基于云平臺(tái)的學(xué)生宿舍智能化管理系統(tǒng)

陳耀釗 李雪竹

摘 要：隨著高等教育的快速發(fā)展，高校的招生規(guī)模日益擴(kuò)大，大學(xué)生宿舍管理也更加困難。大學(xué)生的數(shù)量日益增多，人工管理宿舍的弊端逐漸凸顯，而宿舍管理對(duì)于高校來(lái)說(shuō)又是保證學(xué)生管理質(zhì)量的重要部分，針對(duì)校園宿舍管理方面的難題，設(shè)計(jì)了一款基于云平臺(tái)的學(xué)生宿舍智能化管理系統(tǒng)，提高宿舍管理的質(zhì)量與效率，保證學(xué)生的身心健康，為高校宿舍的管理提供諸多便利。

關(guān)鍵詞：云平臺(tái);宿舍管理;高校大學(xué)生

宿舍是高校學(xué)子在校內(nèi)的主要聚集地，也是除了課堂學(xué)習(xí)之外，最重要的生活與活動(dòng)場(chǎng)所。但是根據(jù)最新的調(diào)查研究顯示，當(dāng)代大學(xué)生在宿舍內(nèi)的平均睡眠時(shí)間低于六小時(shí)。并且其中絕大部分是因?yàn)閷W(xué)習(xí)之外的原因熬夜從而沒(méi)有按時(shí)就寢睡覺(jué)，導(dǎo)致第二天精神萎靡，甚至無(wú)法按時(shí)起床，嚴(yán)重影響之后的學(xué)習(xí)生活。除此之外，平時(shí)在校期間，學(xué)生的外出與夜歸情況也都需要學(xué)校管理人員能夠及時(shí)掌握到。并且，每逢節(jié)假日，學(xué)生在放假時(shí)的離校情況，與放假后的返校情況也都是學(xué)生宿舍管理工作的重點(diǎn)之一。因此，設(shè)計(jì)一套基于云平臺(tái)的高校宿舍智能化管理系統(tǒng)，既能夠?qū)W(xué)生在宿舍內(nèi)的就寢與起床情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)又可以對(duì)學(xué)生宿舍的人員流動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的掌握。與此同時(shí)，還可以加強(qiáng)老師和學(xué)校管理人員對(duì)于學(xué)生實(shí)際生活動(dòng)態(tài)的了解。讓老師全方位了解學(xué)生在宿舍內(nèi)的生活情況，使其更加走進(jìn)學(xué)生，更加融入學(xué)生的學(xué)習(xí)生活，更加有利于其對(duì)于學(xué)生的教育和管理。

一、高校宿舍管理現(xiàn)狀分析

（一）宿舍管理現(xiàn)狀

近年來(lái)，校園涌現(xiàn)出越來(lái)越多的信息管理系統(tǒng)，逐步覆蓋了校園內(nèi)各類教學(xué)與管理業(yè)務(wù)，校園的管理水平和管理效率在各類系統(tǒng)的協(xié)助下取得了長(zhǎng)足發(fā)展。每年的大學(xué)生人數(shù)都在增加，對(duì)高校來(lái)說(shuō)每年的大學(xué)生宿舍管理越來(lái)越難。就現(xiàn)在來(lái)說(shuō)大部分大學(xué)雖然在學(xué)生學(xué)籍管理方面應(yīng)用了高效的信息系統(tǒng)，但管理方式仍以人工管理為主。高校的大學(xué)生宿舍管理大部分在使用這種傳統(tǒng)的管理方式，大部分的學(xué)生宿舍管理工作都是由宿管員和輔導(dǎo)員負(fù)責(zé)。這些管理工作對(duì)于宿管員和輔導(dǎo)員來(lái)說(shuō)，既煩瑣工作量又大，而且會(huì)消耗大量的人力、物力和財(cái)力，從而不利于高校的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

（二）宿舍管理系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前，市場(chǎng)上出現(xiàn)過(guò)許多學(xué)生宿舍管理系統(tǒng)，其所提供的配置大多數(shù)都是站在學(xué)生的生活需求上面來(lái)設(shè)計(jì)的，如有：查詢水電費(fèi)、繳納水電費(fèi)，通過(guò)智能手機(jī)應(yīng)用程序遠(yuǎn)程控制宿舍的燈光、空調(diào)、窗簾、窗戶，盜竊預(yù)警、火災(zāi)預(yù)警、使用大功率電器預(yù)警等。但是，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，站在老師、家長(zhǎng)的需求上設(shè)計(jì)可監(jiān)測(cè)學(xué)生就寢情況的學(xué)生宿舍管理系統(tǒng)少之又少。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

（一）系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

宿舍管理系統(tǒng)基于人體紅外傳感器、ZigBee、和OneNet云平臺(tái)，通過(guò)在寢室門(mén)和各床位上安裝的人體紅外傳感裝置采集數(shù)據(jù)，經(jīng)ZigBee將數(shù)據(jù)傳送至子站，子站再將匯集到的數(shù)據(jù)經(jīng)有線網(wǎng)絡(luò)傳送至OneNet云平臺(tái)，OneNet云平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與處理，再根據(jù)用戶權(quán)限將數(shù)據(jù)傳送至App，實(shí)現(xiàn)一種高效的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)整體運(yùn)作流程如圖1所示。

（二）系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

（1）在App中實(shí)時(shí)查看宿舍人員流動(dòng)情況及學(xué)生就寢情況。老師和家長(zhǎng)通過(guò)在App中輸入學(xué)生的相關(guān)信息（學(xué)院、專業(yè)班級(jí)、學(xué)生姓名）便能查看到此時(shí)學(xué)生宿舍內(nèi)有多少人，是否在床上睡覺(jué)，方便老師和家長(zhǎng)對(duì)學(xué)生進(jìn)行就寢管理，減少管理人員查寢的工作量。

（2）晚歸、晚睡及缺課消息的及時(shí)通知。若學(xué)生出現(xiàn)以下情況：超過(guò)學(xué)校規(guī)定的晚歸時(shí)間還未回寢室;到了半夜12點(diǎn)還未上床就寢;早上在有課的情況下未及時(shí)起床等，系統(tǒng)能及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并將報(bào)警信號(hào)、報(bào)警類型、學(xué)生姓名、學(xué)生手機(jī)號(hào)碼上傳云平臺(tái)，老師與家長(zhǎng)通過(guò)授權(quán)方式就能很方便查詢學(xué)生違規(guī)情況。對(duì)于特殊情況，如學(xué)生晚上未歸、睡懶覺(jué)不按時(shí)上課等信息，系統(tǒng)能以短信的方式及時(shí)反饋給輔導(dǎo)員和學(xué)生家長(zhǎng)，方便輔導(dǎo)員與學(xué)生家長(zhǎng)提醒學(xué)生及時(shí)糾錯(cuò)。

（3）對(duì)返校情況的及時(shí)確定。目前，收假后學(xué)生的返校情況只能由學(xué)生管理員一一排查，或由班干排查后統(tǒng)一向?qū)W校匯報(bào)。這兩種方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且統(tǒng)計(jì)結(jié)果有可能與真實(shí)情況不符，這將嚴(yán)重影響到學(xué)生切身安全問(wèn)題，同時(shí)使得學(xué)校和父母無(wú)法真正的了解學(xué)生是否安全到校。該系統(tǒng)可根據(jù)寢室人員流動(dòng)情況變相的完成返校情況的檢查。

（4）云平臺(tái)中作息情況分析云平臺(tái)會(huì)根據(jù)傳感器采集到的信息統(tǒng)計(jì)出該生一周、一個(gè)月、一季度和一年的就寢時(shí)間，學(xué)生通過(guò)授權(quán)能在App查詢自己的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，方便學(xué)生總結(jié)與反思前一段時(shí)間的生活作息狀況，便于學(xué)生主動(dòng)養(yǎng)成健康的生活作息規(guī)律。

（5）對(duì)學(xué)生起床與就寢的提醒。若有課的時(shí)段，云平臺(tái)通過(guò)課表與單片機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，判斷是否有學(xué)生未及時(shí)起床或者未出門(mén)，如果學(xué)生未及時(shí)起床或未及時(shí)出門(mén)，單片機(jī)將控制揚(yáng)聲器發(fā)出起床鈴聲或盡快出門(mén)的提示語(yǔ)，進(jìn)行強(qiáng)制性干預(yù)，以減少大學(xué)生上課缺勤遲到的情況。如果有學(xué)生未及時(shí)就寢或及回歸情況，系統(tǒng)亦能以短信及語(yǔ)音方式予以提醒。功能如圖2所示。

三、宿舍智能化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）硬件感知系統(tǒng)

本系統(tǒng)分為檢測(cè)模塊和傳輸模塊，采用的主控制器是51單片機(jī)，型號(hào)是STC89C52RC，是STC公司生產(chǎn)的低功耗、高性能CMOS8位控制器，具有8K字節(jié)系列可編程Flash存儲(chǔ)器。

檢測(cè)模塊由HC-SR501人體紅外傳感器搭建，靈敏度高、可靠性強(qiáng)、超低電壓供電，有兩種觸發(fā)方式。門(mén)邊先后安放兩個(gè)傳感器，利用傳感器檢測(cè)到信號(hào)的先后順序判斷人員進(jìn)出情況，用來(lái)統(tǒng)計(jì)宿舍內(nèi)人數(shù);在宿舍每個(gè)床位安放一個(gè)傳感器，用來(lái)檢測(cè)學(xué)生就寢狀況。寢室傳感器分布圖如圖3所示。

傳輸模塊采用E32-433T27D無(wú)線串口通信模塊，支持LoRa直序擴(kuò)頻技術(shù)，低功耗，傳輸距離遠(yuǎn)可達(dá)5000m以上，抗干擾能力強(qiáng)，擁有較高的保密性能。該模塊的通信接口為UART接口，與單片機(jī)連接采用串口通信全雙工模式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。利用MCU“中斷+定時(shí)器超時(shí)”的方式控制該模塊，一旦射頻模塊完成數(shù)據(jù)的接受或發(fā)送，立刻進(jìn)入休眠模式，達(dá)到低功耗的目的?？赏ㄟ^(guò)對(duì)模塊的設(shè)置，使得模塊參數(shù)將會(huì)保存，即使掉電，也會(huì)在上電后依舊按照設(shè)置好的參數(shù)執(zhí)行命令。模塊內(nèi)有看門(mén)狗，在發(fā)生異常情況時(shí)，可及時(shí)重啟并按照之前的設(shè)置繼續(xù)工作。無(wú)線串口通信模塊將從單片機(jī)上所接收到的宿舍人數(shù)、就寢情況、睡眠時(shí)長(zhǎng)等信息通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳至子站，完成數(shù)據(jù)的采集、整理與發(fā)送。

（二）網(wǎng)絡(luò)傳輸

該系統(tǒng)主要利用無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將樓內(nèi)的每一間宿舍分機(jī)與一棟宿舍的主機(jī)連接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將單片機(jī)收集的信息傳輸至子站，利用校園內(nèi)的有線網(wǎng)絡(luò)將子站與云平臺(tái)連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)輸送，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)對(duì)各宿舍情況的集中管理。

宿舍至子站的數(shù)據(jù)傳輸線路由Zigbee無(wú)線通訊模塊構(gòu)成。ZigBee 是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，具有成本低、功耗小、設(shè)備穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要包含三種節(jié)點(diǎn)類型：ZigBee 協(xié)調(diào)器（ZigBee，Coordinator，ZC）、ZigBee路由器（ZigBee，Router，ZR）和終端節(jié)點(diǎn)（ZigBee，End，Device，ZED）。終端節(jié)點(diǎn)接收到來(lái)自單片機(jī)的數(shù)據(jù)，傳輸至路由器，路由器可以運(yùn)行一個(gè)存放有路由協(xié)議的精簡(jiǎn)協(xié)議棧，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的路由，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)功能。協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)建立的起點(diǎn)，負(fù)責(zé)PAN 網(wǎng)絡(luò)的初始化，確定PAN的ID號(hào)和PAN操作的物理信道并統(tǒng)籌短地址分配，子站與每個(gè)傳感器之間有專屬的地址，并與傳輸至云平臺(tái)的有線網(wǎng)絡(luò)相連接。無(wú)線通信模塊與宿舍的單片機(jī)USB口相連接，單片機(jī)將檢測(cè)到的人體紅外傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)串行口傳送到無(wú)線通信模塊。無(wú)線模塊接將收的信息，傳輸至子站。

子站接收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綄W(xué)校云平臺(tái)。有線傳輸技術(shù)最主要的特點(diǎn)就是需要借助于電纜或者光纜等傳輸介質(zhì)完成信息傳輸，利用TCP/IP協(xié)議，并通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸。云平臺(tái)接收到傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)并整合后，通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至手機(jī)APP。4G網(wǎng)絡(luò)具有通信速度快、覆蓋范圍廣、通信靈活、高質(zhì)量通信、頻率效率高且費(fèi)用便宜的特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)傳輸流程如圖4所示。

（三）云平臺(tái)

云服務(wù)器，可在廣域網(wǎng)或局域網(wǎng)內(nèi)將硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)等系列資源統(tǒng)一起來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算、儲(chǔ)存、處理和共享。單片機(jī)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器后，云平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)與處理，當(dāng)手機(jī)App用戶發(fā)送查詢請(qǐng)求時(shí)，與其建立連接并根據(jù)用戶所具有的權(quán)限，反饋相應(yīng)的信息至手機(jī)App。在云服務(wù)器中建立數(shù)據(jù)庫(kù)，所述數(shù)據(jù)庫(kù)包含4個(gè)表，分別是：學(xué)生信息表、課程表、宿舍人員出入情況表和宿舍人員休息情況表，所述學(xué)生信息表用于存儲(chǔ)學(xué)生的姓名、學(xué)院、專業(yè)、班級(jí)、學(xué)號(hào)、電話號(hào)碼、登錄密碼、宿舍號(hào)、床位號(hào)等信息;所述課程表用于存儲(chǔ)全部班級(jí)的課程信息;所述宿舍人員出入情況表用于存儲(chǔ)宿舍號(hào)、宿舍內(nèi)人數(shù)等信息;所述宿舍人員休息情況表用于存儲(chǔ)宿舍號(hào)、床位號(hào)和宿舍人員在床時(shí)間。OneNet是一款由中國(guó)移動(dòng)打造的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)，適配各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和協(xié)議類型、支持各類傳感器和智能硬件的快速接入和大數(shù)據(jù)服務(wù)的云計(jì)算平臺(tái)開(kāi)發(fā)工具，因此，采用OneNet搭建云服務(wù)器。設(shè)備終端在接入OneNet設(shè)備云之前，需在平臺(tái)網(wǎng)站注冊(cè)用戶賬號(hào)，登錄中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)官方網(wǎng)站即可用郵箱賬號(hào)注冊(cè)。之后用戶可憑借此賬號(hào)登錄OneNet設(shè)備云平臺(tái)首頁(yè)進(jìn)行新建項(xiàng)目、新增設(shè)備、新增數(shù)據(jù)流、查看數(shù)據(jù)、新增觸發(fā)器、添加APIKEY、新建應(yīng)用等操作，各項(xiàng)操作完成后，OneNet會(huì)為每個(gè)虛擬設(shè)備自動(dòng)分配唯一的設(shè)備ID和PIKEY，憑借此時(shí)的設(shè)備ID和APIKEY可使智能硬件、遠(yuǎn)程移動(dòng)控制端與OneNet設(shè)備云建立TCP連接。在單片機(jī)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)上傳到OneNet之前，需要給單片機(jī)配置與OneNet對(duì)應(yīng)的設(shè)備ID與APIKEY，才可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與OneNet的互連。

單片機(jī)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器后，云平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)與處理，當(dāng)手機(jī)App用戶發(fā)送查詢請(qǐng)求時(shí)，與其建立連接并根據(jù)用戶所具有的權(quán)限，反饋相應(yīng)的信息至手機(jī)App。如圖5所示。

四、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于人體紅外傳感與無(wú)線通信的學(xué)生宿舍智能化管理系統(tǒng)，在不侵犯學(xué)生隱私的前提下，從傳統(tǒng)的查寢變?yōu)橹悄懿閷?，能有效幫助宿舍管理人員與學(xué)生管理人員對(duì)學(xué)生宿舍的管理，減輕了管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，也有利于節(jié)省學(xué)校在宿舍管理上的開(kāi)支，同時(shí)也便于學(xué)生及時(shí)了解自己的作息習(xí)慣，以培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成良好的生活、學(xué)習(xí)習(xí)慣，更大程度上的為學(xué)生、管理人員、家長(zhǎng)提供方便。以實(shí)現(xiàn)一套更完善、更全 面、更智能，更便利，更簡(jiǎn)潔的學(xué)生宿舍管理系統(tǒng)。

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