学生宿舍智能家居传感器设计

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【摘要】学生宿舍是学生长期居住和生活的地方，其便捷度和舒适度直接影响了学生们的生活质量和学习效率。智能家居利用网络技术和传感器等软硬件设备来改善家居环境，使家居生活更加舒适便利。本文将智能家居的概念引入到学生宿舍中去，应用气体传感器、光敏传感器、红外传感器和温湿度传感器等模块，在学生宿舍中实现自动控制排气、起夜灯照明和加湿除湿等功能，实现学生宿舍自动化和便捷化，改善宿舍环境，提升生活质量，有助于学生更好的学习和生活。

【关键词】学生宿舍；智能家居；传感器；自动化

1引言

1.1选题背景意义

随着物联网技术的大力发展和大数据、人工智能等概念的不断更新，人们越来越关注生活的品质，并一直致力于将自身居住环境打造成为一个安全化、舒适化、科技化、高效化的智能空间，一股智能家居的热潮也应运而生。然而，目前社会上智能家居的关注点更多的是放在家庭住宅中，学生宿舍这一庞大的群体却少有应用。学生宿舍是学生长期居住和生活的地方，学生宿舍安全问题和舒适程度也是社会和家长普遍关注的焦点，其安全性、便捷度和舒适度直接影响了学生们的生活质量和学习效率。智能家居基于物联网技术，运用通信技术和传感器等软硬件设备来改善宿舍环境，会使学校宿舍生活更加舒适便利。所以设计一个基于学生宿舍的智能家居传感器系统来改善和管理学生宿舍是具有重要现实意义的。

1.2国内外研究现状

在智能家居的热潮中，欧美国家在研发智能家居领域目前处于领先地位，亚洲的日本韩国等发达国家也紧紧跟随市场前沿，有着充分的研发基础。我国虽然在该领域发展起步缓慢，但近几年随着国内家电厂商和互联网公司共同开始研发智能家居，中国智能家居市场发展潜力巨大[1]。苹果公司在2014年6月的HomeKit平台，整合了siri语音等功能，使用户通过iOS系统控制智能家居产品。谷歌公司在2016年5月年度I/O开发者大会上，了配有内置扬声器的语音激活设备GoogleHome，成为家庭的控制中心。阿里巴巴公司在2017年4月成立阿里云IoT事业部，专注物联网领域，推出了智能生活开放平台，通过提供智能解决方案帮助不同厂家实现家居智能化。除此之外，针对大学生宿舍也有论文研究，以ARM嵌入式系统为基础，利用无线物联网技术实现对宿舍门禁、照明、电源插座等远程控制和管理[2]。

1.3本文主要工作

本文作者就读于河南省洛阳第一高级中学，六人间宿舍内部结构为一间卧室，一个阳台和一间厕所，宿舍晚上10：20准时熄灯，熄灯后同学们上厕所必须在黑暗中摸索，极其不方便；另外，夏天厕所气味难闻，影响学生日常居住质量。除此之外，宿舍还存在空气温湿度无法自动调节的问题。为了解决这些存在的问题，本文基于Arduino开发板设计了一个学生宿舍的智能家居控制系统，包括气体检测模块、夜灯控制模块、温湿度检测模块，此外还有蓝牙通信模块。利用气体传感器、光敏传感器、红外传感器和温湿度传感器等模块，在学生宿舍中实现自动控制排气、开关窗帘和加湿除湿等功能，实现学生宿舍自动化和便捷化，改善宿舍环境，提升生活质量，有助于学生更好的学习和生活。

2系统硬件设计

根据上述问题分析，学生宿舍的智能家居传感器系统的总体设计方案如图1所示。系统主要分为五部分，其中包括主控模块、蓝牙通信模块、气体检测模块、夜灯控制模块和温湿度监测模块。其中系统的主控模块选用Arduino开发板，通信系统采用蓝牙通信模块，主控模块可通过蓝牙通信模块与气体检测模块、夜灯控制模块和温湿度监测模块的终端传感器发送或接收指令，用于实现不同功能。

2.1主控模块：Arduino开发板

本方案以Arduino开发板为核心的主控模块（如图2）。Arduino作为一款开源的电子设计平台，主要由硬件部分和软件部分共同构成，硬件部分由AtmelAVR单片机、I/O口及外围电路构成，软件部分由ArduinoIDE开发环境的程序编译器和程序下载器构成，可以使用类似C语言的代码语言进行编辑[3]。Arduino主要具有开源免费、便捷简单、易于上手的优点，更重要的是开源代码的简单程序可以直接在网络上下载，依据自己需求功能进行修改，便于与传感器和各种电子器件连接。本方案要以Arduino为核心，蓝牙通信模块为媒介，控制气体检测，夜灯控制，温湿度检测模块。

2.2蓝牙通信模块

蓝牙这种无线通信技术大部分供于给室内机器连接，所以关于它的研究领域的通信距离在10~100m间，这项技术更是为了使不同电子设备实现自由连接和无线通信，包括手机、耳机、笔记本等日常电子设备[4]。蓝牙技术快速便捷，且使用的是无线网络资源，并不占用有线资源，信息的传递也更加迅速和高效。对于本系统设计选择蓝牙通信还有以下考虑：①工作在免费的通用2.4GHzISM频段，降低学校的成本负担；②简单易用，蓝牙的芯片虽小但通过它可以在半径10m量级范围内的信息设备以无线方式进行通信和信息互换，在学生宿舍中更加简便和安全；③学生宿舍内部使用对通信距离要求不高，但稳定性要求高，使用蓝牙通信正好满足要求而WiFi通信稳定性偏差。本方案中，主控模块通过蓝牙通信模块发出无线指令，各个模块接受信号实现控制。

2.3气体检测模块-气体传感器

气体检测模块通过气体传感器对宿舍厕所的污浊气体进行监控，一旦超过某一阈值，便向主控模块发出信号，主控模块随即发出控制指令自动打开换气扇进行空气的更新。保证宿舍厕所环境良好，排除宿舍异味，学生可在宿舍正常呼吸，为学生营造良好的生活环境。本模块气体传感器选用MH3-NH3氨气传感器，应用在这种气体传感器中的气敏材料是SnO2，这是一种在纯净空气里有较低电导率的材料。传感器可感受到空气中存在的氨气气体，且随着气体浓度的增加，传感器的电导也会增大。而电导率的变化可以通过电路输出出来，这个输出值也体现了气体浓度值。设计相应电路，在学生宿舍厕所中使用，就可以将电导率的变化转换成与氨气浓度相对应的信号输出，当异味达到阈值时，可实现自动排气功能。

2.4夜灯控制模块-光敏传感器，红外传感器

作者所在学校晚上10：20准时熄灯，夜间灯无法打开，宿舍处于黑暗状态。本模块中光敏传感器保证该电路在白天是断路状态，夜间是连通状态；红外传感器则在电路连通状态时运行，当附近有人时，向主控模块发送信号，主控模块控制夜灯的开闭，夜灯控制模块示意图如图4所示。光敏传感器选用GM55系列光敏电阻。光敏电阻这种传感器的导电率随着光强度的变化而改变。它是由半导体材料制成的，因为这种特性，光敏电阻被制作成了各种各样具有不同面积和形状的电阻。具有环氧树脂封装、可靠性好、体积小、灵敏度高、反应速度快和光谱特性好的特点。光敏电阻广泛应用于室内光线控制、光电控制、报警器和工业控制等方面。人体红外传感器选用HC-SR501红外传感器。工作原理是结合红外线感应和自动控制技术，传感器探头选用德国生产的LHI778热释红外传感器，具有高可靠性，高灵敏度和超低电压的诸多优点，所以被各类自动感应设备广泛采用。产品本身不带有任何的辐射，器件的低功耗、良好隐蔽性和经济性也让它有十分广泛的应用。本模块可以利用光敏电阻判断宿舍环境亮度，在夜间使用时可以利用红外传感器判断夜灯附近是否有人，以此实现对夜灯的开闭，方便学生夜间活动，减少宿舍的安全隐患。

2.5温湿度检测模块-温湿度传感器

由于本校宿舍处于背阴面，往往阴暗潮湿，夏天食物容易发霉变质，秋冬季干燥。对学生健康有严重的影响。本方案，通过温湿度传感器监测室内的温度和湿度，将信息传送给主控模块，主控模块将数据与设定好的人体舒适温度和湿度进行比对，实时调控空调进行除湿或增降温，或者调控加湿器实现加湿功能，让学生生活在舒适的环境中。本模块温湿度传感器选用DHT11数字温湿度传感器。DHT11是一种复合传感器，输出的是已校准的数字信图5DHT11数字温湿度传感器。其采用了温湿度传感技术和数字模块采集技术，这两种技术可以保证产品的高可靠性和高稳定性。DHT11数字温湿度传感器由一个电阻式感湿元件、一个NTC测温热敏电阻和一个8位单片机组成，具有速度响应快、性价比高和超强抗干扰等优点。

3系统软件设计

本系统软件设计在ArduinoIDE开发环境中使用C语言的代码进行编程，可分为三大功能模块，分别为气体检测模块、夜灯控制模块和温湿度监测模块。通过Arduino主控模块的主程序调用各个功能模块子程序实现对应不同传感器采集相应电信号，然后根据各自特性曲线转化为宿舍实际气体浓度值、光照强度值和温度湿度值等，实现不同的功能。

3.1气体检测模块-气体传感器

该传感器原理是将电导率的变化转换成与NH3浓度相对应的信号输出，气体浓度与电阻转化公式即为该传感器的NH3灵敏特性曲线，纵轴为传感器的电阻比（Rs/R0），横坐标为气体浓度，Rs为传感器在不同浓度NH3中的电阻值，R0为传感器在洁净空气中的电阻值[5]。当传感器采集到宿舍空气中实际的传感器电阻值传回Arduino主控模块后，经过NH3灵敏特性曲线函数转化，即可得到当前宿舍厕所氨气浓度数值。此时在主函数中将当前检测值与设定好的阈值进行比较，如果小于阈值则主控模块不响应；一旦浓度大于等于阈值则主控模块触发排气系统，打开排气扇，实现自动排气功能，达到清洁效果。

3.2夜灯控制模块-光敏传感器，红外传感器

本模块中光敏传感器作为控制电路中的一部分，光敏传感器感受环境亮度，阻值发生变化，即在白天阻值极大，电路不连通；光线较暗时阻值较小，电路工作。传感器检测通过光照特性曲线，纵轴为光敏电阻值，横坐标为光线强度，当传感器采集到宿舍夜晚中实际的电阻值传回Arduino主控模块后，经过光照特性曲线函数转化，即可得到当前宿舍光照强度数值。此时在主函数中将当前检测值与设定好的阈值进行比较，判断是否为夜晚，若是则红外传感器开启工作模式。红外传感器负责检测周围是否有人，主要采用热释电元件，会感知人体红外辐射温度变化即会释放电荷，便可根据红外探测器的响应曲线进行转化，纵轴为输出电压，横坐标为红外辐射功率，当传感器采集到附近电压值传回Arduino主控模块后，经过红外探测器的响应曲线函数转化，即可得到传感器附近红外辐射功率。此时在主函数中将当前检测值与设定好的阈值进行比较，判断是否为宿舍夜晚厕所附近有人，可实现学生起夜后有夜灯照明的功能，方便实用。

3.3温湿度监测模块-温湿度传感器

温湿度传感器原理是将电阻的变化转换成与温湿度相对应的信号输出，温湿度特性曲线，纵轴为传感器的标准温湿度值，横坐标为传感器内电阻值，当传感器采集到宿舍中实际的传感器电阻值传回Arduino主控模块后，经过温湿度特性曲线函数转化，即可得到当前宿舍温度和湿度值。可实现对宿舍内的温度和湿度进行监测，主控模块将采集到的温湿度数据与设定好的人体舒适温湿度阈值k进行对照，并调控空调进行增温、降温或除湿，加湿器进行加湿等功能。本模块可以利用DHT11数字温湿度传感器敏锐测出学生宿舍内温湿度，并将数据传输到Arduino主控模块，由程序控制开闭宿舍空调或加湿器，实现对宿舍温湿度的自动调控。

4结语

本文以作者高中学生宿舍的日常问题出发，针对厕所异味重、起夜无照明、温湿度不可控等问题，设计了一套基于学生宿舍的智能家居传感器系统，本方案以Arduino开发板为主控模块，以蓝牙系统为媒介适应宿舍内小范围的传输，将氨气气体传感器应用于气体检测模块、光敏传感器和人体红外传感器应用于夜灯控制模块、温湿度传感器应用于温湿度监测模块，可以实现排气扇自动化控制，智能夜灯控制，宜居温湿度智能校准等功能，诸多传感器模块协调工作，应用在学生宿舍中，简便易行。本方案针对作者学校宿舍特有的情况，可以提高学生宿舍的生活质量和安全指数，舒适便捷，智能高效。在传感器技术和人工智能领域日益发展的今天，学生宿舍的智能管理是十分有必要的，作为中学生，更要顺应时代潮流，学习先进科学技术，用科技改变生活。

参考文献

[1]吴列宏，等.国内外智能家居市场发展现状浅析[J].现代电信科技，2014.

[2]华旺东，等.基于物联网的智能学生宿舍系统的设计[D].江汉大学，2015.

[3]崔阳，等.一种基于Arduino的智能家居控制系统[J].计算机技术与应用，2014.

作者：苗嘉轩 单位：河南省洛阳市第一高级中学