摘 要：為了滿足大學生對智能宿舍的需求，設計了基于機智云的智能宿舍管理系統。該系統主要由arduino核心板、RGB全彩LED燈、電機驅動模塊、溫濕度傳感器模塊、熱釋紅外感應器模塊、WiFi模塊和手機應用程序組成，文中給出了系統的硬件電路設計方案、軟件設計流程圖，以及整個系統的工作流程圖。經測試，本系統功耗低、操作簡便、穩定性高、實時性好。
0 引 言
隨著物聯網技術的不斷發展，相關元器件價格不斷下降，技術越來越成熟，使得智能家居走進了我們普通人的生活[1] 。對于大學生來說，宿舍就是大學生的家。現代大學生已經充分享受到科技帶來的諸多便利，這是一個普通宿舍難以接受的。因此，本文設計了基于機智云的智能宿舍，使得大學生可以通過智能手機應用程序遠程控制宿舍的燈光、空調、窗簾等，通過紅外感應監測人員狀態以保障宿舍安全。
1 機智云介紹
機智云是一個中立的物聯網發展平臺，機智云是靠經驗和技術積累為物聯網領域提供了一套完整的工具和服務，以此降低硬件廠家以及開發者的開發門檻。機智云秉承中立、開放的態度，使得硬件廠商和開發者在銷售渠道以及數據把控力上后顧無憂[2] 。機制云靈活、跨服務器部署，也能滿足聯網設備、數據安全、連接和穩定的較高要求。
2 系統總體設計
智能宿舍系統框圖如圖1所示。該系統分為 Arduino 核心板，RGB LED 驅動模塊，電機驅動模塊，溫濕度傳感器模塊，熱釋電紅外傳感器模塊，WiFi 通信模塊 6 個部分。其中，Arduino 核心板為主控部分，負責一系列狀態檢測，數據處理、邏輯處理及執行控制。RGB 全彩 LED 燈模塊用于模擬實際中可調彩色燈光 LED 燈。電機驅動模塊驅動可調速電機用于模擬窗簾電機，通過手機應用程序控制電機正反轉實現窗簾開合。溫濕度傳感器模塊用于采集宿舍內環境溫度、濕度數據，上傳云端（機智云）后，通過手機端應用程序可查看宿舍實時溫濕度數值。熱釋紅外模塊用于檢測是否有人經過，全部離開后，啟動安防系統。WiFi 通訊模塊將 Arduino 核心處理后的數據上傳至云端（機智云）存儲，并且下發來自云端（機智云）的控制命令[3] 。
3 系統硬件設計
3.1 Arduino 核心版
Arduino 是一款入門容易的開源電子原型平臺，主要包含硬件和軟件兩部分。其硬件系統是高度模塊化的，通過 USB接口與計算機連接，包括14 通道數字 I/O 口，其中包括 6 通道 PWM 輸出，6 通道 10 位 ADC 模擬 I/O 口，可用 USB 提供 5 V 工作電源。Arduino 的硬件與軟件都遵守開源許可，任何一個人無需授權即可無限制地獲得軟件代碼、電路原理設計圖。根據開源設計，任何人都可以定制裁剪出符合需求的設計[4] 。
3.2 RGB 全彩 LED 驅動模塊
本設計采用 LED 燈驅動模塊 p9813 全彩 LED 光源驅動芯片，該芯片可提供三路恒流驅動以及256 級灰度輸出。采用雙線傳輸模式（數據和時鐘），內建再生，可以提高傳輸距離。用于驅動顯示器的光轉換，各種字符變換，顏色模式。在系統中，Arduino 通過 p9813 芯片控制調節 RGB 全彩 LED 亮度和色彩。
3.3 電機驅動模塊
在系統中步進電機完成的主要任務是準確移動窗簾的位置，實驗采用 openjumperL298 電機驅動板來完成窗簾步進電機的驅動。L298 芯片是一個 H 橋集成電路，輸出電流 2 A，最大電流 4 A，最高工作電壓 36 V，可以驅動感性負載。L298電機驅動擴展版采用堆疊設計，直插 Arduino 底板，僅占用Arduino 的 4 個數字 I/O 端口連接 L298 的輸入口，即可控制電機的正反轉及調速[5] 。
3.4 溫濕度傳感器模塊
為了獲得更精確的溫度和濕度，系統設計采用數字信號輸出溫度、濕度已校準的 DHT11數字溫濕度傳感器。該模塊通過數字采集技術和溫度、濕度傳感器技術，保障產品擁有高可靠性以及優秀的穩定性。濕度測量范圍為 0±100%，精度為 2% ；溫度測量范圍為－ 40 ～125℃，精度為±0.5℃。DHT11具備小體積、低功耗、快響應、高性價，可進行長距離信號傳輸，非常適合分布式應用等特點[6,7] 。
3.5 熱釋紅外模塊
該設計中，紅外傳感器模塊選用普通型人體熱釋電紅外傳感器 HC-SR501，這是一種能檢測人體發射的紅外線的新型高靈敏度紅外探測元件。通過非接觸式檢測人體紅外能量的變化，將輸出電壓信號轉換為電壓信號輸出，并對輸出電壓信號進行放大[7] 。因此，它可以用來使電源開關控制器和防火災報警等。被動的紅外報警主要是在結構上使用，不需要發送任何形式的能量，該模塊只需要接收自然能量就可以達到檢測的目的[8] 。
3.6 WiFi 模塊
在設計中，WiFi 模塊選用上海漢楓電子科技有限公司生產的 HF_LPB100 超低功耗 WiFi 模塊，該模塊內嵌 WiFi 協議和配置組網 TCP/IP 協議棧，可將用戶物理設備連接到無線網絡，并提供 UART 串口的解決方案[9] 。這使得傳統的低端串行設備或單片機控制設備可以很容易地接入WiFi 無線網絡，從而實現網絡的控制與管理[10] 。
4 系統軟件設計
在宿舍中，智能宿舍系統的硬件部分通過 WiFi 模塊與機智云通信，上傳經過Ardunio 處理后的傳感器收集的數據以及傳感器狀態。機智云與 WiFi 模塊通信將手機 App 控制命令下發給Arduino執行。若系統硬件部分與手機接入同一局域網，則手機 App 可直接與系統硬件部分直接交互，無需通過機智云。智能宿舍系統的工作流程如圖 2 所示。智能宿舍系統的程序流程圖如圖 3 所示。首先 Arduino板初始化串口，保證與 WiFi 模塊的正常通信，之后初始化WiFi 模塊保證其能夠與機智云正常通信。然后 Arduino 主控制器控制 WiFi 模塊監測是否收到來自手機端的控制命令。若有，則判斷為何種命令。若是電機控制命令，則根據當前窗簾位置決定正轉還是反轉；若是 LED 控制命令，則根據手機端設定值改變 LED 的狀態。若沒有收到來自手機端的控制命令，那么就進行溫度、濕度的采集，檢測紅外感應器的狀態。最后通過機智云將以上傳感器的狀態發送到手機端供學生查閱和控制。
5 系統測試
智能宿舍系統的數據顯示和設備控制是通過應用程序實現的。在將系統硬件通過 WiFi 模塊連接到云端（機智云）后，我們就可以使用手機 App 實時查看環境狀態以及設備狀態，控制目標設備。經過多次測試，系統能有效準確的獲取到環境的溫濕度值，以及熱釋紅外感應器能準確檢測出是否有人經過。圖 4 所示分別是測試時的應用界面截圖，圖 5 所示為系統硬件的快速原型硬件實物圖。
6 結 語
該系統設計環境監測僅僅監測了環境溫濕度，今后可以把空氣質量 PM2.5，以及其他可吸入的有毒物質顆粒監測加入到系統中，構成宿舍室內環境健康監測子系統；將空調、熱水器等家用電器接入到系統中，構成設備控制子系統。系統具有智能化、自動化的特點，使其在相關領域有一定的應用價值。(內容來自網絡，侵刪)
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