)無線局域網(wǎng)或移動網(wǎng)接入，將異常信息發(fā)送到后臺系統(tǒng)服務(wù)器，以提醒管理員。

1.3 室內(nèi)用電情況監(jiān)測系統(tǒng)

該系統(tǒng)可以實現(xiàn)以下功能：監(jiān)測學(xué)生宿舍的用電情況，并可以通過Web端管理平臺提供詳細(xì)的圖形化數(shù)據(jù)及分析報告，使宿舍每個時間段的用電情況一目了然。用電異常時可通過系統(tǒng)進(jìn)行彈窗、圖形告警，通知管理員對用電異常的區(qū)間進(jìn)行異常排查。

1.4 Web端和手機(jī)APP端管理平臺開發(fā)

設(shè)計一個和水電各類數(shù)據(jù)有關(guān)的監(jiān)測程序。Web端和手機(jī)APP端為用戶管理界面。管理員可以通過Web端或手機(jī)APP端與系統(tǒng)服務(wù)器管理平臺網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)對學(xué)生宿舍實時用水、用電安全的遠(yuǎn)程監(jiān)測與管理。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

紅外計數(shù)模塊由STM32F103單片機(jī)核心板電路、TFT 1.44英寸彩屏液晶顯示電路、2路紅外探頭信號檢測電路、WiFi模塊、蜂鳴器報警電路、按鍵電路及電源組成。

交流電壓電流監(jiān)測模塊由STM32F103單片機(jī)核心板電路、交流電壓電流檢測模塊電路、WiFi模塊電路、指示燈電路組成。

濕度檢測模塊由STM32單片機(jī)核心板電路、土壤濕度傳感器模塊電路、WiFi模塊電路組成[5-9]。

2.1 E18-D80NK紅外傳感器模塊電路設(shè)計

E18-D80NK-N是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器。信號經(jīng)過調(diào)制后輸入，再由接收頭解調(diào)輸出，有效避免了可見光的干擾。該傳感器具有探測距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、價格低廉、裝配難度低、使用方便等特點，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、流水線計件等場合。E18-D80NK光電傳感器模塊原理如圖3所示。

2.2 ESP8266 WiFi模塊電路設(shè)計

串口WiFi模塊為新一代嵌入式WiFi模塊，體積小，功耗低，采用UART接口。串口WiFi模塊基于通用串行接口特性，符合IEEE802.11協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，便于傳統(tǒng)串口設(shè)備更好地加入無線網(wǎng)絡(luò)。

ESP8266是一款超低功耗模塊，專為移動設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計，其將用戶的物理設(shè)備連接到WiFi無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，可廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)、智能交通、智能家具、工業(yè)控制等領(lǐng)域。ESP8266 WiFi模塊電路原理如圖4所示。

2.3 交流電壓、電流互感器模塊電路設(shè)計

交流電壓、電流互感器模塊通過交流電壓互感器（TV1005M）和交流電流互感器（TA1005M）來檢測交流電壓和交流電流值，并通過5 V繼電器電路完成切斷。交流電壓、電流互感器模塊電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

交流電壓、電流互感器模塊電路原理如圖6所示。R1為限流電阻；D1、D2為二極管，單向?qū)щ姡浑娙菥糜跒V波，使信號更加平穩(wěn)；R2、R3為分壓電阻，將采集的模擬信號轉(zhuǎn)化為電壓信號；LED2為電源指示燈；R6為限流電阻，用于保護(hù)LED2燈；J1為220 V交流電輸入接口；J2為負(fù)載輸入接口；RL1為5 V繼電器，本文設(shè)計的電路中，由于單片機(jī)引腳的電流驅(qū)動能力不足以實現(xiàn)繼電器的通斷，所以使用9012三極管作為驅(qū)動元件驅(qū)動繼電器，考慮到繼電器閉合或者斷開瞬間會產(chǎn)生反向感應(yīng)電動勢，損害三極管，因此通過1N4007二極管消除反向電動勢以保護(hù)三極管；LED1為繼電器是否閉合指示燈，如果繼電器閉合，則指示燈亮，否則指示燈滅；R4為限流電阻，用來保護(hù)LED1；R5為限流電阻，用來保護(hù)三極管，當(dāng)控制引腳RY1為高電平時，繼電器閉合。交流電壓、電流互感器模塊電路接口如圖7所示。

系統(tǒng)主要采用Keil μVision5軟件調(diào)試程序，程序選用C語言編寫。交流電壓、電流互感器模塊電路運行流程如圖8所示。通過PL2303串口燒寫模塊實現(xiàn)對單片機(jī)程序的燒寫[10]。

2.4 漏水監(jiān)測模塊電路設(shè)計

濕度傳感器原理如圖9所示。

宿舍用水、用電監(jiān)測系統(tǒng)實物如圖10所示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 前端數(shù)據(jù)顯示和預(yù)警

項目使用網(wǎng)站顯示監(jiān)控數(shù)據(jù)，基于SpringMVC框架實現(xiàn)注冊登錄的邏輯，便于不同的用戶獲取個人監(jiān)控數(shù)據(jù)。對于注冊功能，成功注冊的用戶信息會被同步保存到用戶數(shù)據(jù)庫中；對于登錄功能，前端輸入的學(xué)號、密碼會與數(shù)據(jù)庫中的用戶信息進(jìn)行對比，以得到該用戶的宿舍號，此時前端跳轉(zhuǎn)頁面顯示該用戶宿舍的水電監(jiān)控信息。前端頁面如圖11所示。

注冊登錄的部分邏輯代碼如下：

private static ResourceBundle rb=ResourceBundle.getBundle（\"com.jmp.util.db-config\"）;

/*加載數(shù)據(jù)庫配置文件中的連接信息*/

static

{URL=rb.getString（\"jdbc.url\"）;

USERNAME=rb.getString（\"jdbc.username\"）;

PASSWORD=rb.getString（\"jdbc.password\"）;

DRIVER=rb.getString（\"jdbc.driver\"）;

try

{Class.forName（DRIVER）;}

catch（ClassNotFoundException e）

{e.printStackTrace（）;}}

/***創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫連接*@return*/

public static Connection getConnection（）

{Connection con=1;

try

{con=DriverManager.getConnection（URL，USERNAME，PASSWORD）;}

catch（SQLException e）

{e.printStackTrace（）;

System.out.println（\"數(shù)據(jù)庫連接失敗，請檢查數(shù)據(jù)庫地址、用戶名、密碼是否存在錯誤！??！\"）;}

return con;}

/*創(chuàng)建模型對象*/

public class RoomNumber

{private String room_id;

private String now_time;

private int enter_number;

private int departures_number;

private int now_number;

public RoomNumber（String room_id，String now_time，int enter_number，int departures_number，int now_number）

{this.room_id=room_id;

this.now_time=now_time;

this.enter_number=enter_number;

this.departures_number=departures_number;

this.now_number=now_number;}

public String getRoom_id（）

{return room_id;}

public void setRoom_id（String room_id）

{this.room_id=room_id;}

public String getNow_time（）

{return now_time;}

public void setNow_time（String now_time）

{this.now_time=now_time;}

public int getEnter_number（）

{return enter_number;}

public void setEnter_number（int enter_number）

{this.enter_number=enter_number;}

public int getDepartures_number（）

{return departures_number;}

public void setDepartures_number（int departures_number）

{this.departures_number=departures_number;}

public int getNow_number（）

{return now_number;}

public void setNow_number（int now_number）

{this.now_number=now_number;}

@Override

public String toString（）

{return \"RoomElectricity

{\"+\"Room_id=\"+room_id+\"，now_time='\"+now_time+'＼''+\"， enter_number='\"+enter_number+'＼''+\"，departures_number='\"+departures_number+'＼''+\"，now_number='\"+now_number+'＼''+''};}}

對于數(shù)據(jù)顯示頁面，本項目使用HTML、JSP、CSS設(shè)計了監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示臺。

在JSP中獲取連接數(shù)據(jù)庫、查詢數(shù)據(jù)的代碼如下：

protected void doGet（HttpServletRequest request， HttpServletResponse response）

{String m=request.getParameter（\"m\"）;

if（\"getNumber\".equals（m））

{getNumber（request，response）;}

else if（\"getElectricity\".equals（m））

{getElectricity（request， response）;}}

private void getNumber（HttpServletRequest request， HttpServlet Response response）

{String keyName=request.getParameter（\"roomname\"）;

RoomNumber roomNumber=new RoomNumber（）;

roomNumber.setRoom_id（keyName）;

//System.out.println（keyName）;

System.out.println（\"Here2！\"）;

try

{Listlt;RoomNumbergt;roomList=RoomService.getNumber （roomNumber）;

//System.out.println（roomList）;

request.setAttribute（\"roomList\"，roomList）;

System.out.println（request）;

request.getRequestDispatcher（\"/Views/home.jsp\"）.forward（request， response）;

//System.out.println（response）;}

catch（Exception e）

{e.printStackTrace（）;}}

查詢MySQL數(shù)據(jù)代碼：

static ResourceBundle rb=ResourceBundle.getBundle（\"com.jmp.dao.book-sql\"）;

public RoomDaoImpl（）

{//創(chuàng)建BookDaoImpl對象時加載QueryRunner

qr = new QueryRunner（）;}

@Override

public Listlt;RoomNumbergt;getNumber（RoomNumber roomNumber） throws SQLException

{String sql=rb.getString（\"room.sql.getNumber\"）;

Listlt;RoomNumbergt;list=qr.query（DBUtil.getConnection（）， sql，roomNumber.getRoom_id（），new BeanListHandlerlt;gt;（RoomNumber.class））;

//System.out.println（sql）;

System.out.println（list）;

return list;}

在JSP中調(diào)用接口查詢數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)：

lt;script src=\"https：//code.jquery.com/jquery-3.6.0.min.js\"gt;lt;/scriptgt;lt;scriptgt;

//在頁面加載時立即執(zhí)行的請求代碼

$.ajax

（{url：\"/RoomServlet\"，method：\"GET\"，data：

{m：\"getNumber\"，roomname：\"T2C7091\"}，

success： function（response）

{//處理響應(yīng)

console.log（response）;

}//輸出響應(yīng)內(nèi)容到控制臺

error：function（xhr，status，error）

{//處理錯誤

console.log（\"請求錯誤：\"+status）;}}）;

print（response）;

lt;/scriptgt;

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本項目使用MySQL數(shù)據(jù)庫，分別建立了監(jiān)控數(shù)據(jù)庫和用戶信息數(shù)據(jù)庫。監(jiān)控數(shù)據(jù)庫下有2個Table，分別用于存儲房間人數(shù)和用電情況。用戶數(shù)據(jù)庫包括學(xué)號、密碼、宿舍號（房間號）。數(shù)據(jù)庫頁面如圖12所示。

3.3 后端數(shù)據(jù)上傳和存儲

本文項目使用了一臺帶公網(wǎng)IP的華為云服務(wù)器作為服務(wù)端，并建立了MySQL數(shù)據(jù)庫，可通過公網(wǎng)IP進(jìn)行訪問。同時，本文項目使用Socket搭建了TCP服務(wù)端，用于接收來自下位機(jī)的數(shù)據(jù)，并以事先設(shè)定好的數(shù)據(jù)格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析（本項目采用的是JSON格式），使用GSON包對JSON數(shù)據(jù)解析完成后，將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。

使用Socket搭建TCP服務(wù)端的代碼如下：

public void setUpServer（int port）

{try

{ServerSocket server=new ServerSocket（port）;

System.out.println（\"服務(wù)器創(chuàng)建成功\"+port）;

while（true）

{Socket client=server.accept（）;

System.out.println（\"正在有客戶端訪問\"+client.getRemoteSocketAddress（））;

processChat（client）;}}

catch（Exception e）

{e.printStackTrace（）;}}

private void processChat（Socket client） throws Exception

{OutputStream out=client.getOutputStream（）;

InputStream ins=client.getInputStream（）;

BufferedReader in=new BufferedReader（new InputStreamReader （ins））;

String s;

while（（s=in.readLine（））！= 1）

{String jsonString = new String（s）;

//System.out.println（jsonString）;

System.out.println（s）;

Gson gson=new Gson（）;

try

{data object=gson.fromJson（s，data.class）;Date date=new Date（）;

//this object contains the current date value

SimpleDateFormat formatter=new SimpleDateFormat （\"yyyy-MM-dd HH：mm：ss\"）;

object.now_time=formatter.format（date）;

Class.forName（\"com.mysql.jdbc.Driver\"）;

//System.out.println（\"1.完成注冊\"）;

//建立連接，

String url=\"jdbc：mysql：//123.60.136.10：3306/monitor？\";

//主要協(xié)議：次要協(xié)議：主機(jī)名：端口號/數(shù)據(jù)庫名

Connection connection=DriverManager.getConnection（url， \"root\"，\"123456\"）;

//System.out.println（\"2.完成連接\"）;

String sql=\"insert into number values（？，？，？，？，？，？）\";

PreparedStatement preparedStatement=connection.prepareStatement（sql）;

preparedStatement.setString（1，object.room_id）;

preparedStatement.setString（2，object.now_time）;

preparedStatement.setInt（3，object.enter_number）;

preparedStatement.setInt（4，object.departures_number）;

preparedStatement.setFloat（5，object.now_number）;

//System.out.println（\"3.創(chuàng)建成功\"）;

preparedStatement.executeUpdate（）;

preparedStatement.close（）;

connection.close（）;}

catch（JsonIOException|ClassNotFoundException|SQLException e）

{e.printStackTrace（）;}}}

主程序開啟后，先對STM32單片機(jī)和各模塊進(jìn)行初始化以及端口配置，檢測單片機(jī)與各個模塊是否成功連接，若成功，則開始準(zhǔn)備接收各傳感器采集的室內(nèi)數(shù)據(jù)。若室內(nèi)有人，則無需展示數(shù)據(jù)；若無人，則接收數(shù)據(jù)。若檢測到水流、電流值異常，則向用戶發(fā)消息報警，用戶可通過Web平臺遠(yuǎn)程查看。后端頁面如圖13所示。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計的宿舍智能水電監(jiān)測系統(tǒng)將傳統(tǒng)的用水、用電監(jiān)測和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)結(jié)合，借助華為云平臺，通過安裝的紅外傳感器智能判斷宿舍人數(shù)，進(jìn)而實現(xiàn)用水、用電安全監(jiān)測。該系統(tǒng)已處于試運行階段，現(xiàn)階段運行可靠，無線通信穩(wěn)定。

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作者簡介：宋欣霓（2001—），女，研究方向為人工智能。

張崢嶸（2002—），女，研究方向為電氣工程。

左宇馳（2004—），男，研究方向為電子信息。

成宇軒（2002—），男，研究方向為電氣工程。

尚鈺棋（2001—），女，研究方向為信息安全。