基于多机通信的智能学生公寓系统设计

随着我国高等教育事业的发展，大学生人数不断增加，导致高校后勤对学生公寓的管理工作量大大增加，同时在管理过程中也存在很多困难，比如针对火灾预防、节电节能和盗窃预防等问题，管理实时参与度很低，且高校后勤管理发展相对较慢。为了更好、更方便地管理学生公寓和加强学生自我管理能力，提高高校后勤管理水平，本文设计了一种基于单片机控制的智能学生公寓系统，通过各模块的控制，可以有效地降低问题发生的概率。本系统可以使得学生的生活更安全和方便，能降低很多安全隐患发生的可能性和及时做出预警，对加强学生的生活安全有很重要的意义，也是对未来智能学生公寓的管理发展做铺垫。同时本系统有可靠性高、成本低且易于安装的特点，有很强的实用性。

目前智能公寓、物联网技术等都刚刚发展，处于起步阶段，技术尚不是很成熟，但也已经取得了很多成果。在未来，智能公寓等智能化生活方式将会迅速发展，最终将会进入到我们的学习生活中。因此研究对学生公寓的智能化设计是必要的，也会是一种发展趋势，也是对未来更全面、更广泛的智能生活设计的实践。

1 系统设计概述

整个系统以计算机作为总控制台，以单片机作为各子系统的控制中心，以实现全面、有效、方便地控制。针对各个方面的需要，分别设计出其对应的功能模块，使得控制能互不干扰，并行工作，对提高系统的稳定性和容错能力有很大的作用。计算机用来统筹管理和协调各子系统的工作，能对问题的发生做出预先判断，并给出合适的处理意见和做出正确的处理行为。

本系统主要有如下几个子系统组成：门禁子系统、火灾预防子系统、防盗子系统和节电控电子系统。各子系统分工协作，实时与主机通信，以提供实时监控和保护。

本系统是由计算机与多片单片机组成的主从机控制系统，以实现计算机与单片机之间的串行通信。由于单片机与计算机串口的电平属性不同，在通信之前要对计算机串口电平进行转换，在此之前，需要选择通信方式。

目前有两种常用的串行通信方式RS232和RS485，由于RS232不能使用双端信号，因此要求使用较高的输出电压，易受到干扰，而且其传输距离较短，而RS485通信信号传输是使用两根线之间的电压表示逻辑1和0的，接受和发送仅需要两根线就能完成传输，且由于传输线采用了差动信道，所以它的抗干扰性能较好，传输距离长，可满足一般学生公寓需求，另外它的传输速度较快，综合考虑本系统采用RS485总线方式。

由于计算机串行接口为RS232电平，需要使用RS232/RS485标准转换芯片转换成RS485接口，单片机串行接口为TTL电平，需要使用MAX485芯片转换成RS485接口，之后才能保证正常通信。系统结构图如下图1所示。

当主从机通信时，首先设置从单片机的串行接口与主机串行接口的参数保持一致，如数据格式、通信波特率等。本系统的每片从单片机都有一个独立的地址编号，并通过寄存器设置成接收地址。本系统中通信协议有三种帧格式：呼叫帧、应答帧和数据帧，呼叫帧由主机发出，应答帧只能由从单片机发出。当从单片机收到呼叫帧后，把本机地址和当前状态返回给主机进行比对，判断是否一致。若与主机发送地址相符，则发送应答帧，进入通信状态，其他与主机所发地址不相符的从单片机则保持继续监听状态，主从机均以中断方式进行通信。若从单片机需要发送数据到主机，则必须先等待主机遍历各从单片机后，才可以提出请求。具体通信过程流程图如图2所示。

本系统通过主机的控制，方便了对各个子系统的管理，有利于节约时间和提高管理效率。

2 子系统结构设计 2.1 子系统主控芯片

子系统采用STC公司的增强型51系列单片机12C5A60S2，它与8051单片机指令、管脚完全兼容，而且其内部自带高达60K FLASH ROM，同时价格相对低廉，能满足本系统的需求。

2.2 门禁子系统

此子系统用于防止陌生人员私自进入宿舍。宿舍门除了常规的门锁外外加了步进电机控制的电子锁，想要打开门锁需要输入正确的密码。为了方便，密码仅设置三位，可用按键输入，使用I2C接口EEPROM 24C04保存密码，同时液晶屏显示输入结果。此子系统设置密码错误报警模式，当输入密码错误达三次时，会触发蜂鸣器发出报警声，同时将报警记录传回主机。

2.3 火灾预防子系统

此子系统主要有温度传感器和烟雾传感器来测量宿舍内相关数据，经过处理后判断是否有火灾发生，如果达到设定的临界值时立即触发蜂鸣器持续发出警报声。同时此子系统有过电保护功能，采用电流互感器测量宿舍用电情况。当电流达到临界值时或电流突增的情况下触发继电器切断宿舍电路。如图3为结构框图。

温度传感器采用DALLAS公司的单总线数字温度传感器DS18B20，具有低功耗和抗干扰能力强等特点，可直接将温度转化成串行数字信号给单片机处理，温度测量范围为-55～+125℃，工作电压范围为3～5.5V。烟雾报警器内部采用离子式烟雾传感，烟雾浓度越高，离子电流越小，等效电阻则会增加，从而可测得烟雾浓度。

2.4 防盗子系统

为防止陌生人员经过阳台进入宿舍，在阳台安装热释电红外传感器，进行实时监控。人体辐射红外线波长在6～12微米，利用此特性，可做到对阳台的监控，同时此子系统连接警报装置。

2.5 节电控电子系统

为达到对宿舍内电灯的控制，采用光敏传感器和红外传感器检测室内亮度变化及人员活动。当检测到有人员活动时根据室内亮度选择关闭或是打开电灯，且添加关灯后延迟熄灭功能，以方便学生上床休息。

3 系统程序设计与仿真实验

由于子系统相对较多，本文选择门禁子系统作为例子。限于篇幅，这里选择输入密码后程序如何处理为要求设计程序。此设计以上述门禁子系统仿真电路图为根据，当输入密码后，会对密码进行判断，因此会有两种结果，正确，则LED灯亮，否则，LED灯不亮，累计三次错误后，蜂鸣器响起。程序流程图如图4所示。

经过试验仿真，系统运行正常，效果良好，可以满足设计需求。由于结果不方便表现，在此不再展示。

4 总结

本系统包含了具有防盗、门禁、火灾预防和节电控电等不同功能的模块，各模块分工协作，互不干扰，使得系统能正常运行，提高了系统的时效性和容错能力。经过仿真实验，系统运行良好，且系统搭建相对简单，价格低廉，有很好的实用性。本设计对完善高校学生公寓管理工作有一定的帮助和价值，为以后不断发展的智能化生活做出实验和参考，应用前景良好。

[1]徐广振.王丽卿.基于STC的高校学生公寓专用智能控制系统设计 [J]. 科技视野.

[2]王东峰.民 .单片机c语言应用100例D]. 北京.电子工业出版社.2013. 2.

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[4]刘千.丁会柱. 基于ARI的智能化公寓安防测控系统设计[J]. 电子设计工程.201.