基于物联网技术智慧宿舍系统的设计

覃颂，欧城辉，张芮梅，张春美，丁慧仙，黄驷基

（广西民族师范学院，广西崇左，532200）

0 引言

全国各地高校每年都在扩大招生，高校住宿人数不断增加，学生的住宿问题，成为教育领域关注的重要问题之一。传统的学校宿舍管理已经远远适应不了人们对学生宿舍管理的需求。学生宿舍是老师监管不到的地方，是最容易发生校园暴力事件的地点。在我国，传统学校的宿舍管理工作仅靠人工来管理，这不仅难度大，而且人工管理成本高，管理成效不佳，不能合理有效地管理住宿的学生。此外，学生宿舍的电路不仅复杂，而且老化程度高，容易发生火灾、电路短路、电路漏电等事故。这一系列安全隐患表明传统的宿舍管理系统已经不能满足当今学校对学生宿舍的管理需要。针对这种情况，本文提出了“基于物联网技术智慧宿舍系统的设计”，目的是制作一款基于嵌入式和物联网化的智能化、人性化、安全化、健康化、管理化的智慧宿舍系统，实现便捷化移动查寝，随时了解学生归离寝室情况，让学生宿舍的人、事、物、尽在掌控。基于人脸识别、大数据等技术的智慧宿舍使管理更智能、高效、安全。

1 系统设计

本系统涵盖硬件与软件两大方面，系统总体由主控芯片、门禁系统、供电系统、安全消防系统、卫生系统、本地监控系统、手机APP 端七个部分组成。其中硬件方面包括STM32 单片机、K210 摄像头、HMI 串口屏、物联网模块、语音播报模块、电源稳压模块等器件，软件方面包括STM32 单片机的程序设计、基于易安卓开发的手机APP、HMI 串口屏的界面设计、OneNET 云平台等相融合。系统框架如图1 所示。

图1 系统框架图

2 系统硬件设计

2.1 主控芯片

采用 STM32F103RCT6 单片机作为该系统的主控，主要负责管理系统内数据的发送和接收工作，通过自身的5 个串口分别与HMI 串口屏、ESP8266 物联网模块、K210 摄像头相连接。主控芯片STM32F103RCT6 是一款高性能、低功耗的32 位微控制器，基于ARM Cortex-M3 内核，该款芯片包含高性能的RISC 内核。这款单片机搭载了STMicroelectronics 公司开发的STM32F103 系列芯片，具有较高的性价比和广泛的应用范围。256K 字节闪存，48K字节SRAM，CRC 计算单元，四个通用计时器，两个高级控制计时器和两个基础计时器，51 个高速输入输出端口，三个SPI, 两个I2C, 五个USART, 一个USB, 一个SDIO 和一个CAN 接口等诸多资源，其核心工作频率可达72MHz，能够很好地满足本设计的要求，STM32F103RCT6 最小系统图如图2 所示。

图2 STM32F103RCT6 最小系统图

2.2 HMI 串口屏

HMI 串口屏分辨率可达800×480，屏幕清晰而且自带多种控件，例如按键控件、文本控件、定时器控件等，并可以通过串口发送指令与主控芯片进行信息交互。HMI 串口屏具有flash 容量，存储容量为128 兆字节，掉电存储容量为1K 字节，运行内存为512K 字节，串口指令缓存区为4K字节，主控频率为200MHz，并且可以进行IO 口扩展，并且自带USART HMI 界面开发软件，使得这款HMI 串口屏操作简单、开发简便、功能性强、使用范围广等优点。

2.3 物联网模块

物联网模块采用ESP8266，ESP8266 是一种低成本、高集成度、性能稳定的Wi-Fi 模块，适用于各种物联网应用。它基于ESP8266EX 芯片设计，该芯片是一款高度集成的Wi-Fi SOC，集成了32 位Tensilica 处理器，CPU 时钟工作频率速度最高可达160MHz，具有完整的TCP/IP 协议栈和丰富的外围接口，ESP8266 模块支持802.11b/g/n Wi-Fi 协议，可以作为Wi-Fi 客户端，能够轻松地与各种Wi-Fi 设备连接。此外，它还支持作为AP 热点，方便用户构建局域网。ESP8266 模块可以通过SPI 协议，I2C 协议和串口（USART）等接口与其他外部设备进行通信，通常使用串口（USART）与主控制器进行通信，使用AT 指令集作为通信协议。主控制器可以通过发送AT 指令给ESP8266 来控制Wi-Fi 的连接、数据的接收发送，以及网络相关配置。使用ESP8266 模块，能够通过数据上传OneNET 云平台，再通过手机APP 端获取云平台数据，实现远距离数据传输，数据传输流程图如图3 所示，ESP8266 模块电路图如图4 所示。

图3 数据传输流程图

图4 ESP8266 模块电路图

2.4 K210 摄像头

K210 摄像头是一款高性能、高分辨率的摄像头，适合多种应用场景。它采用先进的图像传感器和优秀的光学设计，能够提供清晰、细腻的影像。K210 摄像头的水平视场角可达110 度，垂直视场角为70 度，能够覆盖较大范围的监控区域，减少监控盲区。同时，摄像头支持数字变焦功能，可以根据各种需要调整焦距，方便观察细节。具有双核64 位处理器，总算力可达1TOPS，内置多种硬件加速单元（KPU、FPU、FFT 等），并且拥有较好的功耗性能、稳定性与可靠性。

2.5 电源稳压模块

采用TPS54302 作为电源模块芯片，TPS54302 是一款具有两个集成式N 沟道的金属氧化物半导体场效应晶体管构成的同步降压转换器，输入电压范围为4.5V～28V，开关频率在400kHz。并且具备内部回路补偿和5 毫秒的内部软启动功能，降低了电源接通瞬间流入电源设备的峰值电流，同时也更大限度地减少了外部元器件数量。TPS54302实现恒定频率，峰值电流模式控制，降低了输出电容。TPS54302 器件具有一个集成式BOOT 稳压器，SW 引脚为高侧NFET 与低侧NFET 之间的交换节点连接，在BOOT引脚和SW 引脚之间连接一个100nF 的电容来为高侧MOSFET 提供栅极驱动电压，从而保证在温度和电压范围内具有稳定的特性。EN 引脚是启用引脚，浮动EN 引脚使能。引脚FB 为变换器反馈输入，用反馈电阻分压器连接输出电压。该器件采用了电流模式控制，可以实现快速响应和稳定地输出电压，可生成±2.5%精密电压基准，具有高效率和高精度的特点。此外，TPS54302 还具有过电流保护、过温保护和短路保护等功能，能够有效保护系统的安全运行。当调节输出节点与FB 之前的电阻值时，输出电压也会随之线性改变，由电阻R13 和R14 决定。

式中：Vout为输出电压，Vref为基准电压，通过公式计算得出输出电压，给主控芯片、HMI 串口屏、K210 摄像头等各个模块进行供电，电源稳压模块电路图如图5 所示。

图5 电源稳压模块电路图

3 软件设计

3.1 STM32 单片机的程序设计

先由主控芯片进行初始化，然后再对DS1302 时间模块、传感器和K210 摄像头进行初始化，然后由K210 摄像头对出入宿舍的人员进行识别，当识别到陌生人员进出宿舍时，会通过语音播报模块进行播报，让宿舍管理人员进行处理，并对陌生人员进行拍照保存。DS1302 时间模块会进行精准地计时，我们可以对DS1302 模块进行写入自己设计的时间，做好定时工作，保证语音播报模块每隔固定时间就提醒一次，起到定时时钟的作用。到了设计的门禁时间时，主控芯片会通过继电器对舵机进行控制对宿舍大门关闭，保护学生们的安全。这一过程由传感器对数据进行采集，再将采集到的数据实时传输到主控芯片当中，然后主控芯片根据采集到的信息进行舵机、换气扇开关等操作；然后再由ESP8266 将各种信息上传到OneNET 云平台，再由手机APP 端对OneNET 云平台的数据进行获取。智慧宿舍系统流程图如图6 所示。

图7 ESP8266 链接OneNET 云平台流程图

3.2 手机App 的程序设计

E4A 又名易安卓，它基于谷歌的Simple 语言，实现使用该软件的简单语言可以帮助程序员轻松编写Android 游戏和应用程序。同时在这里不仅支持纯中文编写代码，还支持开发者边写边看效果，并且操作和其他软件相比较简单，不需要开发者拥有太多复杂的编程知识，仅需要拥有一点易语言的基础即可快速的上手操作，提高了工作效率还拥有和易语言一样的可视化开发环境，以及强大的智能语法提示功能，所以就算记不住英文关键词也没关系，只需要拥有一点易语言的基础即可快速的上手操作使用起来。另外该软件为用户们提供了简洁直观的主界面，只要仔细关注就会发现其中的IDE 界面和易语言界面十分的相似，而且还可以直接在主界面中设置窗口设计器和代码编辑器。通过这两个功能即可快速地帮助用户进行可视化窗口设计和代码编辑，除此之外还内置了Android 开发包SDK，因此不需要使用的用户再另外下载Java1.6 的开发包，JDK 就可以轻松地开发一个操作系统，十分方便。

3.3 HMI 串口屏的界面设计

在智慧宿舍系统中，STM32 单片机通过接收各种传感器的数据，实现对智慧宿舍系统状态的实时监测和控制，再将采集到的数据信息，通过串口按照特定的通信协议发送给HMI 串口屏，然后在HMI 串口屏上显示出来。

使用HMI 串口屏自带的编程软件USART HMI，这款编程软件是基于C 语言的编程环境，HMI 串口屏可以支持电阻式触屏和电容式触屏，操作简单方便。使用HMI 串口屏自带的开发软件，可以对HMI 串口屏的界面、按键、文本框、键盘等多种控件进行设计，通过主控芯片的串口来与HMI串口屏进行通信。在设计中通过特定的协议，可以将各种传感器的数据上传到HMI 串口屏，达到数据交互；可以通过串口屏来发送所编写的指令给主控芯片，通过HMI 串口屏来操控器件动作。

3.4 OneNET 云平台

OneNet 云平台全称OneNet Cloud Platform，是一个由中国移动打造的物联网平台，致力于为物联网设备提供安全、可靠的连接和管理服务。OneNet 云平台提供了一系列功能，包括设备管理、数据存储、数据分析、规则引擎等，帮助用户快速搭建物联网应用，使得开发者可以快速上手并进行设备的接入和数据的采集降低开发成本和部署复杂度。OneNet 云平台主要面向智能城市、智能交通、智能环保、智能农业、智能能源、智能安防等领域提供物联网解决方案。OneNet 云平台具有简单易用、高可靠性、安全保障、拓展性强、数据分析和可视化等特点。同时，OneNet 还支持多种通信协议，如CoAP、 MQTT、HTTP 等，以适应各种物联网设备的接入需求。ESP8266 链接OneNET 云平台流程图如图7 所示。

4 结语

本文提出了一款基于物联网技术智慧宿舍的系统设计，本设计结合手机APP 远程监控、HMI 串口屏本地监控等方式对智慧宿舍进行实时监控保护，并且具有K210 摄像头对陌生人员进行识别，能够更好地保护学生们的安全，帮助老师和家长守护的学生安全。通过采用各种智能设备、系统和软件，智慧宿舍为学生提供了更加便捷、舒适和安全的生活环境。当今社会，智能化的宿舍管理系统更符合社会需求，本设计使管理人员更方便地对宿舍进行监管。在未来的发展中，智慧宿舍将会更加注重个性化需求，随着5G、人工智能和物联网技术的进一步发展，智慧宿舍也将实现更高程度的智能化和互联互通，为学生创造更加美好的生活体验。