物联网-智能校园浴室管理系统

基于物联网应用的智能校园浴室管理系统

摘要：通过使用物联网的相关技术，可实时了解浴室使用情况，方便高校学生对浴室的使用。

关键词：物联网；射频识别；红外感应；ZigBee

0 引言

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。其英文名称是“The Internet of things”。由此，顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

1 开发原因

目前高校里一般都提供有多个浴室，但对于每个浴室分别的使用情况，学生一般都不甚了解。特别到了冬天，去浴室洗澡的人数显著增加，这时候就会出现洗澡排队的尴尬现象。如果对于各个浴室的洗澡人数以及等待人数等情况有所掌握的话，学生也比较容易合理地安排洗澡时间，避开洗澡高峰，选择人数较少的浴室或是时间段。

2 校园浴室感知层设计

物联网的核心技术之一就是感知层。感知层一般都是由基于物理、化学、生物等技术的传感器以及网关所构成。传感器采集所需的各种数据，经过一定的处理后发送给网关。下图是物联网的相关结构图：

图2-1 物联网结构图

在我们设计的浴室管理系统感知层中，主要使用了红外传感器和射频识别（RFID）技术。

2.1 红外传感器

从仿生学观点，如果把计算机看成处理和识别信息的“大脑”，把通信系统看成传递信息的“神经系统”的话，那么传感器就是“感觉器官”。传感技术是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理（变换）和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器（又称换能器）、信息处理和识别的规划设计、开发、制／建造、测试、应用及评价改进等活动。获取信息靠各类传感器，它们有各种物理量、化学量或生物量的传感器。信息处理包括信号的预处理、后置处理、特征提取与选择等。识别的主要任务是对经过处理信息进行辨识与分类。它利用被识别（或诊断）对象与特征信息间的关联关系模型对输入的特征信息集进行辨识、比较、分类和判断。我们设计的管理系统里采用的红外传感器，正是对人体辐射产生的红外线进行识别和处理的。人体体温辐射的红外线中心波长大约为9~10μm，而传感器的滤光片可通过光的波长范围也大约为这个范围，正好适合于人体红外辐射的探测，形成了一种专门用作探测人体辐射的红外传感器。

2.2 射频识别（RFID）

射频识别（Radio Frequency Identification，简称RFID）是通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据的无线通讯技术。它可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。常用的有低频（125k~134.2K）、高频（13.56Mhz）、超高频，无源等技术。RFID系统往往是由一个阅读器和电子标签组成的。电子标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象，而阅读器为读取或写入标签信息的设备。因为RFID具有智能识别的功能，所以在门禁、运输、付费等方面有着很广泛的应用。在该管理系统中，RFID主要起到识别学生身份与统计进入浴室人数的作用。

不同频段的RFID产品会有不同的特性，适用于不同的应用。该系统使用的是校园一卡通实现ID识别和记录，因此比较适合使用低频段的工作频率，即为125kHz~135kHz。该频率主要是通过电感耦合的方式进行工作，也就是在读写器线圈和感应器线圈间存在着变压器耦合作用。其主要特性为：

1.低频感应器的一般工作频率从120KHz到134KHz,TI的工作频率为134.2KHz。

2.除了金属材料影响外，一般低频能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离。

3.工作在低频的读写器在全球没有任何特殊的许可限制。

4.低频产品有不同的封装形式.

5.虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。

6．相对于其他频段的RFID产品，该频段数据传输速率比较慢。

选用低频的原因主要有：

①由于RFID技术首先在低频段得到广泛应用和推广，因此技术比较成熟，在应用方面更加容易实现；

②.虽然该频段的数据传输速率比较慢，但识别系统并不需要很快的数据传输速率，因此这并不会成为低频段的劣势；

③.工作在低频的读写器使用时不用担心任何许可限制；

④.现在大部分使用RFID技术的校园卡以及交通卡等都使用低频段工作频率。

2.3 感知层在浴室的应用

据目前第三学生浴室的情况而言，浴室所使用的用于储存个人衣物及用品的柜子并没有什么特别的防范措施，并不安全，而且可能出现拿错东西的情况。储存用品的柜子如果使用射频识别技术（RFID）就不会再出现这样的问题。通过识别校园一卡通打开相应的柜子，既方便同学寻找空余柜子，又防止盗窃事件的发生。为了了解浴室龙头的使用情况，感应是否有人正在使用淋浴龙头，在每一个淋浴的小隔间内均安装红外线传感器。这样就完成了对浴室情况管理设备上的配置。

接下来介绍该管理系统感知层的具体运作过程。当持卡人进入浴室，使用校园卡在衣柜存包时，系统将会记录该持卡人的状态为“已存包”；而当持卡人使用校园卡开启浴室龙头后，将开启红外线传感器对人体辐射进行感知，并同时将持卡人的状态转换为“使用浴室中”，即使当使用校园卡关闭水龙头后，若红外线传感器仍感应到人体辐射则依然维持状态为“使用浴室中”，该状态一直持续至红外线传感器感应到人的离去；当人离开浴室龙头后，关闭红外线传感器并将该持卡人的状态改变为“准备取包”，该状态持续至持卡人将存放衣物及物品的柜子关上，此后该持卡人将被视为离开浴室。

当有持卡人的状态被记录时，这些状态被发往网关进行进一步的处理。我们使用ZigBee 协议来实现数据的传输。下图2-2即为感知层结构图：

图2-2 感知层结构图

3 校园浴室网络层设计

3.1 协议选择

短距离无线方式主要采用无线微波作为传输介质。无线组网可避免布线烦恼，有利于浴室的安全美观，且易于日常维护及故障检测。目前可行的无线组网所使用的技术有蓝牙、wi —Fi、HomeRF、ZigBee等。

ZigBee是一种新兴的低速、低功耗、低成本、低复杂度的短距离无线通信技术，工作在 2.4GHz／915MHz／868MHz 三个频段，相应的传输速率为250Kbps／40Kbps／20Kbps。ZigBee成本很低，一个无线节点的成本可降至2美元，将来还将更低。所以我们将选择ZigBee 作为网络层的通信协议。