基于多机通信的智能学生公寓系统设计

孙天齐+殷红彩

摘要：针对高校学生公寓的智能管理问题，设计了以学生自我管理为基础的集门禁、防盗、防火灾和节电控电等功能的智能控制系统，文中详细地论述了整个系统以及各个功能模块的构建，同时给出了设计框图及部分仿真硬件电路，并对系统进行了仿真实验，效果良好。该系统能有效地解决学生公寓的节能、安全等问题，实现了智能化管理。

关键词：学生公寓；智能控制；单片机；传感器；仿真

中图分类号：TP368 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）15-0109-03

Abstract：For the intelligent management of college student apartments， designed on the basis of students' self-management of entrance guard， guard against theft， fire prevention and power saving electricity， and other functions of intelligent control system， this paper discusses in detail the whole system and construction of various functional modules， and gives the block diagram and part of hardware circuit design， and has carried on the simulation experiment on the system， the result is good. The system can effectively solve the problem of student apartment such as energy saving， security， realize the intelligent management.

Key words：student apartment；intelligent control； microcomputer； sensor；simulation

随着我国高等教育事业的发展，大学生人数不断增加，导致高校后勤对学生公寓的管理工作量大大增加，同时在管理过程中也存在很多困难，比如针对火灾预防、节电节能和盗窃预防等问题，管理实时参与度很低，且高校后勤管理发展相对较慢。为了更好、更方便地管理学生公寓和加强学生自我管理能力，提高高校后勤管理水平，本文设计了一种基于单片机控制的智能学生公寓系统，通过各模块的控制，可以有效地降低问题发生的概率。本系统可以使得学生的生活更安全和方便，能降低很多安全隐患发生的可能性和及时做出预警，对加强学生的生活安全有很重要的意义，也是对未来智能学生公寓的管理发展做铺垫。同时本系统有可靠性高、成本低且易于安装的特点，有很强的实用性。

目前智能公寓、物联网技术等都刚刚发展，处于起步阶段，技术尚不是很成熟，但也已经取得了很多成果。在未来，智能公寓等智能化生活方式将会迅速发展，最终将会进入到我们的学习生活中。因此研究对学生公寓的智能化设计是必要的，也会是一种发展趋势，也是对未来更全面、更广泛的智能生活设计的实践。

1 系统设计概述

整个系统以计算机作为总控制台，以单片机作为各子系统的控制中心，以实现全面、有效、方便地控制。针对各个方面的需要，分别设计出其对应的功能模块，使得控制能互不干扰，并行工作，对提高系统的稳定性和容错能力有很大的作用。计算机用来统筹管理和协调各子系统的工作，能对问题的发生做出预先判断，并给出合适的处理意见和做出正确的处理行为。

本系统主要有如下几个子系统组成：门禁子系统、火灾预防子系统、防盗子系统和节电控电子系统。各子系统分工协作，实时与主机通信，以提供实时监控和保护。

本系统是由计算机与多片单片机组成的主从机控制系统，以实现计算机与单片机之间的串行通信。由于单片机与计算机串口的电平属性不同，在通信之前要对计算机串口电平进行转换，在此之前，需要选择通信方式。

目前有两种常用的串行通信方式RS232和RS485，由于RS232不能使用双端信号，因此要求使用较高的输出电压，易受到干扰，而且其传输距离较短，而RS485通信信号传输是使用两根线之间的电压表示逻辑1和0的，接受和发送仅需要两根线就能完成传输，且由于传输线采用了差动信道，所以它的抗干扰性能较好，传输距离长，可满足一般学生公寓需求，另外它的传输速度较快，综合考虑本系统采用RS485总线方式。[1]

由于计算机串行接口为RS232电平，需要使用RS232/RS485标准转换芯片转换成RS485接口，单片机串行接口为TTL电平，需要使用MAX485芯片转换成RS485接口，之后才能保证正常通信。系统结构图如下图1所示。

当主从机通信时，首先设置从单片机的串行接口与主机串行接口的参数保持一致，如数据格式、通信波特率等。本系统的每片从单片机都有一个独立的地址编号，并通过寄存器设置成接收地址。本系统中通信协议有三种帧格式：呼叫帧、应答帧和数据帧，呼叫帧由主机发出，应答帧只能由从单片机发出。当从单片机收到呼叫帧后，把本机地址和当前状态返回给主机进行比对，判断是否一致。若与主机发送地址相符，则发送应答帧，进入通信状态，其他与主机所发地址不相符的从单片机则保持继续监听状态，主从机均以中断方式进行通信。若从单片机需要发送数据到主机，则必须先等待主机遍历各从单片机后，才可以提出请求。具体通信过程流程图如图2所示。

本系统通过主机的控制，方便了对各个子系统的管理，有利于节约时间和提高管理效率。

2 子系统结构设计

2.1 子系统主控芯片

子系统采用STC公司的增强型51系列单片机12C5A60S2，它与8051单片机指令、管脚完全兼容，而且其内部自带高达60K FLASH ROM，同时价格相对低廉，能满足本系统的需求。

2.2 门禁子系统

此子系统用于防止陌生人员私自进入宿舍。宿舍门除了常规的门锁外外加了步进电机控制的电子锁，想要打开门锁需要输入正确的密码。为了方便，密码仅设置三位，可用按键输入，使用I2C接口EEPROM 24C04保存密码，同时液晶屏显示输入结果。此子系统设置密码错误报警模式，当输入密码错误达三次时，会触发蜂鸣器发出报警声，同时将报警记录传回主机。[2]

2.3 火灾预防子系统

此子系统主要有温度传感器和烟雾传感器来测量宿舍内相关数据，经过处理后判断是否有火灾发生，如果达到设定的临界值时立即触发蜂鸣器持续发出警报声。同时此子系统有过电保护功能，采用电流互感器测量宿舍用电情况。[3]当电流达到临界值时或电流突增的情况下触发继电器切断宿舍电路。如图3为结构框图。

温度传感器采用DALLAS公司的单总线数字温度传感器DS18B20，[4]具有低功耗和抗干扰能力强等特点，可直接将温度转化成串行数字信号给单片机处理，温度测量范围为-55～+125℃，工作电压范围为3～5.5V。烟雾报警器内部采用离子式烟雾传感，[5-6]烟雾浓度越高，离子电流越小，等效电阻则会增加，从而可测得烟雾浓度。

2.4 防盗子系统

为防止陌生人员经过阳台进入宿舍，在阳台安装热释电红外传感器，[7-8]进行实时监控。人体辐射红外线波长在6～12微米，利用此特性，可做到对阳台的监控，同时此子系统连接警报装置。

2.5 节电控电子系统

为达到对宿舍内电灯的控制，采用光敏传感器和红外传感器检测室内亮度变化及人员活动。当检测到有人员活动时根据室内亮度选择关闭或是打开电灯，且添加关灯后延迟熄灭功能，以方便学生上床休息。

3 系统程序设计与仿真实验

由于子系统相对较多，本文选择门禁子系统作为例子。限于篇幅，这里选择输入密码后程序如何处理为要求设计程序。此设计以上述门禁子系统仿真电路图为根据，当输入密码后，会对密码进行判断，因此会有两种结果，正确，则LED灯亮，否则，LED灯不亮，累计三次错误后，蜂鸣器响起。程序流程图如图4所示。

经过试验仿真，系统运行正常，效果良好，可以满足设计需求。由于结果不方便表现，在此不再展示。

4 总结

本系统包含了具有防盗、门禁、火灾预防和节电控电等不同功能的模块，各模块分工协作，互不干扰，使得系统能正常运行，提高了系统的时效性和容错能力。经过仿真实验，系统运行良好，且系统搭建相对简单，价格低廉，有很好的实用性。本设计对完善高校学生公寓管理工作有一定的帮助和价值，为以后不断发展的智能化生活做出实验和参考，应用前景良好。

参考文献：

[1] 彭宏伟，边志远.基于RS-485总线的PC机与单片机串行通信系统的设计与实现[J].大地测量与地球动力学，2009，.8（29）：122-123.

[2] 彭伟.单片机C语言程序设计实训100例—基于8051+Proteus仿真[M].北京：电子工业出版社，2012：336-341.

[3] 徐广振，王丽卿.基于STC的高校学生公寓专用智能控制系统设计[J].科技视野，2015（28）：266.

[4] 王东峰，陈圆圆.单片机C语言应用100例[M].北京：电子工业出版社，2013：237-242.

[5] 吴建平.传感器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2012：187-189.

[6] 刘千，丁会柱.基于ARM的智能化公寓安防测控系统设计[J].电子设计工程，2011，7（13）：152-155.

[7] 房汉雄，王艳春.基于51系列单片机的被动式热释电型红外防盗报警器的设计[J].齐齐哈尔大学学报，2008.1（1）：41-43.

[8] 李静，王德兴.基于热释电红外传感器的人防警报器防盗系统设计[J].电脑开发与应用，2010（12）：26-27.