基于物联网技术和Android系统的智能宿舍的设计与实现

章万静，徐义晗，刘长荣，周文技

（淮安信息职业技术学院，淮安223003）

0 引言

随着科学技术不断的进步，人们的生活水平也在不断的提高，人们对生活的质量、快捷、方便和舒适的要求也会越来越高。而年轻的当代大学生更愿意接触新生事物，他们思维独立、追求个性，有较强的自我意识，对校园的教学质量、生活设施和学生管理有较高的要求。目前，学生宿舍生活条件较为简陋，宜居性不高，管理效能低下，安全性差，失窃高发，防火防盗措施存在漏洞，随着生活水平的提高，学生个性化需求的不断增加，学生宿舍居住条件近年来较以前有所改善，但仍未形成“物联生活”。因而，智能宿舍，将物联网技术应用于学生宿舍，为当代大学生提供更安全、智能、方便、快捷的学习和生活场所必将成为历史的必然[1]。

本文是在物联网技术和Android系统的基础上，以学生宿舍为研究对象，建立一个对学生宿舍环境实时监制与家电管理的智能化系统。系统以ZigBee近距离无线传输协议组建宿舍控制监测网络[2]，采用CC2530作为子节点核心控制处理器，实现宿舍的灯光、空调、窗帘、安防、空气监测等智能化控制，并通过增设服务器以及开发Android应用程序，实现手机或笔记本远程对宿舍中的设备进行监测和控制。

1 系统整体设计

智能宿舍系统是一个基于物联网技术，体系开放、结构松散而内部逻辑紧密的系统[3]，该系统的总体架构如图1所示。宿舍内部控制网络中，所有的环境数据通过温湿度、气体传感器进行采集，并通过ZigBee子节点将采集到的数据发送到ZigBee协调器，终端PC通过串口将ZigBee协调器采集的数据读取。在整个系统中终端PC即充当了服务端，也与Wi-Fi充当了宿舍网关，PC终端将宿舍的数据发送至云端服务器，在An⁃droid终端或笔记本终端可通过宿舍局域网对房中设备进行监测和控制。

1.1 系统硬件设计

（1）智能灯光

正常情况下，学生宿舍用电系统为交流电220V、50Hz，所以需要通过驱动电路来控制照明灯的开关。驱动电路如图2所示，主要由光电耦合器MOC3032和可控硅T435两部分组成，其中MOC3032光电耦合器能够实现强弱电之间的电气隔离。当CC2530控制芯片P23口输出低电平时，MOC3032中1和2引脚控制的发光二极管就会导通，则MOC3023的4和6引脚两端只要稍有压差就会导通，并触发可控硅Q4导通从而点亮照明设备[4]。反之，照明灯不会被点亮。

图1 智能宿舍系统整体设计

图2 智能灯光驱动电路

（2）智能窗帘

智能窗帘系统主要由电机、滑槽导轨、轴承、滚珠丝杆、滑移小车等部分构成，如图3所示。电机选用DT52E-45/20静音电机，窗帘的开合主要是通过电机的正反转来实现的[5]，移动速度可达20cm/s。其工作原理是：电机通电启动后，带动滚珠丝杆转动，动力将会作用滑移小车运动，从而带动吊环移动，使窗帘打开或关闭。电机的正反转控制电路如图4所示。

（3）环境监测

宿舍内的环境参数需要使用传感器实时采集，为其他智能设备控制和管理提供数据和策略支持。温湿度参数使用DHT11传感器，可同时测出环境的温度和湿度，由于DHT11采用单总线数字输出，具有尺寸小、响应时间短、可靠性高、稳定性好、价格低廉、容易使用等特点。DHT11硬件连接如图5所示。

图3 智能窗帘系统总装图

图4 电机正反转的控制电路

图5 DTH11硬件控制图

气体参数采用MQ-2烟雾传感器，可以用于气体泄漏监测，可检测常见气体包括天然气、酒精、甲烷、一氧化碳等气体。该传感器具有灵敏度好、响应速度快、探测范围广、成本低，寿命长等优点，可直接使用5V开关电源直接进行供电。本文中不需要读取具体的数值，外围的驱动电路就更简单，烟雾气体的阈值可以设置为100ppm，硬件连接如图6所示。

图6 MQ-2硬件控制图

（4）智能安防

智能安防主要采用OV公司生产的OV7670摄像头进行视频监控，该摄像头可以在-30℃-70℃温度范围内工作，工作在2.5V-3.0V的电压下，功耗非常低，硬件连接如图7所示。

图7 OV7670硬件控制图

（5）智能空调

智能空调需要使用红外进行控制，红外控制主要由发送和接收两部分组成，如图8所示。而目前大部分家电均采用红外一体化接收头来接收红外信号[6]，ZigBee子节点上安装红外发送装置即可。ZigBee子节点接收到来自人为的操作空调的命令后，编码调制成为一系列脉冲信号，通过红外发射管发送红外信号，由空调内置的红外一体化接收头接收红外信号，同时对信号进行放大、检波、整形得到TTL电平的编码信号，空调就会自动的做出相应设置。

图8 红外发送和接收示意图

1.2 系统软件设计

系统硬件组网控制实现后，需要进行软件开发，通过操作笔记本电脑或手机，从而远距离启动和控制硬件设施。智能宿舍系统软件功能如图9所示。

图9 智能宿舍软件功能图

（1）Web服务端软件功能设计

在本系统中Web端后台管理系统共有6个模块，分别为：

●注册模块：实现宿舍成员的注册。

●登录模块：实现宿舍成员的登录。

●房间管理：可对房间添加、删除、修改。

●设备管理：可对房中的设备添加、删除及设备信息的维护。

●模式选择；用户可以对宿舍设置回家模式、休息模式，也可以自定义模式。

●数据采集：通过温湿度、气体传感器将房中的环境数据采集。

（2）Android客户端软件功能设计

在本系统中Android客户端共有6个模块，分别为：

●用户登录：实现用户登录。

●房间信息：可查看房中各个房间中的设备信息。

●环境数据：可以查看房中的温湿度、气体信息。

●设备控制：可对房间中设备进行控制。

●成员信息：可查看宿舍成员的信息。

●日志文件：可查看房中的日志文件。

（3）云端数据存储功能设计

在本系统中Android客户端共有1个模块，为宿舍日志文件存储。

2 系统软件实现

系统的软件设计分别利用HTML5和Strust2+Hi⁃bernate开发智能宿舍管理系统Web端管理程序，在串口通讯时采用观察者设计模式，利用HTTP通信实现Web端与Android客户端、云端服务器通信，其中服务端程序使用MyEclipse 2014进行开发，Android客户端使用Android Studio及Android SDK包进行开发。其中，设备管理流程如图10所示，Android移动端主界面如图11所示。

图10 设备管理流程图

图11 Android客户端主界面

新增设备AJAX核心代码为：

3 结语

本文所提出的智能宿舍解决方案，利用CC2530核心控制芯片和ZigBee技术实现各硬件节点的组网和控制[7]，通过软件开发，实现了智能终端远距离操作和控制[8]。完备的测试和充分的实际操作表明，该方案顺应时代与科技的发展方向，在改善学生学习和生活环境的同时，增强了用户体验，具有较高的市场前景和实用价值。