智能寝室
发布时间：2015-11-12 10:13
发布者：designapp
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摘要：智能寝室系统是智能化控制学生寝室的一套解决方案，为优化寝室环境设计。在功能上，它分为门禁、空气调节、自适应灯光、防火防盗、床位单元、通知单元六个部分;在硬件上，它由网关、室内传感器包、室外传感器包、床位节点、调光灯、无线插排构成。我们希望将智能化控制方案应用到学生寝室中，提高学生的生活质量。 引言 智能家居系统现在主要围绕着“家庭”来进行，对于广大学生来说，寝室就是学生的“家”。寝室的结构与环境与个人家庭有很大的区别。基于此，想要重新审视智能家居系统，按照寝室的现实需要进行重新构想，使学生寝室智能化，进而改变学生的生活。 1 设计 从功能的角度出发，根据学生的生活习惯，智能寝室应该有以下几个部分： 1.1 门禁单元 在学校里，学生频繁往来于教室与寝室，忘带钥匙时有发生。但学生卡或饭卡一般都会放在钱包里随身携带。所以设计了刷卡门禁，刷学生卡或饭卡来开门。为增加人性化程度，在开门的同时，光线传感器会检测室内的光线强度，如果室内光线昏暗，寝室内的灯会自动开启。 1.2 空气调节单元 空气调节单元是整个设计的创新点之一，通过空气调节单元，希望智能寝室能够自动调节寝室空气环境，使寝室的温度尽可能在23度左右，湿度在40%-60%，保持空气清新流通。为此，需要实现自动开窗通风、自动化空调调节、加湿器和空气净化器控制。提升空气质量成本最低的方式是开窗通风，智能寝室将比对室内外温湿度值、空气PM2.5值，如果室外环境较为适宜，将自动开窗通风。此外，智能寝室还增加了一个雨水传感器，如果检测到持续的有水信号，将自动控制关窗。特别是，室外环境不能达到要求，智能寝室通过检测室内湿度和PM2.5值来控制加湿器和空气净化器的开关，通过检测室内温度，控制空调的温度、风速等。 1.3 自适应灯光 自适应灯光是对调光灯应用的新构想，众所周知，色温对人眼有很大的影响。对学生而言，在寝室看书时，健康的色温能够起到保护视力的作用。为实现这一功能，智能寝室使用LED调光灯作为每个人床头台灯使用，在调光灯开启时，传感器会检测室内的色温值，智能寝室将调节调光灯的颜色，给予一个光补偿，从而补偿出最适宜的色温水平。 1.4 防火防盗单元 由于寝室空间相对较小，又同时容纳4-6人生活，所以做好防火工作非常重要。由于有了空气调节单元PM2.5传感器的支持，防火单元将直接使用其数据，如果数据异常，防火单元将触发报警。防盗单元需要引入红外热释电传感器和干簧管门、窗传感器。在红外热释电检测到异常后，系统将再次检测确认以避免误差，如果依旧异常，将触发报警。干簧管传感器检测到异常时，将立即触发报警。触发报警时，除了有报警音，智能寝室还将通过互联网将推送消息发送至寝室成员的手机和寝室管理人员的电脑。 1.5 床位单元 床位单元完全按照寝室实际环境设计，学生寝室的主体就是“床位”。床位单元在外观上就是一个键盘，安装到每个床位的床边，这样学生可以在自己的小空间里控制寝室的一切。在床位单元上，加入了对个人小电器的控制功能。这算是我们对智能家居未来发展的一种展望。我们希望，在未来，生活中的各种用电器都会有一个与之对应的通用协议和通讯标准，那时候，只要学生买回一台小风扇(举个例子)，学生只需一键与学生的床位单元配对，即可通过床位单元的预留按键对小风扇进行诸如开关、定时、调速之类的功能。这一想法的实现需要协议制定联盟和各厂商协作推进，虽任重道远，但这前景无限。 1.6 通知单元 通知单元将改变下达通知的方式，通过邮件系统，学校和老师可以直接将通知下达到各寝室，通知内容将显示在寝室屏幕上。 1.7 人性化功能 人性化功能是智能寝室的特色之一。一键离开功能：一键离开功能，对应一个按钮，适用于寝室里最后一个离开的人，按下后，智能寝室将帮学生关闭正在运行的空调、饮水机等用电器，帮学生开门。同时，它还触发一个30秒左右的延时，此延时的目的是给学生充足的时间离开寝室，延时过后，防盗系统将自动打开。在刷卡开门后，防盗系统会自动关闭。睡眠模式功能：这同样对应一个按钮，按下后，智能寝室将关闭寝室电灯，自动调暗已打开床头灯，并开启空气调节单元。 2 硬件及实现办法 2.1 概览 硬件(图1)上，本设计主要使用了载有德州仪器(Texas Instruments，下称TI)AM335x处理器的BeagleBone Black板(下称BBB)、TI CC2530板上系统组建ZigBee网络、TI CC2531 ZigBee Light Link灯板(下称ZLL)来进行开发。室内的通信使用的是标准ZigBee网络，通过BBB与互联网通信。本节下面的每一个副标题代表一个硬件部分。  2.2 网关 网关由BBB、触摸屏、CC2530节点、CC2531 USB Dongle、13.56MHz读卡器组成。网关安装在寝室门后。BBB将接入互联网，用于实现通知功能的实现和报警功能的实现。干簧管门传感器数据端会连接到BBB。触摸屏安装在BBB上，在Ubuntu下使用QT Creator创建了直观的图形界面(图3)，可以触摸控制各种功能。  CC2530节点将用于与室内各节点进行通信，CC2530节点通过串口与BBB连接。CC2531 USB Dongle用于控制ZLL调光灯网络及灯光的各项参数。13.56MHz读卡器安装于门外，通过串口与BBB连接，用于身份识别。开门的方式建议选用电控锁或电磁锁，但对于喜欢DIY的朋友，笔者推荐“撞击开门器”，撞击开门器由一个撞击式电磁铁(ZW32)和一个铁片组成(图4)，这个方案可以不更换寝室门锁，只需拧上一颗螺丝钉即可安装。   2.3 室内传感器包 室内传感器包由DHT11温湿度传感器、GP2Y1010AU0F空气质量传感器、两路光敏电阻、红光偏振片、红外发射器、红外热释电传感器、CC2530节点组成。室内传感器包用于检测室内的空气环境和色温，红外发射器用于对空调等电器的控制，红外热释电传感器用于防盗系统。 2.4 户外传感器包 户外传感器(图5)包由DHT11温湿度传感器、GP2Y1010AU0F空气质量传感器、雨水传感器、锂电池、太阳能板、TP4057锂电池充电模块、AMS1117降压模块、CC2530节点组成。户外传感器包用于检测寝室外的空气环境，同时检测室外是否下雨。由于户外传感器包需要长时间安装于室外，所以使用太阳能供电是个不错的选择。值得一提的是，我们巧妙地进行了防水设计，将空气质量传感器隐藏于背面，可以防止这些传感器进水。  2.5 床位节点 床位节点构造比较简单(图6)，它由矩阵键盘和CC2530节点组成。通过按下矩阵键盘上面的按键，可以实现在床头快速控制各部分的功能。 2.6 调光灯 调光灯使用了标准的ZLL灯板，相关PCB和物料表可在德州仪器网站找到。使用两路光敏电阻，但其中一路光敏电阻上加入红色滤光镜，可读取出光线中红光的强度，通过比较两路光敏传感器数值，计算出色温的大体值。 2.7 无线插排 控制饮水机、加湿器等电器开关，不一定非得改造他们。使用由电源模块、继电器和CC2530组成的无线插排可以解决这一问题。学生只需将他们按照插排上的图标插入对应孔位、将他们的开关置于开启，剩下的工作交给无线插排控制就可以了。 2.8 快速获得样品 就目前来说，快速获得成品最佳的途径就是使用3D打印技术，按照设计，对必要的部分进行了建模，通过3D打印对网关、室内传感器包、户外传感器包制作了样品。 3 未来、发展 除了统一电器控制，对未来，对智能寝室有以下期待： 3.1 拥有Simple Link功能的手机端 使用TI的Simple Link方案如CC3000，可以实现以无线的方式通过手机App将智能寝室系统加入寝室内的无线网络。这个手机端除了Smart Config功能外，还将拥有风格统一的图形界面，由于时间原因，还没有进行开发。 3.2 支持Apple Home Kit 2014 WWDC上，Apple发布了其针对智能家居市场的Home，智能寝室的手机和平板终端支持上Home Kit也是不错的选择，甚至可以引入进行语音控制，或者在智能手表上遥控控制。 3.3 更多的功能 配合雨水传感器，智能寝室系统还可以增加雨天自动收回衣架的功能。配合光线传感器和BBB互联网自校准时钟，智能寝室也可以增加窗帘控制的功能。 参考文献： [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对BBB的交叉编译环境[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 |
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