智慧寝室系统设计与实现

张昊霖，张 敏，曹大焱，董伟宁，朱笑莹

（辽宁工程技术大学 电子与信息工程学院，辽宁 葫芦岛 125100）

0 引 言

随着《物联网“十二五”发展规划》的印发和持续推进，“智慧校园”逐步在校园中推广[1]。学生寝室作为学生校园生活的重要活动场所，也受到了极大关注。目前，国内外有许多学者对学生寝室的相关智慧化进行了研究，但大多主要针对整个学生公寓以及整个学生群体。例如：吴永斌等设计了学生宿舍人脸识别考勤系统[2]；文献[3-4]基于B/S架构对高校宿舍管理系统进行了设计与功能实现；朱静宜基于物联网技术设计了校园建筑能耗智慧控制平台[5]。以上研究对于单个寝室内部的智慧化所做工作较少，寝室内部设备配备仍然普遍简单。

目前学生寝室内普遍采用上下铺或上床下桌的配置，学生在上铺时存在关灯不方便的问题。而由于学生独立生活经验相对较少，在寝室生活中，普遍存在着熄灯时没关灯导致第二天起床时灯长明、下雨时因为没关窗导致寝室被淋湿，忘带钥匙导致被锁门外等问题。此外，学生寝室失窃现象也是高等院校的一个“顽疾”[3]，因学生私接电器引发火灾的现象也时有发生。

针对上述问题，本文根据学生的学习生活习惯[6]，设计并实现了一种智慧寝室系统。智慧寝室系统使用多种环境传感器采集当前环境信息[7]，其不仅能够通过手机APP对寝室门、窗、灯等设备进行控制，还可以实现寝室的防火防盗等功能，使学生寝室生活更加安全和便捷。笔者将本文系统安装在某高校学生寝室内，进行了为期一周的实验测试。实验结果表明，本系统运行稳定，具有一定实用性，对学生寝室生活质量有一定提升。智慧寝室系统结构简单、成本低廉，且学生可安全地自行架构组装，因此适于推广。

1 整体设计方案

根据学生生活需求，本系统包括门禁系统、灯光控制系统、自动窗系统和安全系统四部分。用户可以通过手机APP连接校园网向寝室中各个系统发送不同命令，使相应系统完成指令操作，实现对寝室门、灯光、窗等设备的控制。智慧寝室系统工作原理示意图如图1所示。

图1 智慧寝室系统工作原理示意图

2 硬件设计

2.1 门禁系统

门禁系统设计了密码锁和远程开关门两大功能。该设计优势在于：

（1）密码锁功能。无需携带钥匙就可以开寝室门，故能够解决学生忘记带钥匙、丢失钥匙而无法进入寝室的问题。

（2）远程开关门功能。该功能可远程控制开关门，能够解决学生忘记反锁门以及需要临时为他人开门等紧急问题。

门禁系统由主控模块、密码模块、WiFi模块和开锁模块四部分组成，各模块具体工作原理如下：

（1）主控模块

主控模块采用高速、低功耗、超强抗干扰的STC90C52RC单片机作为主控芯片，对系统进行控制。通过检验WiFi模块与密码模块通信引脚间的电平变化，控制相应模块执行指令，以达到操控系统的目的。

（2）密码模块

该模块由矩阵按键、LCD1602、8个LED、有源蜂鸣器等器件组成。用户通过矩阵按键输入密码，每输入一个密码点亮一个LED灯，并将输入的密码显示在LCD1602显示屏上。密码输入完成后通过单片机对接收到的矩阵按键电平信号进行处理，并与设置的密码进行对比。若密码正确，向开锁模块发送开锁命令由开锁模块完成开锁；若密码不正确则蜂鸣器长鸣进行报警。

（3）WiFi模块

WiFi模块主要由ESP8266-12E模块组成。用户可以应用手机APP通过校园网向WiFi模块发送开门的指令，当WiFi模块接到指令后通过改变定义引脚的电平高低与主控模块进行通信，主控模块控制开锁模块进行开锁。

（4）开锁模块

本模块的主要元件为SG90舵机。舵机与普通门锁相连，当收到开关锁命令后，单片机通过输出PWM信号控制舵机的转动，达到开关门锁的目的。

门禁系统工作原理示意图如图2所示。

图2 门禁系统工作原理示意图

2.2 灯光控制系统

灯光控制系统主要具有定时关灯、远程关灯两项功能。该设计优势在于：

（1）定时关灯功能。通过设定关灯时间定时自动关灯，解决当熄灯时因忘记关灯导致的灯长明或因去上课忘记关灯等原因造成浪费的问题。

（2）远程开、关灯功能。通过手机远程控制开、关灯，在床上对寝室灯光进行控制，以达到提升寝室生活便利性的目的。

灯光控制系统由51单片机、WiFi模块和舵机组成。该系统主要工作原理如下：将51单片机的定时器T0作为时钟进行计时，当到达设定时间后单片机通过PWM信号控制舵机转动，以实现定时关灯功能。远程关灯功能与远程开关门功能类似，都是使用手机与WiFi模块进行通信，通过51单片机控制舵机实现开关灯这一功能。

2.3 自动窗系统

自动窗系统具有雨天自动关窗功能。当学生因上课等原因而无人在寝室、且未关窗时，如遇雨天则可能导致寝室被雨淋湿而造成不必要的损失。自动窗系统优势在于，出现上述无人在寝室且需要关窗的情况时，可以通过雨天自动关窗功能进行关窗，避免寝室被淋湿而造成损失。

自动窗系统由51单片机、雨滴检验模块、微动开关、ULN2003电机驱动、步进电机组成。主要工作原理如下：以微动开关作为检测开关，检测窗当前状态是开或关；关窗时微动开关导通，开窗时微动开关断开。自动窗系统启动时，当雨滴检验模块检测到水滴、且微动开关检测到窗户处于打开的状态，则单片机将控制步进电机在规定的时间内进行关窗，如果超时电机将停转以防止对窗户造成破坏。

自动关窗系统工作原理示意图如图3所示。

图3 自动关窗系统工作原理示意图

2.4 安全系统

寝室安全问题也是寝室设计必须要考虑的重要问题之一，因此本文设计了寝室安全系统，主要包括防火模块与防盗模块两部分。该系统具有火灾检测、火灾报警、人员检测等功能，能够在发生危险之初进行报警，降低危险带来的损失。

防火模块由51单片机、MQ-135有害气体检测传感器、DHT11温湿度传感器、蜂鸣器组成，主要原理如下：MQ-135有害气体检测传感器通过模拟量输出电压，通过检测空气中烟雾浓度的改变输出电压，烟雾浓度越高，输出电压越大。一旦电压超过设定的阀值，单片机将会检验到电平变化，从而控制蜂鸣器进行报警，以提醒学生有危险发生；同时，通过WiFi模块向所有用户发出火灾报警信号，用户可以远程开门请求附近人员进行帮助。而DHT11温湿度传感器具有检测温湿度的功能，当传感器检测到寝室内温度高于50 ℃时，进行报警并向所有用户发出起火灾警信号。

防盗模块主要由RCWL-0516微波雷达感应开关与红外光电反射传感器组成，主要工作原理如下：红外传感器安装在寝室门上方，检测是否有人进入寝室；RCWL-0516微波雷达感应开关安装在面向寝室内墙上，用于对寝室内人员检测；当防盗系统启动时，若模块检测到房间内有人或有人进入房间，蜂鸣器长鸣进行报警。

3 软件设计

3.1 软件开发环境

智慧寝室系统采用Keil μVision4与Arduino IDE两种软件对硬件进行开发。通过Arduino IDE完成对ESP8266-12E模块与手机APP、51单片机之间通信程序的编写，使用Keil μVision4完成对其他硬件控制代码的编写。

Keil是一款涵盖C语言编译的专业软件开发系统， 具备宏汇编、库管理和仿真调试等诸多功能，是当代的主流编译工具之一[8]。Arduino与Keil类似，但是与Keil相比，Arduino具有开源的优势且更易上手。Arduino在下载相关硬件拓展包后可以在示例的基础上编写程序，适合在短时间内完成难度较高的硬件程序编写。

3.2 应用软件开发

智慧寝室系统的应用软件是基于Blinker开发的，通过Blinker APP与智慧寝室系统的硬件进行连接，以实现对系统硬件的远程控制。

Blinker是一套跨平台、跨硬件的物联网解决方案，其提供了手机APP端、设备端、服务端支持[9]，同时向用户提供自定义布局图形化操作界面，在满足用户要求的前提下极大地降低了使用难度。本系统通过在Arduino IDE添加Blinker库，在开发文档所给例程的基础上进行开发。开发时通过调用封装好的相应设备的函数简单地对I/O口进行定义设置即可达到控制设备的目的。其中控制设备运行的关键代码如下：

填写以上代码即可实现设备的基本运行。

将程序编译后，通过CH340模块以USB转串口的方式下载到WiFi模块，即可实现通过此软件连接校园网对硬件系统进行控制。软件操作界面如图4所示。

图4 软件操作界面

4 系统测试与结果分析

这里将本系统应用到寝室进行了1周的测试，结果表明本系统能够稳定运行，并提升寝室同学的生活质量。门禁系统能通过密码或手机远程操作实现开关门；灯光控制系统和自动窗系统能正常工作且具有较高的稳定性；红外传感器在能稳定工作的条件下可以有效检测18 cm内人员进出情况；当温度到达50 ℃时DHT11温湿度传感器可以实现正常报警；有害气体检测传感器能够实现阀值烟雾报警功能；RCWL-0516微波雷达感应开关能够有效的探测5 m范围内的人员运动情况且不会受到寝室外环境的影响。但在测试的过程中发现WiFi模块若长时间工作会产生较多热量需要做好散热工作。由于受时间精力限制，该系统无法进行更为完善的测试，笔者将基于本研究进行进一步的系统提升工作，以期实现更多功能。

5 结 语

本文给出了一种智慧寝室系统的合理设计方案，为寝室智能化提供了一条可行途径。本系统可以通过手机完成对寝室门禁、窗户、灯等设备的自由控制，同时具有防火、防盗功能。通过实验验证，本系统能稳定运行，能有效提高寝室的安全性，能为学生的寝室生活提供便利，提高学生寝室生活质量，对于学生宿舍的智能化建设具有一定现实意义。

注：本文通讯作者为张敏。