基于物联网的智能学生宿舍系统的设计

摘 要：本文✍是在物联网技术基础上，以学生宿舍为研究对象，建立一个对学生宿舍环境实现控制与管理的智能化系统。系统采用ARM S3C6410 作为核心控制处理器，嵌入式Linux系统为智能学生宿舍总中心控制系统，以ZigBee近距离无线传输协议组建宿舍控制监测网络，通过增设服务器以及开发Android 应用程序，增加系统的稳定性和普及率，实现了学生宿舍居住和管理的智能化。

关键词：嵌入式；物联网；ZigBee；智能学生宿舍；智能家居

中图分类号：TP273

物ข联网是在现代计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信技术，构造一个覆盖万事万物的网络世界，在这个网络中，可以对各个事物进行智能化管理和互动[1]。如今，智能家居的理念不断深入人心，许多家用电器都实现了智能化控制，但很少有将这种物联网技术应用于大学生宿舍。然而，学校宿舍用电安全及财产安全一直是社会关注的焦点，所以设计一个基于物联网的智能控制系统来对学生宿舍进行管理是有现实意义的。

1 系统总体方案

本系统是以ARM 嵌入式系统为基础，利用无线传感器技术、RFID以及信号处理与通信技术实现系统的整体架构。该系统将实现对宿舍的门禁、照明、采光和供电插座进行远程控制与管理，利用RFID对人员进出进行记录。

智能宿舍系统按照功能结构可以分为应用层、网络层和感知层。系统应用层的具体实物包含了Android应用程序及其服务器相关程序。在系统的网络层中，服务器是建立外网通信的核心部分，宿舍网关是建立内部通信连接数据传输的核心部分。在tiny6410开发板上扩展ZigBee模块作为宿舍网关，负责宿舍内部网络和外部网络的连接和数据转换。系统的感知层是采用ZigBee近距离无线传输协议来组建宿舍内部通信网络，ZigBee终端节点扩展不同的模块以实现不同功能。智能宿舍系统的总体架构如图1所示。

2 智能宿舍系统硬件设计

智能宿舍系统硬件主要是宿舍网关（嵌入式Linux网关）、ZϟigBee自组网中各个内部网络节点的设计。智能宿舍网关设计是建立在嵌入式Linux系统上，与服务器建立TCP连接，实现网络通信⌚，并与ZigBee协调器建立串行数据通信连接，ZigBee协调器通过组建内部网络并实现相互间的通信连接，从而实现网络化的管理与控制。

智能宿舍网关设计采用的是Tiny6410 嵌入式开发板[3]，其配有一个网络接口和四个串行通信接口，Ⓐ可以简化了硬件设计。在移植嵌入式Linux系统后，只需要在该系统上运行建立网络与串行通信连接的应用程序。

ZigBee节点的硬件设计采的是TI公司的CC2530F256芯片，单个芯片上整合ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。[2]

图1 智能宿舍系统的总体架构

2.1 嵌入式Linux网关设计

Linux内核支持DM9000 的驱动和串行通信接口驱动，并且对TCP/IP协议有良好的支持，设计网络通信程序较容易，作为智能宿舍的内部网关，要处理来自服务器的控制指令数据，解析后通过串行通信方式传递给ZigBee协调器，以实现网络数据的获取与传输，系统整体结构如图2所示。

图2 嵌入式系统结构图

2.2 ZigBee节点的设计

寝室环境中，各功能设备的通讯是基于ZigBee无线网络。介于智能宿舍的规模，即网络中传输的数据量不大、节点较多等因素，宿舍内部网络结构选择星形结构。在实际环境中搭建的网络结构，必要的硬件设备按结构可分为协调器和终端节点。

2.2.1 ZigBee协调器

ZigBee组网具有自组织的特点。ZigBee 协调器主要是组建整个ZigBee网络，实现内部网络相互间的数据传输，并与嵌入式智能宿舍网关建立通信连接，以实现数据的上传及指令的下发。

2.2.2 终端节点

在学生宿舍环境中，安全方面是首要考虑的。所以终端节点的功能设计，包含了RFID门禁系统、照明与插座控制节点、窗帘电机控制节点等。

图3 门禁节点原理图

（2）照明与插座控制节点。与门禁节点原理相似，电灯与插座都是CC2530 单片机通过驱动电路实现对继电器的控制，从而实现对电灯以及用电器件的控制。当接收到网络传递的指令数据时，ZigBee 终端节点执行相应的控制指令，实现对电灯或是用电器件的开关控制，进而实现了学生宿舍的用电器件的管理以控制，以无接触方式实现用电器件的控制，保证了用电的安全可靠。

（3）窗帘电机控制节点。窗帘控制就是通过CC2530 单片机通过对步进电机驱动模块实现对步进电机的驱动，原理与门禁节点类似。当该终端节点接收到相关控制指令通过驱动电机的以实现窗帘的开关控制，这里可以通过实现需要来控制窗帘的开合度，保证室内的合理化采光控制。

3 智能宿舍系统的软件设计

3.1 服务器程序设计

服务器程序是建立在具有固定IP的服务器上，最主要的作用是建立 Android 手机客户端和嵌入式系统的TCP 连接的线程间的管理和通信。嵌入式Linux系统与服务器建立TCP连接后，服务创建相应线程与其通信，当Android 手机客户端建立连接时，服务器创建另一个线程与其通信，服务器将两者通信数据相互传输，以实现两个客户端线程的通信。

3.2 Android 应用程序设计

Android应用程序是用户远程访问控制宿舍的客户端。应用程序设计就是与ZigBee节点相应的，分为门禁的控制按钮、电灯的开关按钮、插座的通断按钮和窗帘的开闭按钮。应用程序首次安装登录时，会与手机号进行绑定，以提高系统的安全性。登录后与服务器建立TCP连接，按钮动作会向服务器发送相应的控制指令，达到控制目的。

4 结束语

本文设计的系统实现了学生宿舍的智能化管理与控制功能，整体结构清晰明了，节点安装方便。可以根据实际需求扩展节点的功能，适用于不同环境。此项技术将Web技术、嵌入式技术和ZigBee技术完美的结合，在学生宿舍方面的应用与推广有较好的前景。

参考文献：

[3]友善之臂.Tiny6410开发板[EB/OL].http：//www.arm9.net/tiny6410.asp.