基于物联网技术的智能宿舍系统设计

林跃森，曾海杰，梁嘉诚，温汉清

（广东石油化工学院 广东 茂名 525000）

1 引言

近年来，国内外校园宿舍火灾频发。教育事业是整个国民经济社会的重要组成部分。而学校作为承载教育事业的主要窗口和受理单元，目前为止仍多以人口密集场所的形式出现。学校的健康发展和安全经营，对于经济社会的发展稳定有着重要影响，在当前强调科学发展，以人为本的大背景大形势下，学校的宿舍安全管理工作显得更加重要。随着科学技术的不断进步，当代年轻大学生对生活的智能化要求也越来越高，将物联网技术应用于学生宿舍，为当代大学生提供更安全、更智能的宿舍生活环境已经成为一个研究话题[1]。

2 系统整体设计

智能校园宿舍系统是一个基于物联网技术[2]、计算机网络系统，为简便现代大学生宿舍生活、提高宿舍安全而设计的系统[3]，该系统的设计方案如下：以STM32为数据处理中心，通过设计一款可用来监测用电功率的智能排插来监测学生宿舍违规电器使用情况，并可在超过设定功率阈值时自动进行断电处理，以此来保障学生宿舍用电安全，且设计多种场景模式，来对学生宿舍里的灯光、门、窗帘等进行智能控制，并通过MQ-2烟雾传感器、DHT11温湿度传感器与光敏传感器实时采集高校宿舍内的环境信息，并采用ZigBee模组进行组网，以树莓派作为网关和用户端进行通信，实现远程控制和远程监测的目的。学生可通过开发的移动端APP对宿舍内联网设备进行远程操作，并且宿舍管理人员可通过PC端上位机对学生宿舍用电情况进行实时监测，规范学生用电，减少火灾发生率。

2.1 硬件设计

2.1.1 主控芯片

本系统采用STM32F103ZET6作为主控芯片，其采用Cortex-M3嵌入式处理器32位内核，由于特有的thumb-2指令集，所以其软件编程非常方便且灵活采用，并且STM32F103XX外设资源也十分丰富，通信接口有：3个12位ADC，2个IIC和3个SPI通信接口，5个串口等，满足于本系统的开发。

2.1.2 智能排插

智能排插主要是用于统计用电量和监测学生宿舍的违规电器。根据高校要求，学生宿舍禁止使用大功率电器，在此基础上设计了一个可用于监测功率和用电量的智能排插，采用HLW8032电流电压采集计量模块与普通排插、继电器组成，当学生在宿舍使用超过1000W以上的电器时，系统会进行断电处理、发出警告信息，并上报宿舍管理人员。

2.1.3 环境监测

该功能主要由烟雾传感器、温湿度传感器和光敏传感器实现，通过烟雾检测模块和温湿度检测模块共同检测火灾，以提高辨别的准确性。在系统中实现的主要功能是在发生火灾时能快速检测到并启动宿舍火灾应急措施。

本系统采用光敏电阻模块来检测周围环境的光线的亮度，其原理是将光信号转换为电信号，通过提前设定好光照强度阈值进而促使单片机控制窗帘上的电机，实现通过检测环境的光线亮度改变，进而控制窗帘的开与关。

采用DHT11温湿度传感器模块，该模块具有体积小、功耗低、容易使用等特点，且其信号传输距离可达20 m以上，其温度的测量范围为0～50℃，湿度的测量范围是20%～90%RH，测量的温度为±2℃，湿度为±5%RH，温度的分辨率为1度，湿度的分辨率为1%RH，满足本次设计的需求。

采用MQ-2烟雾传感器实现烟雾检测功能，该模块可用于家庭或宿舍的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、苯、烷、酒精、氢气、烟雾等的探测，具有灵敏度高、响应快、稳定性好、寿命长、驱动电路简单等优点。

硬件设计图见图1。

图1 硬件设计图

2.1.4 场景设计

针对学生宿舍生活作息和安全性考虑，设计了3种场景，分别为起床场景、休息场景、火灾应急场景。根据不同的场景，系统会控制相对应的硬件来达到用户想要的功能，并分为自动启动和手动启动。

2.1.5 物联网关

宿舍内的多个硬件设备通过ZigBee组网[4]，树莓派用作网关，具体实现是通过在树莓派上写入操作系统，搭建开发环境并编写程序来实现一个网关功能。树莓派与用户端通过TCP的方式来通信；树莓派作为服务器，用来接收协调器（ZigBee网络）的数据，传输到用户端，并使用ZigBee模块，构建一个局域网。在学生宿舍中，其中有一个作为协调器，多个作为终端节点。终端节点分别布置宿舍门控制、灯光控制、窗帘控制等。协调器构建好这个局域网，让终端节点加入；然后收集各个终端节点传输过来的数据，实现系统通信需求。学生可通过手机APP控制宿舍内的硬件设备，如控制电机开门、打开窗帘、关灯等。

2.2 软件设计

该项目的软件设计部分主要是通过手机端的APP[5]来实现，使用Java程序设计语言Android客户端以及SQL Server数据库共同完成开发。通过移动端我们可以监测到宿舍的烟雾热量、温湿度大小以及是否出现使用电器功率过大的情况，一旦出现危险情况则手机端的环境分析会自动发出危险告警信号。这时APP可以通过远程控制直接断开危险系数较高区域的设备，当危险系数在一个紧急边缘时，则可以通过查询用户的信息，对所属宿舍区域进行人工危险提示。

在系统架构层面，Spring MVC 3层架构是我们的主导，它是围绕Servlet设计，将请求发送给控制器，接受客户端通过Http请求响应调用后台数据接口进行与后台交互，然后通过模型对象，分派器来展示请求结果视图。

在Android客户端，系统一共开发出6大模块，即登录注册：实现用户的信息采集；宿舍信息：对宿舍信息的查看功能；数据检测：对宿舍温湿度、烟雾度的查看；环境分析：对宿舍环境实时报告；监控数据：对宿舍内气体质量的动态检测；个人中心：对用户个人信息的增删改查操作。

在服务器、数据库上，主要设置有5大操作模块，即终端连接、API交互、信息管理、日志文件以及数据存储。由于涉及个人信息的数据存储问题，所以在数据库的设计上，我们给SQL设置了3层安全验证层次，最大程度地保证存储的高效性、安全性。

在APP与服务器交互方面，我们把终端设备通过API与Internet进行连接，是想对宿舍的控制与检测，然后把后台用到的数据都部署到服务器上，最后再传到数据库里进行存储。功能搭建方面，首先用Android搭建一个UI界面，界面把所有的功能都显示出来，流程图见图2。

图2 软件设计方面功能展示图

3 系统测试总结

（1）对于违规电器监测和用电量统计，本系统设计功率报警阈值为1 000 W，即使用功率超过1 000 W会触发警报机制，通过控制继电器切断电源，利用蜂鸣器模拟警告声响，同时向宿舍管理人员发送宿舍违规信息。通过这个系统，让学生养成规范用电的习惯和减少用电安全事故的发生。

（2）利用烟雾模块和温湿度模块协同监测宿舍环境，提高火灾监测的识别率和准确率，为学生提供有保障的宿舍安全环境，并且进行了场景设计，如模拟发生火灾场景，系统会控制电路触发报警器，并且第一时间控制宿舍门打开和使宿舍洒水器工作，并向宿舍管理者发送警报信息，以便其第一时间采取相关行动。

（3）系统采用ZigBee和树莓派相结合的组网方式，通过使用多个ZigBee设备搭建局域网，并使用树莓派作为网关与服务器进行通信。ZigBee具有成本低、可靠性好、模块功耗低、网络容量大等优点，从成本和实际使用效果方面考虑，ZigBee都非常适合项目需求。

（4）通过手机端，我们能够掌握所有在APP上注册的用户的安全状况，24 h全方位监控宿舍的危险系数。也可以通过软硬件相结合，使得能够远程控制宿舍区域的设备，当出现危险情况时能够及时发出危险警报，通过APP端实现设备的一键关闭状态。

4 结语

智能校园宿舍系统是一个基于物联网技术、计算机网络系统为简便现代大学生宿舍生活、提高宿舍安全而设计的系统。通过互联网实现软硬件的交互配合，使得APP能够正常对宿舍进行实时数据分析、环境检测、远程控制操作以及通过服务器及数据库对获取到的数据进行采集。项目成果达到了理想效果，实现了宿舍的智能化[6]、高效化，最大程度地提高群居宿舍的安全性及其智能性。