基于机智云的智能宿舍系统设计

哈佛祖安智

摘 要：为了满足大学生对智能宿舍的需求，设计了基于机智云的智能宿舍管理系统。该系统主要由arduino核心板、RGB全彩LED灯、电机驱动模块、温湿度传感器模块、热释红外感应器模块、WiFi模块和手机应用程序组成，文中给出了系统的硬件电路设计方案、软件设计流程图，以及整个系统的工作流程图。经测试，本系统功耗低、操作简便、稳定性高、实时性好。
关键词：智能宿舍；机智云；WiFi； Arduino；传感器
0 引 言
随着物联网技术的不断发展，相关元器件价格不断下降，技术越来越成熟，使得智能家居走进了我们普通人的生活[1] 。对于大学生来说，宿舍就是大学生的家。现代大学生已经充分享受到科技带来的诸多便利，这是一个普通宿舍难以接受的。因此，本文设计了基于机智云的智能宿舍，使得大学生可以通过智能手机应用程序远程控制宿舍的灯光、空调、窗帘等，通过红外感应监测人员状态以保障宿舍安全。
1 机智云介绍
机智云是一个中立的物联网发展平台，机智云是靠经验和技术积累为物联网领域提供了一套完整的工具和服务，以此降低硬件厂家以及开发者的开发门槛。机智云秉承中立、开放的态度，使得硬件厂商和开发者在销售渠道以及数据把控力上后顾无忧[2] 。机制云灵活、跨服务器部署，也能满足联网设备、数据安全、连接和稳定的较高要求。
2 系统总体设计
智能宿舍系统框图如图1所示。该系统分为 Arduino 核心板，RGB LED 驱动模块，电机驱动模块，温湿度传感器模块，热释电红外传感器模块，WiFi 通信模块 6 个部分。其中，Arduino 核心板为主控部分，负责一系列状态检测，数据处理、逻辑处理及执行控制。RGB 全彩 LED 灯模块用于模拟实际中可调彩色灯光 LED 灯。电机驱动模块驱动可调速电机用于模拟窗帘电机，通过手机应用程序控制电机正反转实现窗帘开合。温湿度传感器模块用于采集宿舍内环境温度、湿度数据，上传云端（机智云）后，通过手机端应用程序可查看宿舍实时温湿度数值。热释红外模块用于检测是否有人经过，全部离开后，启动安防系统。WiFi 通讯模块将 Arduino 核心处理后的数据上传至云端（机智云）存储，并且下发来自云端（机智云）的控制命令[3] 。

3 系统硬件设计
3.1 Arduino 核心版
Arduino 是一款入门容易的开源电子原型平台，主要包含硬件和软件两部分。其硬件系统是高度模块化的，通过 USB接口与计算机连接，包括14 通道数字 I/O 口，其中包括 6 通道 PWM 输出，6 通道 10 位 ADC 模拟 I/O 口，可用 USB 提供 5 V 工作电源。Arduino 的硬件与软件都遵守开源许可，任何一个人无需授权即可无限制地获得软件代码、电路原理设计图。根据开源设计，任何人都可以定制裁剪出符合需求的设计[4] 。
3.2 RGB 全彩 LED 驱动模块
本设计采用 LED 灯驱动模块 p9813 全彩 LED 光源驱动芯片，该芯片可提供三路恒流驱动以及256 级灰度输出。采用双线传输模式（数据和时钟），内建再生，可以提高传输距离。用于驱动显示器的光转换，各种字符变换，颜色模式。在系统中，Arduino 通过 p9813 芯片控制调节 RGB 全彩 LED 亮度和色彩。
3.3 电机驱动模块
在系统中步进电机完成的主要任务是准确移动窗帘的位置，实验采用 openjumperL298 电机驱动板来完成窗帘步进电机的驱动。L298 芯片是一个 H 桥集成电路，输出电流 2 A，最大电流 4 A，最高工作电压 36 V，可以驱动感性负载。L298电机驱动扩展版采用堆叠设计，直插 Arduino 底板，仅占用Arduino 的 4 个数字 I/O 端口连接 L298 的输入口，即可控制电机的正反转及调速[5] 。
3.4 温湿度传感器模块
为了获得更精确的温度和湿度，系统设计采用数字信号输出温度、湿度已校准的 DHT11数字温湿度传感器。该模块通过数字采集技术和温度、湿度传感器技术，保障产品拥有高可靠性以及优秀的稳定性。湿度测量范围为 0±100%，精度为 2% ；温度测量范围为－ 40 ～125℃，精度为±0.5℃。DHT11具备小体积、低功耗、快响应、高性价，可进行长距离信号传输，非常适合分布式应用等特点[6,7] 。
3.5 热释红外模块
该设计中，红外传感器模块选用普通型人体热释电红外传感器 HC-SR501，这是一种能检测人体发射的红外线的新型高灵敏度红外探测元件。通过非接触式检测人体红外能量的变化，将输出电压信号转换为电压信号输出，并对输出电压信号进行放大[7] 。因此，它可以用来使电源开关控制器和防火灾报警等。被动的红外报警主要是在结构上使用，不需要发送任何形式的能量，该模块只需要接收自然能量就可以达到检测的目的[8] 。
3.6 WiFi 模块
在设计中，WiFi 模块选用上海汉枫电子科技有限公司生产的 HF_LPB100 超低功耗 WiFi 模块，该模块内嵌 WiFi 协议和配置组网 TCP/IP 协议栈，可将用户物理设备连接到无线网络，并提供 UART 串口的解决方案[9] 。这使得传统的低端串行设备或单片机控制设备可以很容易地接入WiFi 无线网络，从而实现网络的控制与管理[10] 。
4 系统软件设计
在宿舍中，智能宿舍系统的硬件部分通过 WiFi 模块与机智云通信，上传经过Ardunio 处理后的传感器收集的数据以及传感器状态。机智云与 WiFi 模块通信将手机 App 控制命令下发给Arduino执行。若系统硬件部分与手机接入同一局域网，则手机 App 可直接与系统硬件部分直接交互，无需通过机智云。智能宿舍系统的工作流程如图 2 所示。智能宿舍系统的程序流程图如图 3 所示。首先 Arduino板初始化串口，保证与 WiFi 模块的正常通信，之后初始化WiFi 模块保证其能够与机智云正常通信。然后 Arduino 主控制器控制 WiFi 模块监测是否收到来自手机端的控制命令。若有，则判断为何种命令。若是电机控制命令，则根据当前窗帘位置决定正转还是反转；若是 LED 控制命令，则根据手机端设定值改变 LED 的状态。若没有收到来自手机端的控制命令，那么就进行温度、湿度的采集，检测红外感应器的状态。最后通过机智云将以上传感器的状态发送到手机端供学生查阅和控制。



5 系统测试
智能宿舍系统的数据显示和设备控制是通过应用程序实现的。在将系统硬件通过 WiFi 模块连接到云端（机智云）后，我们就可以使用手机 App 实时查看环境状态以及设备状态，控制目标设备。经过多次测试，系统能有效准确的获取到环境的温湿度值，以及热释红外感应器能准确检测出是否有人经过。图 4 所示分别是测试时的应用界面截图，图 5 所示为系统硬件的快速原型硬件实物图。

6 结 语
该系统设计环境监测仅仅监测了环境温湿度，今后可以把空气质量 PM2.5，以及其他可吸入的有毒物质颗粒监测加入到系统中，构成宿舍室内环境健康监测子系统；将空调、热水器等家用电器接入到系统中，构成设备控制子系统。系统具有智能化、自动化的特点，使其在相关领域有一定的应用价值。(内容来自网络，侵删)

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