基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和Android系統(tǒng)的智能宿舍的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

章萬靜，徐義晗，劉長(zhǎng)榮，周文技

（淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，淮安223003）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)不斷的進(jìn)步，人們的生活水平也在不斷的提高，人們對(duì)生活的質(zhì)量、快捷、方便和舒適的要求也會(huì)越來越高。而年輕的當(dāng)代大學(xué)生更愿意接觸新生事物，他們思維獨(dú)立、追求個(gè)性，有較強(qiáng)的自我意識(shí)，對(duì)校園的教學(xué)質(zhì)量、生活設(shè)施和學(xué)生管理有較高的要求。目前，學(xué)生宿舍生活條件較為簡(jiǎn)陋，宜居性不高，管理效能低下，安全性差，失竊高發(fā)，防火防盜措施存在漏洞，隨著生活水平的提高，學(xué)生個(gè)性化需求的不斷增加，學(xué)生宿舍居住條件近年來較以前有所改善，但仍未形成“物聯(lián)生活”。因而，智能宿舍，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于學(xué)生宿舍，為當(dāng)代大學(xué)生提供更安全、智能、方便、快捷的學(xué)習(xí)和生活場(chǎng)所必將成為歷史的必然[1]。

本文是在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和Android系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以學(xué)生宿舍為研究對(duì)象，建立一個(gè)對(duì)學(xué)生宿舍環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)制與家電管理的智能化系統(tǒng)。系統(tǒng)以ZigBee近距離無線傳輸協(xié)議組建宿舍控制監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)[2]，采用CC2530作為子節(jié)點(diǎn)核心控制處理器，實(shí)現(xiàn)宿舍的燈光、空調(diào)、窗簾、安防、空氣監(jiān)測(cè)等智能化控制，并通過增設(shè)服務(wù)器以及開發(fā)Android應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)手機(jī)或筆記本遠(yuǎn)程對(duì)宿舍中的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

智能宿舍系統(tǒng)是一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，體系開放、結(jié)構(gòu)松散而內(nèi)部邏輯緊密的系統(tǒng)[3]，該系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。宿舍內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)中，所有的環(huán)境數(shù)據(jù)通過溫濕度、氣體傳感器進(jìn)行采集，并通過ZigBee子節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器，終端PC通過串口將ZigBee協(xié)調(diào)器采集的數(shù)據(jù)讀取。在整個(gè)系統(tǒng)中終端PC即充當(dāng)了服務(wù)端，也與Wi-Fi充當(dāng)了宿舍網(wǎng)關(guān)，PC終端將宿舍的數(shù)據(jù)發(fā)送至云端服務(wù)器，在An?droid終端或筆記本終端可通過宿舍局域網(wǎng)對(duì)房中設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）智能燈光

正常情況下，學(xué)生宿舍用電系統(tǒng)為交流電220V、50Hz，所以需要通過驅(qū)動(dòng)電路來控制照明燈的開關(guān)。驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，主要由光電耦合器MOC3032和可控硅T435兩部分組成，其中MOC3032光電耦合器能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)弱電之間的電氣隔離。當(dāng)CC2530控制芯片P23口輸出低電平時(shí)，MOC3032中1和2引腳控制的發(fā)光二極管就會(huì)導(dǎo)通，則MOC3023的4和6引腳兩端只要稍有壓差就會(huì)導(dǎo)通，并觸發(fā)可控硅Q4導(dǎo)通從而點(diǎn)亮照明設(shè)備[4]。反之，照明燈不會(huì)被點(diǎn)亮。

圖1 智能宿舍系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

圖2 智能燈光驅(qū)動(dòng)電路

（2）智能窗簾

智能窗簾系統(tǒng)主要由電機(jī)、滑槽導(dǎo)軌、軸承、滾珠絲桿、滑移小車等部分構(gòu)成，如圖3所示。電機(jī)選用DT52E-45/20靜音電機(jī)，窗簾的開合主要是通過電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的[5]，移動(dòng)速度可達(dá)20cm/s。其工作原理是：電機(jī)通電啟動(dòng)后，帶動(dòng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力將會(huì)作用滑移小車運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)吊環(huán)移動(dòng)，使窗簾打開或關(guān)閉。電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制電路如圖4所示。

（3）環(huán)境監(jiān)測(cè)

宿舍內(nèi)的環(huán)境參數(shù)需要使用傳感器實(shí)時(shí)采集，為其他智能設(shè)備控制和管理提供數(shù)據(jù)和策略支持。溫濕度參數(shù)使用DHT11傳感器，可同時(shí)測(cè)出環(huán)境的溫度和濕度，由于DHT11采用單總線數(shù)字輸出，具有尺寸小、響應(yīng)時(shí)間短、可靠性高、穩(wěn)定性好、價(jià)格低廉、容易使用等特點(diǎn)。DHT11硬件連接如圖5所示。

圖3 智能窗簾系統(tǒng)總裝圖

圖4 電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制電路

圖5 DTH11硬件控制圖

氣體參數(shù)采用MQ-2煙霧傳感器，可以用于氣體泄漏監(jiān)測(cè)，可檢測(cè)常見氣體包括天然氣、酒精、甲烷、一氧化碳等氣體。該傳感器具有靈敏度好、響應(yīng)速度快、探測(cè)范圍廣、成本低，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可直接使用5V開關(guān)電源直接進(jìn)行供電。本文中不需要讀取具體的數(shù)值，外圍的驅(qū)動(dòng)電路就更簡(jiǎn)單，煙霧氣體的閾值可以設(shè)置為100ppm，硬件連接如圖6所示。

圖6 MQ-2硬件控制圖

（4）智能安防

智能安防主要采用OV公司生產(chǎn)的OV7670攝像頭進(jìn)行視頻監(jiān)控，該攝像頭可以在-30℃-70℃溫度范圍內(nèi)工作，工作在2.5V-3.0V的電壓下，功耗非常低，硬件連接如圖7所示。

圖7 OV7670硬件控制圖

（5）智能空調(diào)

智能空調(diào)需要使用紅外進(jìn)行控制，紅外控制主要由發(fā)送和接收兩部分組成，如圖8所示。而目前大部分家電均采用紅外一體化接收頭來接收紅外信號(hào)[6]，ZigBee子節(jié)點(diǎn)上安裝紅外發(fā)送裝置即可。ZigBee子節(jié)點(diǎn)接收到來自人為的操作空調(diào)的命令后，編碼調(diào)制成為一系列脈沖信號(hào)，通過紅外發(fā)射管發(fā)送紅外信號(hào)，由空調(diào)內(nèi)置的紅外一體化接收頭接收紅外信號(hào)，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、檢波、整形得到TTL電平的編碼信號(hào)，空調(diào)就會(huì)自動(dòng)的做出相應(yīng)設(shè)置。

圖8 紅外發(fā)送和接收示意圖

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件組網(wǎng)控制實(shí)現(xiàn)后，需要進(jìn)行軟件開發(fā)，通過操作筆記本電腦或手機(jī)，從而遠(yuǎn)距離啟動(dòng)和控制硬件設(shè)施。智能宿舍系統(tǒng)軟件功能如圖9所示。

圖9 智能宿舍軟件功能圖

（1）Web服務(wù)端軟件功能設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中Web端后臺(tái)管理系統(tǒng)共有6個(gè)模塊，分別為：

●注冊(cè)模塊：實(shí)現(xiàn)宿舍成員的注冊(cè)。

●登錄模塊：實(shí)現(xiàn)宿舍成員的登錄。

●房間管理：可對(duì)房間添加、刪除、修改。

●設(shè)備管理：可對(duì)房中的設(shè)備添加、刪除及設(shè)備信息的維護(hù)。

●模式選擇；用戶可以對(duì)宿舍設(shè)置回家模式、休息模式，也可以自定義模式。

●數(shù)據(jù)采集：通過溫濕度、氣體傳感器將房中的環(huán)境數(shù)據(jù)采集。

（2）Android客戶端軟件功能設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中Android客戶端共有6個(gè)模塊，分別為：

●用戶登錄：實(shí)現(xiàn)用戶登錄。

●房間信息：可查看房中各個(gè)房間中的設(shè)備信息。

●環(huán)境數(shù)據(jù)：可以查看房中的溫濕度、氣體信息。

●設(shè)備控制：可對(duì)房間中設(shè)備進(jìn)行控制。

●成員信息：可查看宿舍成員的信息。

●日志文件：可查看房中的日志文件。

（3）云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中Android客戶端共有1個(gè)模塊，為宿舍日志文件存儲(chǔ)。

2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分別利用HTML5和Strust2+Hi?bernate開發(fā)智能宿舍管理系統(tǒng)Web端管理程序，在串口通訊時(shí)采用觀察者設(shè)計(jì)模式，利用HTTP通信實(shí)現(xiàn)Web端與Android客戶端、云端服務(wù)器通信，其中服務(wù)端程序使用MyEclipse 2014進(jìn)行開發(fā)，Android客戶端使用Android Studio及Android SDK包進(jìn)行開發(fā)。其中，設(shè)備管理流程如圖10所示，Android移動(dòng)端主界面如圖11所示。

圖10 設(shè)備管理流程圖

圖11 Android客戶端主界面

新增設(shè)備AJAX核心代碼為：

3 結(jié)語

本文所提出的智能宿舍解決方案，利用CC2530核心控制芯片和ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)各硬件節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)和控制[7]，通過軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了智能終端遠(yuǎn)距離操作和控制[8]。完備的測(cè)試和充分的實(shí)際操作表明，該方案順應(yīng)時(shí)代與科技的發(fā)展方向，在改善學(xué)生學(xué)習(xí)和生活環(huán)境的同時(shí)，增強(qiáng)了用戶體驗(yàn)，具有較高的市場(chǎng)前景和實(shí)用價(jià)值。