智慧浴室管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王國(guó)正，吳韶波，王 沖，楊霽琦，桑慶威

（北京信息科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100101）

0 引 言

疫情期間，各高校采取多種措施減少人員聚集，而公共浴室的洗浴人數(shù)常常不可控制，導(dǎo)致人員扎堆聚集。為了滿足防疫要求，急需合理控制洗浴人數(shù)，調(diào)配人員的洗浴時(shí)間。本文采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，基于傳感器、單片機(jī)等硬件以及HTTP協(xié)議棧和WiFi協(xié)議等軟件平臺(tái)對(duì)浴室溫濕度、人員流動(dòng)和物資使用等情況進(jìn)行檢測(cè)和控制，從而實(shí)現(xiàn)校園浴室的智能化管理。

1 需求分析

針對(duì)大學(xué)校園公共浴室的使用需求開展調(diào)研和分析，得到智慧浴室管理系統(tǒng)的需求如下：（1）衣柜預(yù)約與排隊(duì)，合理利用衣柜資源；（2）檢測(cè)環(huán)境參數(shù)，通過手機(jī)端小程序給出合理建議；同時(shí)在顯示屏顯示，調(diào)節(jié)電機(jī)控制參數(shù)；（3）設(shè)立租售機(jī)，解決洗浴用品忘記攜帶的問題；（4）控制洗浴人流量，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)使用衣柜及噴頭情況，通過小程序進(jìn)行反饋。

2 方案設(shè)計(jì)

智慧浴室管理系統(tǒng)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過RFID、溫濕度傳感器等信息傳感設(shè)備，按相關(guān)通信協(xié)議，將衣柜、噴頭等設(shè)施與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信。其中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用主要分為三大層面：感知層、傳輸層和應(yīng)用層。應(yīng)用HTTP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的獲取與傳輸，如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)方案示意圖

2.1 智慧浴室管理感知層設(shè)計(jì)

浴室管理系統(tǒng)信息感知主要通過溫濕度傳感器和RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)。溫度傳感器采用DS18B20 防水型數(shù)字溫度傳感器。系統(tǒng)以PC機(jī)為上位主機(jī)，以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集模塊為下位機(jī)，單片機(jī)與DS18B20 串接和通信，同時(shí)與PC機(jī)連在一起，構(gòu)成三位一體的主從分布式控制系統(tǒng)。使用校園一卡通中的RFID進(jìn)行身份識(shí)別與操作記錄，RFID用于版塊之間的數(shù)據(jù)交換，串聯(lián)起一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)。當(dāng)有持卡人的狀態(tài)被記錄時(shí)，這些狀態(tài)會(huì)被發(fā)往網(wǎng)關(guān)做進(jìn)一步處理。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)通信主要是采用短距離無線方式，將電磁波作為傳輸介質(zhì)。無線組網(wǎng)可避免布線煩惱，防止浴室內(nèi)部溫濕度較高對(duì)線圈的損壞，易于日常維護(hù)及故障檢測(cè)。

考慮到浴室不存在供電問題，且WiFi可以輕松接入校園網(wǎng)，方便信息上傳網(wǎng)關(guān)，智慧浴室管理系統(tǒng)中采用WiFi技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)，基本配備包括WiFi模塊及一臺(tái)AP。

2.3 應(yīng)用層設(shè)計(jì)

智能校園浴室管理系統(tǒng)建立了一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)校園浴室內(nèi)部各智能設(shè)備的互聯(lián)和信息共享，并通過Internet接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控?？蛻舳擞?jì)算機(jī)或控制設(shè)備要獲取校園浴室設(shè)備的實(shí)時(shí)信息或執(zhí)行控制必須通過Internet或其他遠(yuǎn)程協(xié)議將請(qǐng)求或控制命令發(fā)送到校園浴室網(wǎng)關(guān)，由校園浴室網(wǎng)關(guān)處理并轉(zhuǎn)發(fā)給終端設(shè)備。

3 硬件實(shí)現(xiàn)

智能校園浴室主要應(yīng)用STM32單片機(jī)作為下位機(jī)，同時(shí)應(yīng)用溫濕度傳感器以及RFID設(shè)備。

租售機(jī)基本原理如圖2所示。使用嵌入式系統(tǒng)為學(xué)生提供洗浴用品，租售機(jī)使用LCD顯示屏幕，按鍵輸入完成商品選用以及支付，下方使用開關(guān)設(shè)備進(jìn)行拖鞋的借用；內(nèi)部設(shè)有紫外線殺菌燈，保證洗浴設(shè)備的整潔與無菌；側(cè)部設(shè)立折疊板凳，上方含有烘干機(jī)，通過設(shè)計(jì)濕度閾值控制開關(guān)，保證折疊板凳的正常使用，通過防水舵機(jī)控制折疊板凳的開合。

圖2 租售機(jī)基本原理

租售機(jī)服務(wù)流程如圖3所示。系統(tǒng)通過矩陣鍵盤來選擇貨物的種類與數(shù)量后自動(dòng)售貨機(jī)提示投幣。自動(dòng)售貨機(jī)的貨幣識(shí)別器對(duì)所投貨幣進(jìn)行識(shí)別，根據(jù)金額大小將商品選擇權(quán)通過LCD液晶屏顯示給客戶；客戶按鍵選擇后，CPU控制芯片發(fā)出指令將所選商品從儲(chǔ)備料道中送達(dá)取物口，同時(shí)在租售機(jī)后臺(tái)進(jìn)行商品數(shù)量的更新。

圖3 租售機(jī)服務(wù)流程

4 理論支持

4.1 排隊(duì)論模型的基本假設(shè)

在本文研究的智慧浴室管理系統(tǒng)中，將浴室噴頭以及衣柜稱為浴位服務(wù)設(shè)備，要求得到服務(wù)的人員稱為顧客，兩者組成一個(gè)隨機(jī)服務(wù)系統(tǒng)（即排隊(duì)系統(tǒng)）。為簡(jiǎn)化這一排隊(duì)系統(tǒng)模型，現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)做如下假設(shè)：首先，先到先服務(wù)，即顧客進(jìn)入系統(tǒng)后接受服務(wù)的順序是公平合理的；其次，假定每個(gè)浴室的服務(wù)性能是一樣的。

4.2 排隊(duì)論具體模型的構(gòu)建

以本校為例，該智慧浴室管理中的排隊(duì)原理如下：

（1）排隊(duì)規(guī)則：結(jié)合我校公共浴室的實(shí)際情況，采用排隊(duì)服務(wù)機(jī)制。

（2）輸入過程：在此排隊(duì)系統(tǒng)中，顧客的來源和系統(tǒng)的容量都可看作是無限的，同時(shí)顧客的到達(dá)是隨機(jī)的，且進(jìn)入系統(tǒng)的時(shí)間間隔相互獨(dú)立。假設(shè)系統(tǒng)中有個(gè)浴位可為顧客提供服務(wù)，并且各自的服務(wù)時(shí)間是相互獨(dú)立的，每個(gè)浴位的服務(wù)時(shí)間服從參數(shù)為（平均服務(wù)時(shí)間）的負(fù)指數(shù)分布。該系統(tǒng)的客源和容量無限，同時(shí)單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入系統(tǒng)的顧客流和每個(gè)浴位的服務(wù)時(shí)間分別服從參數(shù)為和的負(fù)指數(shù)分布。因此可將該隨機(jī)服務(wù)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為M/M/m模型表示。易知整個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)設(shè)備使用強(qiáng)度=/（），并記單個(gè)服務(wù)設(shè)備的使用強(qiáng)度=/。

5 實(shí)踐結(jié)果

5.1 系統(tǒng)框架搭建

通過家居3D DIY和SketchBook設(shè)計(jì)浴室外觀和租售機(jī)外觀，如圖4所示。

圖4 浴室整體外觀設(shè)計(jì)

5.2 程序設(shè)計(jì)

軟件部分一方面應(yīng)用騰訊云服務(wù)技術(shù)存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫(kù)中；另一方面應(yīng)用微信小程序技術(shù)創(chuàng)建小程序，顯示浴室內(nèi)部的情況，預(yù)約衣柜時(shí)用戶可以在小程序上自主完成相關(guān)操作。小程序界面如圖5所示。

圖5 小程序界面

學(xué)生根據(jù)程序界面顏色判斷浴位狀態(tài)，綠色代表正常，黃色代表已被使用，紅色代表故障，藍(lán)色代表已被預(yù)約。如果浴室的浴位已被預(yù)約完，可以點(diǎn)擊底部的“快速預(yù)約”進(jìn)行排隊(duì)，可查看正在排隊(duì)的人數(shù)；通過騰訊云數(shù)據(jù)庫(kù)分析出預(yù)計(jì)等待的時(shí)間，有浴位時(shí)會(huì)有通知提醒，無須再前往浴室查看排隊(duì)的情況。通過JS邏輯完成用戶預(yù)約衣柜的流程，如圖6所示。通過服務(wù)器調(diào)用學(xué)生信息，每一位學(xué)生預(yù)約衣柜時(shí)響應(yīng)后端處理函數(shù)，并確認(rèn)預(yù)約。

圖6 預(yù)約衣柜的后臺(tái)數(shù)據(jù)處理

6 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)疫情期間高校傳統(tǒng)公共浴室在管理方式上存在的諸多不足，從硬件和軟件層面對(duì)現(xiàn)存浴室管理系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。通過對(duì)智慧浴室管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，解決了大學(xué)校園中經(jīng)常出現(xiàn)的洗澡排隊(duì)以及洗浴用品忘帶、洗浴時(shí)間沖突等問題。系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)可以幫助學(xué)校后勤管理部門進(jìn)一步了解學(xué)生的需求，如根據(jù)洗浴數(shù)據(jù)推斷浴室的清潔度、錯(cuò)開洗浴高峰進(jìn)行清潔等等。