學生宿舍智能家居傳感器設計

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【摘要】學生宿舍是學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生們的生活質量和學習效率。智能家居利用網(wǎng)絡技術和傳感器等軟硬件設備來改善家居環(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生宿舍中去，應用氣體傳感器、光敏傳感器、紅外傳感器和溫濕度傳感器等模塊，在學生宿舍中實現(xiàn)自動控制排氣、起夜燈照明和加濕除濕等功能，實現(xiàn)學生宿舍自動化和便捷化，改善宿舍環(huán)境，提升生活質量，有助于學生更好的學習和生活。

【關鍵詞】學生宿舍；智能家居；傳感器；自動化

1引言

1.1選題背景意義

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的大力發(fā)展和大數(shù)據(jù)、人工智能等概念的不斷更新，人們越來越關注生活的品質，并一直致力于將自身居住環(huán)境打造成為一個安全化、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運而生。然而，目前社會上智能家居的關注點更多的是放在家庭住宅中，學生宿舍這一龐大的群體卻少有應用。學生宿舍是學生長期居住和生活的地方，學生宿舍安全問題和舒適程度也是社會和家長普遍關注的焦點，其安全性、便捷度和舒適度直接影響了學生們的生活質量和學習效率。智能家居基于物聯(lián)網(wǎng)技術，運用通信技術和傳感器等軟硬件設備來改善宿舍環(huán)境，會使學校宿舍生活更加舒適便利。所以設計一個基于學生宿舍的智能家居傳感器系統(tǒng)來改善和管理學生宿舍是具有重要現(xiàn)實意義的。

1.2國內外研究現(xiàn)狀

在智能家居的熱潮中，歐美國家在研發(fā)智能家居領域目前處于領先地位，亞洲的日本韓國等發(fā)達國家也緊緊跟隨市場前沿，有著充分的研發(fā)基礎。我國雖然在該領域發(fā)展起步緩慢，但近幾年隨著國內家電廠商和互聯(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，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)者大會上，了配有內置揚聲器的語音激活設備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)領域，推出了智能生活開放平臺，通過提供智能解決方案幫助不同廠家實現(xiàn)家居智能化。除此之外，針對大學生宿舍也有論文研究，以ARM嵌入式系統(tǒng)為基礎，利用無線物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)對宿舍門禁、照明、電源插座等遠程控制和管理[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中學，六人間宿舍內部結構為一間臥室，一個陽臺和一間廁所，宿舍晚上10：20準時熄燈，熄燈后同學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，影響學生日常居住質量。除此之外，宿舍還存在空氣溫濕度無法自動調節(jié)的問題。為了解決這些存在的問題，本文基于Arduino開發(fā)板設計了一個學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，在學生宿舍中實現(xiàn)自動控制排氣、開關窗簾和加濕除濕等功能，實現(xiàn)學生宿舍自動化和便捷化，改善宿舍環(huán)境，提升生活質量，有助于學生更好的學習和生活。

2系統(tǒng)硬件設計

根據(jù)上述問題分析，學生宿舍的智能家居傳感器系統(tǒng)的總體設計方案如圖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)采用藍牙通信模塊，主控模塊可通過藍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計平臺，主要由硬件部分和軟件部分共同構成，硬件部分由AtmelAVR單片機、I/O口及外圍電路構成，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成，可以使用類似C語言的代碼語言進行編輯[3]。Arduino主要具有開源免費、便捷簡單、易于上手的優(yōu)點，更重要的是開源代碼的簡單程序可以直接在網(wǎng)絡上下載，依據(jù)自己需求功能進行修改，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藍牙通信模塊

藍牙這種無線通信技術大部分供于給室內機器連接，所以關于它的研究領域的通信距離在10~100m間，這項技術更是為了使不同電子設備實現(xiàn)自由連接和無線通信，包括手機、耳機、筆記本等日常電子設備[4]。藍牙技術快速便捷，且使用的是無線網(wǎng)絡資源，并不占用有線資源，信息的傳遞也更加迅速和高效。對于本系統(tǒng)設計選擇藍牙通信還有以下考慮：①工作在免費的通用2.4GHzISM頻段，降低學校的成本負擔；②簡單易用，藍牙的芯片雖小但通過它可以在半徑10m量級范圍內的信息設備以無線方式進行通信和信息互換，在學生宿舍中更加簡便和安全；③學生宿舍內部使用對通信距離要求不高，但穩(wěn)定性要求高，使用藍牙通信正好滿足要求而WiFi通信穩(wěn)定性偏差。本方案中，主控模塊通過藍牙通信模塊發(fā)出無線指令，各個模塊接受信號實現(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宿舍廁所的污濁氣體進行監(jiān)控，一旦超過某一閾值，便向主控模塊發(fā)出信號，主控模塊隨即發(fā)出控制指令自動打開換氣扇進行空氣的更新。保證宿舍廁所環(huán)境良好，排除宿舍異味，學生可在宿舍正常呼吸，為學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，傳感器的電導也會增大。而電導率的變化可以通過電路輸出出來，這個輸出值也體現(xiàn)了氣體濃度值。設計相應電路，在學生宿舍廁所中使用，就可以將電導率的變化轉換成與氨氣濃度相對應的信號輸出，當異味達到閾值時，可實現(xiàn)自動排氣功能。

2.4夜燈控制模塊-光敏傳感器，紅外傳感器

作者所在學校晚上10：20準時熄燈，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)時運行，當附近有人時，向主控模塊發(fā)送信號，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電率隨著光強度的變化而改變。它是由半導體材料制成的，因為這種特性，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、反應速度快和光譜特性好的特點。光敏電阻廣泛應用于室內光線控制、光電控制、報警器和工業(yè)控制等方面。人體紅外傳感器選用HC-SR501紅外傳感器。工作原理是結合紅外線感應和自動控制技術，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，所以被各類自動感應設備廣泛采用。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)濟性也讓它有十分廣泛的應用。本模塊可以利用光敏電阻判斷宿舍環(huán)境亮度，在夜間使用時可以利用紅外傳感器判斷夜燈附近是否有人，以此實現(xiàn)對夜燈的開閉，方便學生夜間活動，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，秋冬季干燥。對學生健康有嚴重的影響。本方案，通過溫濕度傳感器監(jiān)測室內的溫度和濕度，將信息傳送給主控模塊，主控模塊將數(shù)據(jù)與設定好的人體舒適溫度和濕度進行比對，實時調控空調進行除濕或增降溫，或者調控加濕器實現(xiàn)加濕功能，讓學生生活在舒適的環(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是一種復合傳感器，輸出的是已校準的數(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和數(shù)字模塊采集技術，這兩種技術可以保證產(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電阻式感濕元件、一個NTC測溫熱敏電阻和一個8位單片機組成，具有速度響應快、性價比高和超強抗干擾等優(yōu)點。

3系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件設計在ArduinoIDE開發(fā)環(huán)境中使用C語言的代碼進行編程，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用各個功能模塊子程序實現(xiàn)對應不同傳感器采集相應電信號，然后根據(jù)各自特性曲線轉化為宿舍實際氣體濃度值、光照強度值和溫度濕度值等，實現(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率的變化轉換成與NH3濃度相對應的信號輸出，氣體濃度與電阻轉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]。當傳感器采集到宿舍空氣中實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)轉化，即可得到當前宿舍廁所氨氣濃度數(shù)值。此時在主函數(shù)中將當前檢測值與設定好的閾值進行比較，如果小于閾值則主控模塊不響應；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，實現(xiàn)自動排氣功能，達到清潔效果。

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，橫坐標為光線強度，當傳感器采集到宿舍夜晚中實際的電阻值傳回Arduino主控模塊后，經(jīng)過光照特性曲線函數(shù)轉化，即可得到當前宿舍光照強度數(shù)值。此時在主函數(shù)中將當前檢測值與設定好的閾值進行比較，判斷是否為夜晚，若是則紅外傳感器開啟工作模式。紅外傳感器負責檢測周圍是否有人，主要采用熱釋電元件，會感知人體紅外輻射溫度變化即會釋放電荷，便可根據(jù)紅外探測器的響應曲線進行轉化，縱軸為輸出電壓，橫坐標為紅外輻射功率，當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曲線函數(shù)轉化，即可得到傳感器附近紅外輻射功率。此時在主函數(shù)中將當前檢測值與設定好的閾值進行比較，判斷是否為宿舍夜晚廁所附近有人，可實現(xiàn)學生起夜后有夜燈照明的功能，方便實用。

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換成與溫濕度相對應的信號輸出，溫濕度特性曲線，縱軸為傳感器的標準溫濕度值，橫坐標為傳感器內電阻值，當傳感器采集到宿舍中實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)轉化，即可得到當前宿舍溫度和濕度值。可實現(xiàn)對宿舍內的溫度和濕度進行監(jiān)測，主控模塊將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)與設定好的人體舒適溫濕度閾值k進行對照，并調控空調進行增溫、降溫或除濕，加濕器進行加濕等功能。本模塊可以利用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器敏銳測出學生宿舍內溫濕度，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或加濕器，實現(xiàn)對宿舍溫濕度的自動調控。

4結語

本文以作者高中學生宿舍的日常問題出發(fā)，針對廁所異味重、起夜無照明、溫濕度不可控等問題，設計了一套基于學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，以藍牙系統(tǒng)為媒介適應宿舍內小范圍的傳輸，將氨氣氣體傳感器應用于氣體檢測模塊、光敏傳感器和人體紅外傳感器應用于夜燈控制模塊、溫濕度傳感器應用于溫濕度監(jiān)測模塊，可以實現(xiàn)排氣扇自動化控制，智能夜燈控制，宜居溫濕度智能校準等功能，諸多傳感器模塊協(xié)調工作，應用在學生宿舍中，簡便易行。本方案針對作者學校宿舍特有的情況，可以提高學生宿舍的生活質量和安全指數(shù)，舒適便捷，智能高效。在傳感器技術和人工智能領域日益發(fā)展的今天，學生宿舍的智能管理是十分有必要的，作為中學生，更要順應時代潮流，學習先進科學技術，用科技改變生活。

參考文獻

[1]吳列宏，等.國內外智能家居市場發(fā)展現(xiàn)狀淺析[J].現(xiàn)代電信科技，2014.

[2]華旺東，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能學生宿舍系統(tǒng)的設計[D].江漢大學，2015.

[3]崔陽，等.一種基于Arduino的智能家居控制系統(tǒng)[J].計算機技術與應用，2014.

作者：苗嘉軒 單位：河南省洛陽市第一高級中學