基于Arduino的低成本智能宿舍监控系统研究

2021-07-28黄利红

数字技术与应用 2021年6期

黄利红

(湖南软件职业学院,湖南湘潭 411100)

0 引言

物联网技术实现了不同领域内发展的可能性,例如智能建筑等。随着我国教育现代化建设的发展,大量高等院校学生宿舍纷纷建成。这些建筑要满足的不仅仅是单一性的功能需求,更要提供安全、绿色、便捷、智能的环境,宿舍管理人员也需要更加方便高效的管理手段。而现有的智能建筑系统往往存在着成本高,不易扩展和改造,缺乏系统联动机制等缺陷。基于Arduino的低成本智能宿舍监控系统是解决上述问题的一种可行方法。

1 现状研究

物物联网技术应用于建筑物,国外的先例出现在美国。1984年美国联合科技集团对康涅狄格州哈特福德市的一座旧金融大厦进行改建,建成了世界上第一座智能大厦。被改造过的大楼是利用当时先进的数字程控交换技术、计算机技术、资料检索技术和语音通信等技术,实现了大厦内的高效办公和设备自动化管理[1]。

此后,相关应用在美国迅速发展。2009年9月美国IBM公司与爱荷华州迪比克市一起合作,希望将该市城市打造成为智慧城市。物联网技术运用于建筑物,作为智慧城市的一个重要组成部分,成为智慧城市的一个个节点,能将所有楼宇的水电、消防、交通和安防等各种信息综合联系起来。

在差不多的年份,日本也提出了“智慧日本”的发展战略,该战略将数字信息技术、互联网技术应用到生活和生产的每个方面。韩国也开始将物联网技术应用到城市的建设发展,以提高城市的管理综合能力和效率。这个时期,加拿大、新加坡和印度等国家也提出了类似的概念。

在我国,随着Arduino技术的发展,对物联网技术运用于建筑物的研究也非常多。刘春林等设计了一种基于Arduino和Android设备的温室智能控制系统,对温室的环境进行调节[2]。吕刚磊等利用Arduino技术,设计了一个智能家居系统,该系统包括温度检测、PM2.5检测、智能插座等,能实现对家庭温度的检测、插座的控制和空气质量的监控[3]。付孟林等设计了一个基于Arduino的分布式智能家居安防系统设计,能实现家居内部有害气体监测、报警、显示等功能。

从国内外的各种研究和运用可以看出,绝大部分运用采用了当时最先进的技术,投入了大量的人力和资金,成本较高的。这些系统建设大部分使用有线通信方式,部署与配置工作相当复杂,不易扩展,进行改造和系统升级也非常困难。另外也由于缺乏系统联动机制,各个子系统之间没有形成较好的信息互联互通。

基于Arduino的低成本智能宿舍监控系统因其接入门槛较低、覆盖面广、传输速度快,具有很强的可扩展性,可以在较少的人力和资金的情况下,对高校宿舍进行24小时全方位的监控,这些能够解决现状的不足。

Arduino是2005年欧洲一个开发团队推出的开源性的软件硬件相结合的开发平台。它包含的硬件能够实现基本硬件搭载功能,软件是能够实现这些基本功能的一套开源的软件开发环境。用户只要通过简单的程序编写和硬件搭载就能完成某种产品的开发。它也具有与PC以及电脑端口连接的周边装置的功能,能够通过运行的PC端上面的软件进行信息传递从而进行控制。因Arduino具有跨平台、简单易用的特点,可以缩短开发周期,降低研究成本,适用于该系统。

2 系统的总体设计

基于Arduino的低成本智能宿舍监控系统,在各种传感器采集数据后,采用常见的Arduino开发板对数据进行收集和处理,存储至物联网云平台,然后在上位机控制平台或者移动端可以进行查看。该系统无需布线,在WiFi下即可实现实时监控宿舍的情况,如有警情例如火灾等可迅速告知宿舍成员和管理人员前去处理障,也可以提供电器、照明、温控监控的功能。如图1所示:

图1 基于Arduino的低成本智能宿舍监控系统的总体设计Fig.1 Overall design of low cost intelligent dormitory monitoring system based on Arduino

系统主要由四个部分构成:

(1)数据采集部分。这个部分主要有各种传感器组成,用于采集学生宿舍中的各种基本数据。数据采集部分通过各种线缆和Arduino微控制器部分连接。

(2)嵌入式平台部分。这个部分主要由Arduino微控制器和无线模块组成,将收集的数据进行处理并通过无线方式上传至互联网云平台。

(3)物联网云平台部分。物联网云平台是一种为“万物互联”定制的云平台,它与我们平时所见的普通的互联网是不同的,第一个是连接进去的终端数量非常庞大,第二个是接入的协议非常多样化。目前国内比较成熟的有中国移动的OneNET、阿里云AIoT、电信云平台、华为云、机智云、百度天工等。这个部分是作为数据存储、转发的云端架构。它是物联网服务功能的大数据处理核心,相当于桥梁一样,能实现物体与物体之间的数据交互与交换的功能。

(4)终端控制部分。这个部分由上位机控制平台和移动客户端组成,它能够接收来自物联网云平台的数据,同时也可以发送控制命令给物联网云平台。随后物联网设备云平台将控制命令转发给嵌入式平台部分,从而实现了终端控制部分对嵌入式平台部分的远程控制功能。

3 系统的硬件设计

基于Arduino的低成本智能宿舍监控系统在硬件的选择上要遵循技术上比较成熟、经济比较合理,应用上比较适用,以及维修、操作性比较简单的原则。

3.1 数据采集模块硬件

基于Arduino的低成本智能宿舍监控系统主要收集宿舍里面的以下方面的数据如温度高低、湿度大小、声音大小、是否有人、是否有烟雾、火焰等,选择了市面上常见的技术已经非常成熟的硬件。

宿舍的环境最常见的是对温度、湿度的采集。温湿度传感器采用DHT11,DHT11湿度传感器是一款市面上非常成熟的双用型传感器,精度高,抗干扰能力很强,具有很高的可信度,能够同时检测空气中的温度与湿度,是一种性价比非常高的传感器。

此外,判断宿舍里是否有人采用人体红外传感器HC-SR501,当有人经过时,其散发的红外线引起探头内部热释电反应,从而改变传感器的输出状态。

宿舍是否有有害气体挥发或者火灾的检测可以采用烟雾传感器采用MQ-2。这种传感器常用于家庭或工厂的气体泄漏监测,对液化气、酒精、天然气、烟雾等非常灵敏。它是一种多种气体的探测器。其基本工作原理是,空气中的有害气体浓度越大,它的电导率越大,电阻越低,输出的模拟信息也就越大。MQ-2的探测范围极其的广泛,灵敏度高、响应快、稳定性好、寿命长、驱动电路简单[1]。

宿舍是否有火灾发生,可以采用火焰传感器。选取YL-38型号的火焰传感器,它运用了特殊的红外接收装置,能够检测到火焰的特定波长,并将火焰强度量化,转化成高低变化的模拟信号或者高低电平数字信号[2]。人体红外传感器,烟雾传感器,火焰传感器和蜂鸣器结合使用,在出现危险情况时实现报警。

3.2 嵌入式平台模块硬件

基于Arduino的低成本智能宿舍监控系统采用Arduino mega 2560主板。Arduino mega 2560是一块以ATmega 2560为核心的微控制器开发板,在其开发板上装置54个数字输入输出接口和16个模拟输入输出接口,其中数字输入输出接口有16组具备脉宽调制功能,这些输入输出接口可以与大量外围模块连接,正好满足本设计对Arduino微控制器的需求。在另一方面,Arduino mega 2560在烧录或者执行程序代码时,直接使用USB接口与电脑对接即可。Arduino mega 2560具备双重供电系统,分别为USB口供电与外部电池供电,两种电源供电系统会根据特定情况自动切换。如图2、图3所示:

图2 Arduino mega 2560开发板Fig.2 Arduino mega 2560 development board

图3 ESP8266开发板Fig.3 esp8266 development board

该系统的无线模块采用ESP8266开发板,这种开发板非常适合用于物联网和智能家居的WiFi模块。性能稳定,结构简单,价格低廉,符合该系统低成本的要求。Arduino和ESP8266开发板的连接和控制都比较简单、方便,通过SPI/SDIO接口或者中央处理器AHB桥接口即可。ESP8266有三种组网模式:SoftAP模式、Station模式、SoftAP+ Station模式[3]。它的主要作用是让整个嵌入式平台部分通过WiFi与网络连接,因监控系统要求能进行远程控制,因此采用第三种模式即混合模式。