基于機(jī)智云的智能宿舍系統(tǒng)設(shè)計

ID:184786 · 發(fā)表于 2017-9-1 20:32

摘要：為了滿足大學(xué)生對智能宿舍的需求，設(shè)計了基于機(jī)智云的智能宿舍管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由arduino核心板、RGB全彩LED燈、電機(jī)驅(qū)動模塊、溫濕度傳感器模塊、熱釋紅外感應(yīng)器模塊、WiFi模塊和手機(jī)應(yīng)用程序組成，文中給出了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計方案、軟件設(shè)計流程圖，以及整個系統(tǒng)的工作流程圖。經(jīng)測試，本系統(tǒng)功耗低、操作簡便、穩(wěn)定性高、實時性好。
0 引言
隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)元器件價格不斷下降，技術(shù)越來越成熟，使得智能家居走進(jìn)了我們普通人的生活[1] 。對于大學(xué)生來說，宿舍就是大學(xué)生的家。現(xiàn)代大學(xué)生已經(jīng)充分享受到科技帶來的諸多便利，這是一個普通宿舍難以接受的。因此，本文設(shè)計了基于機(jī)智云的智能宿舍，使得大學(xué)生可以通過智能手機(jī)應(yīng)用程序遠(yuǎn)程控制宿舍的燈光、空調(diào)、窗簾等，通過紅外感應(yīng)監(jiān)測人員狀態(tài)以保障宿舍安全。
1 機(jī)智云介紹
機(jī)智云是一個中立的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展平臺，機(jī)智云是靠經(jīng)驗和技術(shù)積累為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域提供了一套完整的工具和服務(wù)，以此降低硬件廠家以及開發(fā)者的開發(fā)門檻。機(jī)智云秉承中立、開放的態(tài)度，使得硬件廠商和開發(fā)者在銷售渠道以及數(shù)據(jù)把控力上后顧無憂[2] 。機(jī)制云靈活、跨服務(wù)器部署，也能滿足聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、數(shù)據(jù)安全、連接和穩(wěn)定的較高要求。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計
智能宿舍系統(tǒng)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)分為 Arduino 核心板，RGB LED 驅(qū)動模塊，電機(jī)驅(qū)動模塊，溫濕度傳感器模塊，熱釋電紅外傳感器模塊，WiFi 通信模塊 6 個部分。其中，Arduino 核心板為主控部分，負(fù)責(zé)一系列狀態(tài)檢測，數(shù)據(jù)處理、邏輯處理及執(zhí)行控制。RGB 全彩 LED 燈模塊用于模擬實際中可調(diào)彩色燈光 LED 燈。電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動可調(diào)速電機(jī)用于模擬窗簾電機(jī)，通過手機(jī)應(yīng)用程序控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)窗簾開合。溫濕度傳感器模塊用于采集宿舍內(nèi)環(huán)境溫度、濕度數(shù)據(jù)，上傳云端（機(jī)智云）后，通過手機(jī)端應(yīng)用程序可查看宿舍實時溫濕度數(shù)值。熱釋紅外模塊用于檢測是否有人經(jīng)過，全部離開后，啟動安防系統(tǒng)。WiFi 通訊模塊將 Arduino 核心處理后的數(shù)據(jù)上傳至云端（機(jī)智云）存儲，并且下發(fā)來自云端（機(jī)智云）的控制命令[3] 。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
3.1 Arduino 核心版
Arduino 是一款入門容易的開源電子原型平臺，主要包含硬件和軟件兩部分。其硬件系統(tǒng)是高度模塊化的，通過 USB接口與計算機(jī)連接，包括14 通道數(shù)字 I/O 口，其中包括 6 通道 PWM 輸出，6 通道 10 位 ADC 模擬 I/O 口，可用 USB 提供 5 V 工作電源。Arduino 的硬件與軟件都遵守開源許可，任何一個人無需授權(quán)即可無限制地獲得軟件代碼、電路原理設(shè)計圖。根據(jù)開源設(shè)計，任何人都可以定制裁剪出符合需求的設(shè)計[4] 。
3.2 RGB 全彩 LED 驅(qū)動模塊
本設(shè)計采用 LED 燈驅(qū)動模塊 p9813 全彩 LED 光源驅(qū)動芯片，該芯片可提供三路恒流驅(qū)動以及256 級灰度輸出。采用雙線傳輸模式（數(shù)據(jù)和時鐘），內(nèi)建再生，可以提高傳輸距離。用于驅(qū)動顯示器的光轉(zhuǎn)換，各種字符變換，顏色模式。在系統(tǒng)中，Arduino 通過 p9813 芯片控制調(diào)節(jié) RGB 全彩 LED 亮度和色彩。
3.3 電機(jī)驅(qū)動模塊
在系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)完成的主要任務(wù)是準(zhǔn)確移動窗簾的位置，實驗采用 openjumperL298 電機(jī)驅(qū)動板來完成窗簾步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動。L298 芯片是一個 H 橋集成電路，輸出電流 2 A，最大電流 4 A，最高工作電壓 36 V，可以驅(qū)動感性負(fù)載。L298電機(jī)驅(qū)動擴(kuò)展版采用堆疊設(shè)計，直插 Arduino 底板，僅占用Arduino 的 4 個數(shù)字 I/O 端口連接 L298 的輸入口，即可控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及調(diào)速[5] 。
3.4 溫濕度傳感器模塊
為了獲得更精確的溫度和濕度，系統(tǒng)設(shè)計采用數(shù)字信號輸出溫度、濕度已校準(zhǔn)的 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。該模塊通過數(shù)字采集技術(shù)和溫度、濕度傳感器技術(shù)，保障產(chǎn)品擁有高可靠性以及優(yōu)秀的穩(wěn)定性。濕度測量范圍為 0±100%，精度為 2% ；溫度測量范圍為－ 40 ～125℃，精度為±0.5℃。DHT11具備小體積、低功耗、快響應(yīng)、高性價，可進(jìn)行長距離信號傳輸，非常適合分布式應(yīng)用等特點[6,7] 。
3.5 熱釋紅外模塊
該設(shè)計中，紅外傳感器模塊選用普通型人體熱釋電紅外傳感器 HC-SR501，這是一種能檢測人體發(fā)射的紅外線的新型高靈敏度紅外探測元件。通過非接觸式檢測人體紅外能量的變化，將輸出電壓信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出，并對輸出電壓信號進(jìn)行放大[7] 。因此，它可以用來使電源開關(guān)控制器和防火災(zāi)報警等。被動的紅外報警主要是在結(jié)構(gòu)上使用，不需要發(fā)送任何形式的能量，該模塊只需要接收自然能量就可以達(dá)到檢測的目的[8] 。
3.6 WiFi 模塊
在設(shè)計中，WiFi 模塊選用上海漢楓電子科技有限公司生產(chǎn)的 HF_LPB100 超低功耗 WiFi 模塊，該模塊內(nèi)嵌 WiFi 協(xié)議和配置組網(wǎng) TCP/IP 協(xié)議棧，可將用戶物理設(shè)備連接到無線網(wǎng)絡(luò)，并提供 UART 串口的解決方案[9] 。這使得傳統(tǒng)的低端串行設(shè)備或單片機(jī)控制設(shè)備可以很容易地接入WiFi 無線網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的控制與管理[10] 。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
在宿舍中，智能宿舍系統(tǒng)的硬件部分通過 WiFi 模塊與機(jī)智云通信，上傳經(jīng)過Ardunio 處理后的傳感器收集的數(shù)據(jù)以及傳感器狀態(tài)。機(jī)智云與 WiFi 模塊通信將手機(jī) App 控制命令下發(fā)給Arduino執(zhí)行。若系統(tǒng)硬件部分與手機(jī)接入同一局域網(wǎng)，則手機(jī) App 可直接與系統(tǒng)硬件部分直接交互，無需通過機(jī)智云。智能宿舍系統(tǒng)的工作流程如圖 2 所示。智能宿舍系統(tǒng)的程序流程圖如圖 3 所示。首先 Arduino板初始化串口，保證與 WiFi 模塊的正常通信，之后初始化WiFi 模塊保證其能夠與機(jī)智云正常通信。然后 Arduino 主控制器控制 WiFi 模塊監(jiān)測是否收到來自手機(jī)端的控制命令。若有，則判斷為何種命令。若是電機(jī)控制命令，則根據(jù)當(dāng)前窗簾位置決定正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)；若是 LED 控制命令，則根據(jù)手機(jī)端設(shè)定值改變 LED 的狀態(tài)。若沒有收到來自手機(jī)端的控制命令，那么就進(jìn)行溫度、濕度的采集，檢測紅外感應(yīng)器的狀態(tài)。最后通過機(jī)智云將以上傳感器的狀態(tài)發(fā)送到手機(jī)端供學(xué)生查閱和控制。

5 系統(tǒng)測試
智能宿舍系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示和設(shè)備控制是通過應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)的。在將系統(tǒng)硬件通過 WiFi 模塊連接到云端（機(jī)智云）后，我們就可以使用手機(jī) App 實時查看環(huán)境狀態(tài)以及設(shè)備狀態(tài)，控制目標(biāo)設(shè)備。經(jīng)過多次測試，系統(tǒng)能有效準(zhǔn)確的獲取到環(huán)境的溫濕度值，以及熱釋紅外感應(yīng)器能準(zhǔn)確檢測出是否有人經(jīng)過。圖 4 所示分別是測試時的應(yīng)用界面截圖，圖 5 所示為系統(tǒng)硬件的快速原型硬件實物圖。

6 結(jié) 語
該系統(tǒng)設(shè)計環(huán)境監(jiān)測僅僅監(jiān)測了環(huán)境溫濕度，今后可以把空氣質(zhì)量 PM2.5，以及其他可吸入的有毒物質(zhì)顆粒監(jiān)測加入到系統(tǒng)中，構(gòu)成宿舍室內(nèi)環(huán)境健康監(jiān)測子系統(tǒng)；將空調(diào)、熱水器等家用電器接入到系統(tǒng)中，構(gòu)成設(shè)備控制子系統(tǒng)。系統(tǒng)具有智能化、自動化的特點，使其在相關(guān)領(lǐng)域有一定的應(yīng)用價值。(內(nèi)容來自網(wǎng)絡(luò)，侵刪)

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