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摘要：智能寢室系統是智能化控制學生寢室的一套解決方案，為優化寢室環境設計。在功能上，它分為門禁、空氣調節、自適應燈光、防火防盜、床位單元、通知單元六個部分;在硬件上，它由網關、室內傳感器包、室外傳感器包、床位節點、調光燈、無線插排構成。我們希望將智能化控制方案應用到學生寢室中，提高學生的生活質量。 引言 智能家居系統現在主要圍繞著“家庭”來進行，對于廣大學生來說，寢室就是學生的“家”。寢室的結構與環境與個人家庭有很大的區別。基于此，想要重新審視智能家居系統，按照寢室的現實需要進行重新構想，使學生寢室智能化，進而改變學生的生活。 1 設計 從功能的角度出發，根據學生的生活習慣，智能寢室應該有以下幾個部分： 1.1 門禁單元 在學校里，學生頻繁往來于教室與寢室，忘帶鑰匙時有發生。但學生卡或飯卡一般都會放在錢包里隨身攜帶。所以設計了刷卡門禁，刷學生卡或飯卡來開門。為增加人性化程度，在開門的同時，光線傳感器會檢測室內的光線強度，如果室內光線昏暗，寢室內的燈會自動開啟。 1.2 空氣調節單元 空氣調節單元是整個設計的創新點之一，通過空氣調節單元，希望智能寢室能夠自動調節寢室空氣環境，使寢室的溫度盡可能在23度左右，濕度在40%-60%，保持空氣清新流通。為此，需要實現自動開窗通風、自動化空調調節、加濕器和空氣凈化器控制。提升空氣質量成本最低的方式是開窗通風，智能寢室將比對室內外溫濕度值、空氣PM2.5值，如果室外環境較為適宜，將自動開窗通風。此外，智能寢室還增加了一個雨水傳感器，如果檢測到持續的有水信號，將自動控制關窗。特別是，室外環境不能達到要求，智能寢室通過檢測室內濕度和PM2.5值來控制加濕器和空氣凈化器的開關，通過檢測室內溫度，控制空調的溫度、風速等。 1.3 自適應燈光 自適應燈光是對調光燈應用的新構想，眾所周知，色溫對人眼有很大的影響。對學生而言，在寢室看書時，健康的色溫能夠起到保護視力的作用。為實現這一功能，智能寢室使用LED調光燈作為每個人床頭臺燈使用，在調光燈開啟時，傳感器會檢測室內的色溫值，智能寢室將調節調光燈的顏色，給予一個光補償，從而補償出最適宜的色溫水平。 1.4 防火防盜單元 由于寢室空間相對較小，又同時容納4-6人生活，所以做好防火工作非常重要。由于有了空氣調節單元PM2.5傳感器的支持，防火單元將直接使用其數據，如果數據異常，防火單元將觸發報警。防盜單元需要引入紅外熱釋電傳感器和干簧管門、窗傳感器。在紅外熱釋電檢測到異常后，系統將再次檢測確認以避免誤差，如果依舊異常，將觸發報警。干簧管傳感器檢測到異常時，將立即觸發報警。觸發報警時，除了有報警音，智能寢室還將通過互聯網將推送消息發送至寢室成員的手機和寢室管理人員的電腦。 1.5 床位單元 床位單元完全按照寢室實際環境設計，學生寢室的主體就是“床位”。床位單元在外觀上就是一個鍵盤，安裝到每個床位的床邊，這樣學生可以在自己的小空間里控制寢室的一切。在床位單元上，加入了對個人小電器的控制功能。這算是我們對智能家居未來發展的一種展望。我們希望，在未來，生活中的各種用電器都會有一個與之對應的通用協議和通訊標準，那時候，只要學生買回一臺小風扇(舉個例子)，學生只需一鍵與學生的床位單元配對，即可通過床位單元的預留按鍵對小風扇進行諸如開關、定時、調速之類的功能。這一想法的實現需要協議制定聯盟和各廠商協作推進，雖任重道遠，但這前景無限。 1.6 通知單元 通知單元將改變下達通知的方式，通過郵件系統，學校和老師可以直接將通知下達到各寢室，通知內容將顯示在寢室屏幕上。 1.7 人性化功能 人性化功能是智能寢室的特色之一。一鍵離開功能：一鍵離開功能，對應一個按鈕，適用于寢室里最后一個離開的人，按下后，智能寢室將幫學生關閉正在運行的空調、飲水機等用電器，幫學生開門。同時，它還觸發一個30秒左右的延時，此延時的目的是給學生充足的時間離開寢室，延時過后，防盜系統將自動打開。在刷卡開門后，防盜系統會自動關閉。睡眠模式功能：這同樣對應一個按鈕，按下后，智能寢室將關閉寢室電燈，自動調暗已打開床頭燈，并開啟空氣調節單元。 2 硬件及實現辦法 2.1 概覽 硬件(圖1)上，本設計主要使用了載有德州儀器(Texas Instruments，下稱TI)AM335x處理器的BeagleBone Black板(下稱BBB)、TI CC2530板上系統組建ZigBee網絡、TI CC2531 ZigBee Light Link燈板(下稱ZLL)來進行開發。室內的通信使用的是標準ZigBee網絡，通過BBB與互聯網通信。本節下面的每一個副標題代表一個硬件部分。 2.2 網關 網關由BBB、觸摸屏、CC2530節點、CC2531 USB Dongle、13.56MHz讀卡器組成。網關安裝在寢室門后。BBB將接入互聯網，用于實現通知功能的實現和報警功能的實現。干簧管門傳感器數據端會連接到BBB。觸摸屏安裝在BBB上，在Ubuntu下使用QT Creator創建了直觀的圖形界面(圖3)，可以觸摸控制各種功能。 CC2530節點將用于與室內各節點進行通信，CC2530節點通過串口與BBB連接。CC2531 USB Dongle用于控制ZLL調光燈網絡及燈光的各項參數。13.56MHz讀卡器安裝于門外，通過串口與BBB連接，用于身份識別。開門的方式建議選用電控鎖或電磁鎖，但對于喜歡DIY的朋友，筆者推薦“撞擊開門器”，撞擊開門器由一個撞擊式電磁鐵(ZW32)和一個鐵片組成(圖4)，這個方案可以不更換寢室門鎖，只需擰上一顆螺絲釘即可安裝。 2.3 室內傳感器包 室內傳感器包由DHT11溫濕度傳感器、GP2Y1010AU0F空氣質量傳感器、兩路光敏電阻、紅光偏振片、紅外發射器、紅外熱釋電傳感器、CC2530節點組成。室內傳感器包用于檢測室內的空氣環境和色溫，紅外發射器用于對空調等電器的控制，紅外熱釋電傳感器用于防盜系統。 2.4 戶外傳感器包 戶外傳感器(圖5)包由DHT11溫濕度傳感器、GP2Y1010AU0F空氣質量傳感器、雨水傳感器、鋰電池、太陽能板、TP4057鋰電池充電模塊、AMS1117降壓模塊、CC2530節點組成。戶外傳感器包用于檢測寢室外的空氣環境，同時檢測室外是否下雨。由于戶外傳感器包需要長時間安裝于室外，所以使用太陽能供電是個不錯的選擇。值得一提的是，我們巧妙地進行了防水設計，將空氣質量傳感器隱藏于背面，可以防止這些傳感器進水。 2.5 床位節點 床位節點構造比較簡單(圖6)，它由矩陣鍵盤和CC2530節點組成。通過按下矩陣鍵盤上面的按鍵，可以實現在床頭快速控制各部分的功能。 2.6 調光燈 調光燈使用了標準的ZLL燈板，相關PCB和物料表可在德州儀器網站找到。使用兩路光敏電阻，但其中一路光敏電阻上加入紅色濾光鏡，可讀取出光線中紅光的強度，通過比較兩路光敏傳感器數值，計算出色溫的大體值。 2.7 無線插排 控制飲水機、加濕器等電器開關，不一定非得改造他們。使用由電源模塊、繼電器和CC2530組成的無線插排可以解決這一問題。學生只需將他們按照插排上的圖標插入對應孔位、將他們的開關置于開啟，剩下的工作交給無線插排控制就可以了。 2.8 快速獲得樣品 就目前來說，快速獲得成品最佳的途徑就是使用3D打印技術，按照設計，對必要的部分進行了建模，通過3D打印對網關、室內傳感器包、戶外傳感器包制作了樣品。 3 未來、發展 除了統一電器控制，對未來，對智能寢室有以下期待： 3.1 擁有Simple Link功能的手機端 使用TI的Simple Link方案如CC3000，可以實現以無線的方式通過手機App將智能寢室系統加入寢室內的無線網絡。這個手機端除了Smart Config功能外，還將擁有風格統一的圖形界面，由于時間原因，還沒有進行開發。 3.2 支持Apple Home Kit 2014 WWDC上，Apple發布了其針對智能家居市場的Home，智能寢室的手機和平板終端支持上Home Kit也是不錯的選擇，甚至可以引入進行語音控制，或者在智能手表上遙控控制。 3.3 更多的功能 配合雨水傳感器，智能寢室系統還可以增加雨天自動收回衣架的功能。配合光線傳感器和BBB互聯網自校準時鐘，智能寢室也可以增加窗簾控制的功能。 參考文獻： [1]Matt Richardson .《Getting Started with BeagleBone》[M]. [2]ZigBee Lighting Gateway SW [R/OL].http://processors.wiki.ti.com/index.php/ZigBee_Lighting_Gateway_SW#SRPC_SET_DEV_COLOR [3]在Ubuntu中搭建Qt Creator對BBB的交叉編譯環境[R/OL].http://blog.csdn.net/wyt2013/article/details/18549415 [4]使用Beaglebone Black的串口UART [R/OL].http://blog.csdn.net/wyt2013/article/details/16846027 [5]使用Beaglebone Black的IO口[R/OL].http://blog.csdn.net/wyt2013/article/details/14175275 |
