基于物联网技术的高校宿舍监控管理系统

陆丽娟，刘亚荣，谢晓兰

(桂林理工大学 信息科学与工程学院，广西 桂林541004)

随着物联网、人工智能及云计算等技术的飞速发展，将新技术应用在学校日常监控管理中成为广大学者研究的课题。文献[1]设计了一种物联网下大区域校园智能视觉特征定位技术，实现对校园人行道等区域的视觉特征定位；文献[2-4]均以STM32为核心，通过各类传感器模块分别实现对学生宿舍火灾监控、逃课监控、环境温湿度、人体温度等的监控；文献[5]设计的一种节约型智能学生宿舍管理系统可实现对学生就寝情况、宿舍水电等的智能控制；文献[6]设计了一款基于人体红外传感与无线通信的学生宿舍智能管理系统，实现了学生到校、就寝、学习情况的实时监控；文献[7]采用人脸识别功能设计实现对学生的管理。然而，由于高校学生拥有电脑和智能手机的数量与日俱增，使得越来越多的大学生沉迷于网络或手机游戏中，高校宿舍为这部分学生提供了最好的游戏场所[8]，总有部分同学或者寝室在休息时间段大声喧哗，或者联网游戏，高分贝的噪声不仅影响学生自己的身心健康，同时也严重干扰了周围其他宿舍学生的休息。对于传统的宿舍管理模式，对于熄灯后的大声喧哗现象，通常采用巡查监听并制止的方式，这种方式不仅效率较低，且会影响到其他宿舍学生的休息。目前大多数宿舍监控系统一般只考虑学生人数的统计、烟雾报警等，却忽略了休息时间段噪声的影响[2-13]。鉴于此，本文采用以单片机为核心，基于物联网技术实现对每个宿舍人员数、烟雾隐患和休息时间段噪声分贝的监测，并将监测情况实时发送到管理员手机，实现对各个宿舍的实时安全高效监控。

1 系统硬件电路设计

1.1 系统结构框图

宿舍监控管理系统结构框图如图1所示，主要包括STM32单片机、声音检测电路、烟雾检测电路、红外计数模块、LCD显示屏、LED报警电路和GSM通信模块。声音检测电路、烟雾检测电路、红外计数模块分别采集宿舍的声音、烟雾和人数，并将采集结果实时显示在LCD显示屏，当采集的烟雾或声音分贝值超过设定阈值时，单片机将通过GSM模块向管理员发送短消息，同时将宿舍编号发送到用户的手机上，实现管理员手机与单片机之间的信息交互。

图1 系统结构框图

1.2 单片机最小系统

单片机最小系统由STM32F103C8T6单片机、电源稳压与滤波电路、晶振电路、复位电路和扩展接口电路等构成[14-15]。如图2所示。

图2 单片机最小系统

STM32F103C8T6单片机最小系统的工作频率为72 MHz，含有两个模数转换模块，3个通用定时器和一个高级定时器，工作电压在2.0～3.6 V。由于STM32F103C8T6单片机最小系统中，已经含有了一些基础的电路。因此，本设计将各个传感器模块电路、LED报警电路、时间显示电路直接连接到单片机相应管脚。

1.3 红外计数模块

红外计数模块采用红外对管传感器，如图3所示。其工作电压为5 V，DO引脚为信号口，当检测到有人时低电平输出，检测到没有人时高电平输出。此外，DO引脚通过5.1 kΩ的下拉电阻接入单片机的PB14口，使之保持低电平的状态。

图3 红外计数电路

1.4 声音检测电路

声音检测电路采用声音传感器，如图4所示。其工作电压在3.3～5.3 V，DO引脚为数字量输出接口，接到单片机的PB12口上，当声音强度达到阈值20 dB时，输出低电平信号。

图4 声音检测电路

1.5 烟雾检测电路

烟雾检测电路通过烟雾传感器MQ-2来实现，电路如图5所示。其工作电压为5 V，通电后需要预热20 s左右，测量的数据才稳定。DO同样也是数字量输出接口，接到单片机PA0口上，当烟雾浓度达到阈值时，输出低电平。

图5 烟雾检测电路

1.6 LCD显示电路

LCD显示电路采用I2C端口扩展芯片PCF8574与LCD1602相结合。以往通常用的是LCD的8根数据线和3根控制线E，RS和R/W与单片机相连接工作，但此连接方式占用的I/O口较多。因此，本文采用间接连接的方式控制LCD。为了减少接线数量，只采用LCD引脚DB4～DB7与单片机进行通信，从而减少对控制中心I/O的需求。

PCF8574通过两条双向总线I2C可实现远程I/O扩展，它包含一个8位准双向口和一个I2C总线接口，SDA引脚为数据线，SCL引脚为时钟线，带背光电源控制，对比度可调节。它不但电流消耗较低，且输出锁存，具有大电流驱动实力，可直接驱动LCD[16]。将扩展芯片PCF8574的P4～P7双向I/O口与LCD1602的DB4～DB7相连接，P0～P2口分别接到RS、RW和CS口。LCD1602显示电路如图6所示。

图6 LCD显示电路

1.7 时钟显示电路

时钟显示电路采用时钟芯片DS1302，如图7所示。工作电压为2.0～5.5 V，与单片机之间采用同步串行的方式进行通信，需3根 I/O线：串行时钟(SCLK)、I/O数据线、复位(RST)。将DS1302的SCLK引脚与单片机的PB3引脚相连，DS1302的I/O引脚与单片机的PB4引脚相连，DS1302的RST引脚与单片机的PB5引脚相连。

图7 时钟显示电路

1.8 LED报警电路设计

LED报警电路采用发光二极管和降压模块，电路如图8所示。由于发光二极管的工作电压为3.0～3.3 V，因此需要用到降压模块，将5 V电压降低到3.3 V。红色发光二极管接到单片机的PA4口，黄色发光二极管接到单片机的PA5口。

图8 LED报警电路

1.9 GSM通信模块电路设计

GSM通信模块采用SIM800C，其电路如图9所示。SIM800C的TXD口为模块的串口发送引脚，RXD口为串口接收引脚，分别与单片机的PB10和PB11引脚连接。其他引脚保持悬空状态。

图9 GSM通信模块电路

2 软件程序设计

2.1 系统主程序

本系统程序采用C语言在Keil5环境下编写。主程序流程图如图10所示。

首先进行系统初始化，包括单片机、GSM模块、LCD1602等的初始化。然后开启烟雾报警检测，按键设置时间检测，之后判断是否在红外计数模块和声音分贝检测的时间范围内，是则进行红外计数检测、声音分贝检测。红外计数检测判断是否有人进入，并统计进入和外出人数，最后将宿舍统计人数实时发送给LCD1602显示，否则结束程序；声音分贝检测判断报警是否超过3次，是则GSM模块发送短信到管理员手机，否则结束程序。

2.2 声音检测电路程序设计

声音检测电路实时检测声音信号的分贝值，当声音分贝值达到所设阈值20 dB时，警告次数加一，点亮红色LED，当警告次数大于3次且声音分贝值仍然超过所设阈值时，GSM模块发送短信通知管理员，否则结束程序。主程序流程如图10所示。

3 系统测试

3.1 系统参数设置

在对本系统进行测试时，结合实际情况，设置系统各参数，见表1。

表1 系统参数设置

3.2 系统网络部署

本文所设计监控系统拟采用的网络部署图如图11所示。显示屏布设在监控室，实时显示各宿舍人数。

1为红外传感器；2为烟雾传感器；3为声音传感器图11 学生宿舍监控系统硬件部署图

3.3 测试结果

根据设置参数，分别对声音检测电路、烟雾检测电路、红外计数模块及其他电路进行测试。其中，声音检测电路测试采用在声音传感器模块附近放一段音乐来模拟噪声，并观察 LCD 上显示时间是否在所设定时间段内。在设定时间段内，随着音乐声音的增大，分贝值增高，当超过预设值 20 dB 时，观察红色 LED 是否亮起，并且保持5 s，再次观察 LED 灯是否熄灭；当音乐声音分贝值继续超过20 dB时，红色LED亮起3次后，GSM 模块能否成功发送短信到设定好的手机上，短信内容与所监测的宿舍号是否一致。

烟雾报警检测模块采用在烟雾传感器附近点一条蚊香或者点燃纸张来模拟大功率用电设备烧毁情况。红外计数模块检测采用将手指放在红外发射机和接收机之间来模拟人进入和外出的状态。

以上测试结果均达到了预设功能，如图12、图13所示。

图12 GSM通信模块测试结果图

图13 声音检测测试

4 结论

通过对所设计系统进行测试，并对比传统宿舍监控管理系统，得到以下结论：

1)利用烟雾传感器和红外对管传感器实现了传统宿舍监控系统检测烟雾、人数统计的功能。

2)通过声音传感器检测休息时间段宿舍噪声情况，保障了同学们的休息时间。

3)通过LCD显示屏可以让宿舍管理员很清楚地看到每个宿舍学生的情况，便于统计宿舍人数。