學(xué)生宿舍智能家居傳感器設(shè)計(jì)

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【摘要】學(xué)生宿舍是學(xué)生長期居住和生活的地方，其便捷度和舒適度直接影響了學(xué)生們的生活質(zhì)量和學(xué)習(xí)效率。智能家居利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感器等軟硬件設(shè)備來改善家居環(huán)境，使家居生活更加舒適便利。本文將智能家居的概念引入到學(xué)生宿舍中去，應(yīng)用氣體傳感器、光敏傳感器、紅外傳感器和溫濕度傳感器等模塊，在學(xué)生宿舍中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制排氣、起夜燈照明和加濕除濕等功能，實(shí)現(xiàn)學(xué)生宿舍自動(dòng)化和便捷化，改善宿舍環(huán)境，提升生活質(zhì)量，有助于學(xué)生更好的學(xué)習(xí)和生活。

【關(guān)鍵詞】學(xué)生宿舍；智能家居；傳感器；自動(dòng)化

1引言

1.1選題背景意義

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大力發(fā)展和大數(shù)據(jù)、人工智能等概念的不斷更新，人們?cè)絹碓疥P(guān)注生活的品質(zhì)，并一直致力于將自身居住環(huán)境打造成為一個(gè)安全化、舒適化、科技化、高效化的智能空間，一股智能家居的熱潮也應(yīng)運(yùn)而生。然而，目前社會(huì)上智能家居的關(guān)注點(diǎn)更多的是放在家庭住宅中，學(xué)生宿舍這一龐大的群體卻少有應(yīng)用。學(xué)生宿舍是學(xué)生長期居住和生活的地方，學(xué)生宿舍安全問題和舒適程度也是社會(huì)和家長普遍關(guān)注的焦點(diǎn)，其安全性、便捷度和舒適度直接影響了學(xué)生們的生活質(zhì)量和學(xué)習(xí)效率。智能家居基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，運(yùn)用通信技術(shù)和傳感器等軟硬件設(shè)備來改善宿舍環(huán)境，會(huì)使學(xué)校宿舍生活更加舒適便利。所以設(shè)計(jì)一個(gè)基于學(xué)生宿舍的智能家居傳感器系統(tǒng)來改善和管理學(xué)生宿舍是具有重要現(xiàn)實(shí)意義的。

1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在智能家居的熱潮中，歐美國家在研發(fā)智能家居領(lǐng)域目前處于領(lǐng)先地位，亞洲的日本韓國等發(fā)達(dá)國家也緊緊跟隨市場前沿，有著充分的研發(fā)基礎(chǔ)。我國雖然在該領(lǐng)域發(fā)展起步緩慢，但近幾年隨著國內(nèi)家電廠商和互聯(lián)網(wǎng)公司共同開始研發(fā)智能家居，中國智能家居市場發(fā)展?jié)摿薮骩1]。蘋果公司在2014年6月的HomeKit平臺(tái)，整合了siri語音等功能，使用戶通過iOS系統(tǒng)控制智能家居產(chǎn)品。谷歌公司在2016年5月年度I/O開發(fā)者大會(huì)上，了配有內(nèi)置揚(yáng)聲器的語音激活設(shè)備GoogleHome，成為家庭的控制中心。阿里巴巴公司在2017年4月成立阿里云IoT事業(yè)部，專注物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，推出了智能生活開放平臺(tái)，通過提供智能解決方案幫助不同廠家實(shí)現(xiàn)家居智能化。除此之外，針對(duì)大學(xué)生宿舍也有論文研究，以ARM嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)宿舍門禁、照明、電源插座等遠(yuǎn)程控制和管理[2]。

1.3本文主要工作

本文作者就讀于河南省洛陽第一高級(jí)中學(xué)，六人間宿舍內(nèi)部結(jié)構(gòu)為一間臥室，一個(gè)陽臺(tái)和一間廁所，宿舍晚上10：20準(zhǔn)時(shí)熄燈，熄燈后同學(xué)們上廁所必須在黑暗中摸索，極其不方便；另外，夏天廁所氣味難聞，影響學(xué)生日常居住質(zhì)量。除此之外，宿舍還存在空氣溫濕度無法自動(dòng)調(diào)節(jié)的問題。為了解決這些存在的問題，本文基于Arduino開發(fā)板設(shè)計(jì)了一個(gè)學(xué)生宿舍的智能家居控制系統(tǒng)，包括氣體檢測模塊、夜燈控制模塊、溫濕度檢測模塊，此外還有藍(lán)牙通信模塊。利用氣體傳感器、光敏傳感器、紅外傳感器和溫濕度傳感器等模塊，在學(xué)生宿舍中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制排氣、開關(guān)窗簾和加濕除濕等功能，實(shí)現(xiàn)學(xué)生宿舍自動(dòng)化和便捷化，改善宿舍環(huán)境，提升生活質(zhì)量，有助于學(xué)生更好的學(xué)習(xí)和生活。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述問題分析，學(xué)生宿舍的智能家居傳感器系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。系統(tǒng)主要分為五部分，其中包括主控模塊、藍(lán)牙通信模塊、氣體檢測模塊、夜燈控制模塊和溫濕度監(jiān)測模塊。其中系統(tǒng)的主控模塊選用Arduino開發(fā)板，通信系統(tǒng)采用藍(lán)牙通信模塊，主控模塊可通過藍(lán)牙通信模塊與氣體檢測模塊、夜燈控制模塊和溫濕度監(jiān)測模塊的終端傳感器發(fā)送或接收指令，用于實(shí)現(xiàn)不同功能。

2.1主控模塊：Arduino開發(fā)板

本方案以Arduino開發(fā)板為核心的主控模塊（如圖2）。Arduino作為一款開源的電子設(shè)計(jì)平臺(tái)，主要由硬件部分和軟件部分共同構(gòu)成，硬件部分由AtmelAVR單片機(jī)、I/O口及外圍電路構(gòu)成，軟件部分由ArduinoIDE開發(fā)環(huán)境的程序編譯器和程序下載器構(gòu)成，可以使用類似C語言的代碼語言進(jìn)行編輯[3]。Arduino主要具有開源免費(fèi)、便捷簡單、易于上手的優(yōu)點(diǎn)，更重要的是開源代碼的簡單程序可以直接在網(wǎng)絡(luò)上下載，依據(jù)自己需求功能進(jìn)行修改，便于與傳感器和各種電子器件連接。本方案要以Arduino為核心，藍(lán)牙通信模塊為媒介，控制氣體檢測，夜燈控制，溫濕度檢測模塊。

2.2藍(lán)牙通信模塊

藍(lán)牙這種無線通信技術(shù)大部分供于給室內(nèi)機(jī)器連接，所以關(guān)于它的研究領(lǐng)域的通信距離在10~100m間，這項(xiàng)技術(shù)更是為了使不同電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)自由連接和無線通信，包括手機(jī)、耳機(jī)、筆記本等日常電子設(shè)備[4]。藍(lán)牙技術(shù)快速便捷，且使用的是無線網(wǎng)絡(luò)資源，并不占用有線資源，信息的傳遞也更加迅速和高效。對(duì)于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇藍(lán)牙通信還有以下考慮：①工作在免費(fèi)的通用2.4GHzISM頻段，降低學(xué)校的成本負(fù)擔(dān)；②簡單易用，藍(lán)牙的芯片雖小但通過它可以在半徑10m量級(jí)范圍內(nèi)的信息設(shè)備以無線方式進(jìn)行通信和信息互換，在學(xué)生宿舍中更加簡便和安全；③學(xué)生宿舍內(nèi)部使用對(duì)通信距離要求不高，但穩(wěn)定性要求高，使用藍(lán)牙通信正好滿足要求而WiFi通信穩(wěn)定性偏差。本方案中，主控模塊通過藍(lán)牙通信模塊發(fā)出無線指令，各個(gè)模塊接受信號(hào)實(shí)現(xiàn)控制。

2.3氣體檢測模塊-氣體傳感器

氣體檢測模塊通過氣體傳感器對(duì)宿舍廁所的污濁氣體進(jìn)行監(jiān)控，一旦超過某一閾值，便向主控模塊發(fā)出信號(hào)，主控模塊隨即發(fā)出控制指令自動(dòng)打開換氣扇進(jìn)行空氣的更新。保證宿舍廁所環(huán)境良好，排除宿舍異味，學(xué)生可在宿舍正常呼吸，為學(xué)生營造良好的生活環(huán)境。本模塊氣體傳感器選用MH3-NH3氨氣傳感器，應(yīng)用在這種氣體傳感器中的氣敏材料是SnO2，這是一種在純凈空氣里有較低電導(dǎo)率的材料。傳感器可感受到空氣中存在的氨氣氣體，且隨著氣體濃度的增加，傳感器的電導(dǎo)也會(huì)增大。而電導(dǎo)率的變化可以通過電路輸出出來，這個(gè)輸出值也體現(xiàn)了氣體濃度值。設(shè)計(jì)相應(yīng)電路，在學(xué)生宿舍廁所中使用，就可以將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換成與氨氣濃度相對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出，當(dāng)異味達(dá)到閾值時(shí)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排氣功能。

2.4夜燈控制模塊-光敏傳感器，紅外傳感器

作者所在學(xué)校晚上10：20準(zhǔn)時(shí)熄燈，夜間燈無法打開，宿舍處于黑暗狀態(tài)。本模塊中光敏傳感器保證該電路在白天是斷路狀態(tài)，夜間是連通狀態(tài)；紅外傳感器則在電路連通狀態(tài)時(shí)運(yùn)行，當(dāng)附近有人時(shí)，向主控模塊發(fā)送信號(hào)，主控模塊控制夜燈的開閉，夜燈控制模塊示意圖如圖4所示。光敏傳感器選用GM55系列光敏電阻。光敏電阻這種傳感器的導(dǎo)電率隨著光強(qiáng)度的變化而改變。它是由半導(dǎo)體材料制成的，因?yàn)檫@種特性，光敏電阻被制作成了各種各樣具有不同面積和形狀的電阻。具有環(huán)氧樹脂封裝、可靠性好、體積小、靈敏度高、反應(yīng)速度快和光譜特性好的特點(diǎn)。光敏電阻廣泛應(yīng)用于室內(nèi)光線控制、光電控制、報(bào)警器和工業(yè)控制等方面。人體紅外傳感器選用HC-SR501紅外傳感器。工作原理是結(jié)合紅外線感應(yīng)和自動(dòng)控制技術(shù)，傳感器探頭選用德國生產(chǎn)的LHI778熱釋紅外傳感器，具有高可靠性，高靈敏度和超低電壓的諸多優(yōu)點(diǎn)，所以被各類自動(dòng)感應(yīng)設(shè)備廣泛采用。產(chǎn)品本身不帶有任何的輻射，器件的低功耗、良好隱蔽性和經(jīng)濟(jì)性也讓它有十分廣泛的應(yīng)用。本模塊可以利用光敏電阻判斷宿舍環(huán)境亮度，在夜間使用時(shí)可以利用紅外傳感器判斷夜燈附近是否有人，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)夜燈的開閉，方便學(xué)生夜間活動(dòng)，減少宿舍的安全隱患。

2.5溫濕度檢測模塊-溫濕度傳感器

由于本校宿舍處于背陰面，往往陰暗潮濕，夏天食物容易發(fā)霉變質(zhì)，秋冬季干燥。對(duì)學(xué)生健康有嚴(yán)重的影響。本方案，通過溫濕度傳感器監(jiān)測室內(nèi)的溫度和濕度，將信息傳送給主控模塊，主控模塊將數(shù)據(jù)與設(shè)定好的人體舒適溫度和濕度進(jìn)行比對(duì)，實(shí)時(shí)調(diào)控空調(diào)進(jìn)行除濕或增降溫，或者調(diào)控加濕器實(shí)現(xiàn)加濕功能，讓學(xué)生生活在舒適的環(huán)境中。本模塊溫濕度傳感器選用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。DHT11是一種復(fù)合傳感器，輸出的是已校準(zhǔn)的數(shù)字信圖5DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。其采用了溫濕度傳感技術(shù)和數(shù)字模塊采集技術(shù)，這兩種技術(shù)可以保證產(chǎn)品的高可靠性和高穩(wěn)定性。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器由一個(gè)電阻式感濕元件、一個(gè)NTC測溫?zé)崦綦娮韬鸵粋€(gè)8位單片機(jī)組成，具有速度響應(yīng)快、性價(jià)比高和超強(qiáng)抗干擾等優(yōu)點(diǎn)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在ArduinoIDE開發(fā)環(huán)境中使用C語言的代碼進(jìn)行編程，可分為三大功能模塊，分別為氣體檢測模塊、夜燈控制模塊和溫濕度監(jiān)測模塊。通過Arduino主控模塊的主程序調(diào)用各個(gè)功能模塊子程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)應(yīng)不同傳感器采集相應(yīng)電信號(hào)，然后根據(jù)各自特性曲線轉(zhuǎn)化為宿舍實(shí)際氣體濃度值、光照強(qiáng)度值和溫度濕度值等，實(shí)現(xiàn)不同的功能。

3.1氣體檢測模塊-氣體傳感器

該傳感器原理是將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換成與NH3濃度相對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出，氣體濃度與電阻轉(zhuǎn)化公式即為該傳感器的NH3靈敏特性曲線，縱軸為傳感器的電阻比（Rs/R0），橫坐標(biāo)為氣體濃度，Rs為傳感器在不同濃度NH3中的電阻值，R0為傳感器在潔凈空氣中的電阻值[5]。當(dāng)傳感器采集到宿舍空氣中實(shí)際的傳感器電阻值傳回Arduino主控模塊后，經(jīng)過NH3靈敏特性曲線函數(shù)轉(zhuǎn)化，即可得到當(dāng)前宿舍廁所氨氣濃度數(shù)值。此時(shí)在主函數(shù)中將當(dāng)前檢測值與設(shè)定好的閾值進(jìn)行比較，如果小于閾值則主控模塊不響應(yīng)；一旦濃度大于等于閾值則主控模塊觸發(fā)排氣系統(tǒng)，打開排氣扇，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排氣功能，達(dá)到清潔效果。

3.2夜燈控制模塊-光敏傳感器，紅外傳感器

本模塊中光敏傳感器作為控制電路中的一部分，光敏傳感器感受環(huán)境亮度，阻值發(fā)生變化，即在白天阻值極大，電路不連通；光線較暗時(shí)阻值較小，電路工作。傳感器檢測通過光照特性曲線，縱軸為光敏電阻值，橫坐標(biāo)為光線強(qiáng)度，當(dāng)傳感器采集到宿舍夜晚中實(shí)際的電阻值傳回Arduino主控模塊后，經(jīng)過光照特性曲線函數(shù)轉(zhuǎn)化，即可得到當(dāng)前宿舍光照強(qiáng)度數(shù)值。此時(shí)在主函數(shù)中將當(dāng)前檢測值與設(shè)定好的閾值進(jìn)行比較，判斷是否為夜晚，若是則紅外傳感器開啟工作模式。紅外傳感器負(fù)責(zé)檢測周圍是否有人，主要采用熱釋電元件，會(huì)感知人體紅外輻射溫度變化即會(huì)釋放電荷，便可根據(jù)紅外探測器的響應(yīng)曲線進(jìn)行轉(zhuǎn)化，縱軸為輸出電壓，橫坐標(biāo)為紅外輻射功率，當(dāng)傳感器采集到附近電壓值傳回Arduino主控模塊后，經(jīng)過紅外探測器的響應(yīng)曲線函數(shù)轉(zhuǎn)化，即可得到傳感器附近紅外輻射功率。此時(shí)在主函數(shù)中將當(dāng)前檢測值與設(shè)定好的閾值進(jìn)行比較，判斷是否為宿舍夜晚廁所附近有人，可實(shí)現(xiàn)學(xué)生起夜后有夜燈照明的功能，方便實(shí)用。

3.3溫濕度監(jiān)測模塊-溫濕度傳感器

溫濕度傳感器原理是將電阻的變化轉(zhuǎn)換成與溫濕度相對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出，溫濕度特性曲線，縱軸為傳感器的標(biāo)準(zhǔn)溫濕度值，橫坐標(biāo)為傳感器內(nèi)電阻值，當(dāng)傳感器采集到宿舍中實(shí)際的傳感器電阻值傳回Arduino主控模塊后，經(jīng)過溫濕度特性曲線函數(shù)轉(zhuǎn)化，即可得到當(dāng)前宿舍溫度和濕度值。可實(shí)現(xiàn)對(duì)宿舍內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測，主控模塊將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)與設(shè)定好的人體舒適溫濕度閾值k進(jìn)行對(duì)照，并調(diào)控空調(diào)進(jìn)行增溫、降溫或除濕，加濕器進(jìn)行加濕等功能。本模塊可以利用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器敏銳測出學(xué)生宿舍內(nèi)溫濕度，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸rduino主控模塊，由程序控制開閉宿舍空調(diào)或加濕器，實(shí)現(xiàn)對(duì)宿舍溫濕度的自動(dòng)調(diào)控。

4結(jié)語

本文以作者高中學(xué)生宿舍的日常問題出發(fā)，針對(duì)廁所異味重、起夜無照明、溫濕度不可控等問題，設(shè)計(jì)了一套基于學(xué)生宿舍的智能家居傳感器系統(tǒng)，本方案以Arduino開發(fā)板為主控模塊，以藍(lán)牙系統(tǒng)為媒介適應(yīng)宿舍內(nèi)小范圍的傳輸，將氨氣氣體傳感器應(yīng)用于氣體檢測模塊、光敏傳感器和人體紅外傳感器應(yīng)用于夜燈控制模塊、溫濕度傳感器應(yīng)用于溫濕度監(jiān)測模塊，可以實(shí)現(xiàn)排氣扇自動(dòng)化控制，智能夜燈控制，宜居溫濕度智能校準(zhǔn)等功能，諸多傳感器模塊協(xié)調(diào)工作，應(yīng)用在學(xué)生宿舍中，簡便易行。本方案針對(duì)作者學(xué)校宿舍特有的情況，可以提高學(xué)生宿舍的生活質(zhì)量和安全指數(shù)，舒適便捷，智能高效。在傳感器技術(shù)和人工智能領(lǐng)域日益發(fā)展的今天，學(xué)生宿舍的智能管理是十分有必要的，作為中學(xué)生，更要順應(yīng)時(shí)代潮流，學(xué)習(xí)先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，用科技改變生活。

參考文獻(xiàn)

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作者：苗嘉軒 單位：河南省洛陽市第一高級(jí)中學(xué)