基于多機(jī)通信的智能學(xué)生公寓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫天齊+殷紅彩

摘要：針對(duì)高校學(xué)生公寓的智能管理問(wèn)題，設(shè)計(jì)了以學(xué)生自我管理為基礎(chǔ)的集門(mén)禁、防盜、防火災(zāi)和節(jié)電控電等功能的智能控制系統(tǒng)，文中詳細(xì)地論述了整個(gè)系統(tǒng)以及各個(gè)功能模塊的構(gòu)建，同時(shí)給出了設(shè)計(jì)框圖及部分仿真硬件電路，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，效果良好。該系統(tǒng)能有效地解決學(xué)生公寓的節(jié)能、安全等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了智能化管理。

關(guān)鍵詞：學(xué)生公寓；智能控制；單片機(jī)；傳感器；仿真

中圖分類號(hào)：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）15-0109-03

Abstract：For the intelligent management of college student apartments， designed on the basis of students' self-management of entrance guard， guard against theft， fire prevention and power saving electricity， and other functions of intelligent control system， this paper discusses in detail the whole system and construction of various functional modules， and gives the block diagram and part of hardware circuit design， and has carried on the simulation experiment on the system， the result is good. The system can effectively solve the problem of student apartment such as energy saving， security， realize the intelligent management.

Key words：student apartment；intelligent control； microcomputer； sensor；simulation

隨著我國(guó)高等教育事業(yè)的發(fā)展，大學(xué)生人數(shù)不斷增加，導(dǎo)致高校后勤對(duì)學(xué)生公寓的管理工作量大大增加，同時(shí)在管理過(guò)程中也存在很多困難，比如針對(duì)火災(zāi)預(yù)防、節(jié)電節(jié)能和盜竊預(yù)防等問(wèn)題，管理實(shí)時(shí)參與度很低，且高校后勤管理發(fā)展相對(duì)較慢。為了更好、更方便地管理學(xué)生公寓和加強(qiáng)學(xué)生自我管理能力，提高高校后勤管理水平，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制的智能學(xué)生公寓系統(tǒng)，通過(guò)各模塊的控制，可以有效地降低問(wèn)題發(fā)生的概率。本系統(tǒng)可以使得學(xué)生的生活更安全和方便，能降低很多安全隱患發(fā)生的可能性和及時(shí)做出預(yù)警，對(duì)加強(qiáng)學(xué)生的生活安全有很重要的意義，也是對(duì)未來(lái)智能學(xué)生公寓的管理發(fā)展做鋪墊。同時(shí)本系統(tǒng)有可靠性高、成本低且易于安裝的特點(diǎn)，有很強(qiáng)的實(shí)用性。

目前智能公寓、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等都剛剛發(fā)展，處于起步階段，技術(shù)尚不是很成熟，但也已經(jīng)取得了很多成果。在未來(lái)，智能公寓等智能化生活方式將會(huì)迅速發(fā)展，最終將會(huì)進(jìn)入到我們的學(xué)習(xí)生活中。因此研究對(duì)學(xué)生公寓的智能化設(shè)計(jì)是必要的，也會(huì)是一種發(fā)展趨勢(shì)，也是對(duì)未來(lái)更全面、更廣泛的智能生活設(shè)計(jì)的實(shí)踐。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

整個(gè)系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)作為總控制臺(tái)，以單片機(jī)作為各子系統(tǒng)的控制中心，以實(shí)現(xiàn)全面、有效、方便地控制。針對(duì)各個(gè)方面的需要，分別設(shè)計(jì)出其對(duì)應(yīng)的功能模塊，使得控制能互不干擾，并行工作，對(duì)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和容錯(cuò)能力有很大的作用。計(jì)算機(jī)用來(lái)統(tǒng)籌管理和協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的工作，能對(duì)問(wèn)題的發(fā)生做出預(yù)先判斷，并給出合適的處理意見(jiàn)和做出正確的處理行為。

本系統(tǒng)主要有如下幾個(gè)子系統(tǒng)組成：門(mén)禁子系統(tǒng)、火災(zāi)預(yù)防子系統(tǒng)、防盜子系統(tǒng)和節(jié)電控電子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)分工協(xié)作，實(shí)時(shí)與主機(jī)通信，以提供實(shí)時(shí)監(jiān)控和保護(hù)。

本系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)與多片單片機(jī)組成的主從機(jī)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間的串行通信。由于單片機(jī)與計(jì)算機(jī)串口的電平屬性不同，在通信之前要對(duì)計(jì)算機(jī)串口電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在此之前，需要選擇通信方式。

目前有兩種常用的串行通信方式RS232和RS485，由于RS232不能使用雙端信號(hào)，因此要求使用較高的輸出電壓，易受到干擾，而且其傳輸距離較短，而RS485通信信號(hào)傳輸是使用兩根線之間的電壓表示邏輯1和0的，接受和發(fā)送僅需要兩根線就能完成傳輸，且由于傳輸線采用了差動(dòng)信道，所以它的抗干擾性能較好，傳輸距離長(zhǎng)，可滿足一般學(xué)生公寓需求，另外它的傳輸速度較快，綜合考慮本系統(tǒng)采用RS485總線方式。[1]

由于計(jì)算機(jī)串行接口為RS232電平，需要使用RS232/RS485標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成RS485接口，單片機(jī)串行接口為T(mén)TL電平，需要使用MAX485芯片轉(zhuǎn)換成RS485接口，之后才能保證正常通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示。

當(dāng)主從機(jī)通信時(shí)，首先設(shè)置從單片機(jī)的串行接口與主機(jī)串行接口的參數(shù)保持一致，如數(shù)據(jù)格式、通信波特率等。本系統(tǒng)的每片從單片機(jī)都有一個(gè)獨(dú)立的地址編號(hào)，并通過(guò)寄存器設(shè)置成接收地址。本系統(tǒng)中通信協(xié)議有三種幀格式：呼叫幀、應(yīng)答幀和數(shù)據(jù)幀，呼叫幀由主機(jī)發(fā)出，應(yīng)答幀只能由從單片機(jī)發(fā)出。當(dāng)從單片機(jī)收到呼叫幀后，把本機(jī)地址和當(dāng)前狀態(tài)返回給主機(jī)進(jìn)行比對(duì)，判斷是否一致。若與主機(jī)發(fā)送地址相符，則發(fā)送應(yīng)答幀，進(jìn)入通信狀態(tài)，其他與主機(jī)所發(fā)地址不相符的從單片機(jī)則保持繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，主從機(jī)均以中斷方式進(jìn)行通信。若從單片機(jī)需要發(fā)送數(shù)據(jù)到主機(jī)，則必須先等待主機(jī)遍歷各從單片機(jī)后，才可以提出請(qǐng)求。具體通信過(guò)程流程圖如圖2所示。

本系統(tǒng)通過(guò)主機(jī)的控制，方便了對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的管理，有利于節(jié)約時(shí)間和提高管理效率。

2 子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 子系統(tǒng)主控芯片

子系統(tǒng)采用STC公司的增強(qiáng)型51系列單片機(jī)12C5A60S2，它與8051單片機(jī)指令、管腳完全兼容，而且其內(nèi)部自帶高達(dá)60K FLASH ROM，同時(shí)價(jià)格相對(duì)低廉，能滿足本系統(tǒng)的需求。

2.2 門(mén)禁子系統(tǒng)

此子系統(tǒng)用于防止陌生人員私自進(jìn)入宿舍。宿舍門(mén)除了常規(guī)的門(mén)鎖外外加了步進(jìn)電機(jī)控制的電子鎖，想要打開(kāi)門(mén)鎖需要輸入正確的密碼。為了方便，密碼僅設(shè)置三位，可用按鍵輸入，使用I2C接口EEPROM 24C04保存密碼，同時(shí)液晶屏顯示輸入結(jié)果。此子系統(tǒng)設(shè)置密碼錯(cuò)誤報(bào)警模式，當(dāng)輸入密碼錯(cuò)誤達(dá)三次時(shí)，會(huì)觸發(fā)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)將報(bào)警記錄傳回主機(jī)。[2]

2.3 火災(zāi)預(yù)防子系統(tǒng)

此子系統(tǒng)主要有溫度傳感器和煙霧傳感器來(lái)測(cè)量宿舍內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理后判斷是否有火災(zāi)發(fā)生，如果達(dá)到設(shè)定的臨界值時(shí)立即觸發(fā)蜂鳴器持續(xù)發(fā)出警報(bào)聲。同時(shí)此子系統(tǒng)有過(guò)電保護(hù)功能，采用電流互感器測(cè)量宿舍用電情況。[3]當(dāng)電流達(dá)到臨界值時(shí)或電流突增的情況下觸發(fā)繼電器切斷宿舍電路。如圖3為結(jié)構(gòu)框圖。

溫度傳感器采用DALLAS公司的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，[4]具有低功耗和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)給單片機(jī)處理，溫度測(cè)量范圍為-55～+125℃，工作電壓范圍為3～5.5V。煙霧報(bào)警器內(nèi)部采用離子式煙霧傳感，[5-6]煙霧濃度越高，離子電流越小，等效電阻則會(huì)增加，從而可測(cè)得煙霧濃度。

2.4 防盜子系統(tǒng)

為防止陌生人員經(jīng)過(guò)陽(yáng)臺(tái)進(jìn)入宿舍，在陽(yáng)臺(tái)安裝熱釋電紅外傳感器，[7-8]進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。人體輻射紅外線波長(zhǎng)在6～12微米，利用此特性，可做到對(duì)陽(yáng)臺(tái)的監(jiān)控，同時(shí)此子系統(tǒng)連接警報(bào)裝置。

2.5 節(jié)電控電子系統(tǒng)

為達(dá)到對(duì)宿舍內(nèi)電燈的控制，采用光敏傳感器和紅外傳感器檢測(cè)室內(nèi)亮度變化及人員活動(dòng)。當(dāng)檢測(cè)到有人員活動(dòng)時(shí)根據(jù)室內(nèi)亮度選擇關(guān)閉或是打開(kāi)電燈，且添加關(guān)燈后延遲熄滅功能，以方便學(xué)生上床休息。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)與仿真實(shí)驗(yàn)

由于子系統(tǒng)相對(duì)較多，本文選擇門(mén)禁子系統(tǒng)作為例子。限于篇幅，這里選擇輸入密碼后程序如何處理為要求設(shè)計(jì)程序。此設(shè)計(jì)以上述門(mén)禁子系統(tǒng)仿真電路圖為根據(jù)，當(dāng)輸入密碼后，會(huì)對(duì)密碼進(jìn)行判斷，因此會(huì)有兩種結(jié)果，正確，則LED燈亮，否則，LED燈不亮，累計(jì)三次錯(cuò)誤后，蜂鳴器響起。程序流程圖如圖4所示。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)仿真，系統(tǒng)運(yùn)行正常，效果良好，可以滿足設(shè)計(jì)需求。由于結(jié)果不方便表現(xiàn)，在此不再展示。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)包含了具有防盜、門(mén)禁、火災(zāi)預(yù)防和節(jié)電控電等不同功能的模塊，各模塊分工協(xié)作，互不干擾，使得系統(tǒng)能正常運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的時(shí)效性和容錯(cuò)能力。經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行良好，且系統(tǒng)搭建相對(duì)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，有很好的實(shí)用性。本設(shè)計(jì)對(duì)完善高校學(xué)生公寓管理工作有一定的幫助和價(jià)值，為以后不斷發(fā)展的智能化生活做出實(shí)驗(yàn)和參考，應(yīng)用前景良好。

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