基于LabVIEW學(xué)生宿舍智能監(jiān)控系統(tǒng)研究

摘要：目前學(xué)生宿舍管理普遍采用的是查勤老師、值班阿姨和紅外設(shè)備等監(jiān)控方式，這些方式存在不能全面監(jiān)控宿舍情況、不能有效保證學(xué)生隱私和對(duì)管理者來說費(fèi)時(shí)費(fèi)力等許多不足之處。在此基礎(chǔ)上，采用“物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)和NI PXI-6221數(shù)據(jù)采集卡以及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)組合采構(gòu)建學(xué)生宿舍智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、網(wǎng)絡(luò)查詢、存儲(chǔ)與管理、報(bào)警和解除危險(xiǎn)等宿舍智能監(jiān)控和管理功能。
關(guān)鍵詞：智能監(jiān)控；學(xué)生宿舍；LabVIEW；網(wǎng)絡(luò)查詢

0 引言
    2004年云南大學(xué)宿舍發(fā)生轟動(dòng)全國(guó)的“馬加爵事件”令無數(shù)的學(xué)生管理工作者不寒而栗；而2010年12月11日，云南楚雄紫溪中學(xué)學(xué)生宿舍發(fā)生的“云南學(xué)生宿舍慘案”，再次震驚全國(guó)，同時(shí)也成為學(xué)生管理者的焦點(diǎn)。當(dāng)然，還有像1990年4月某大學(xué)女大學(xué)生宿舍發(fā)生火災(zāi)，原因是一女同學(xué)違反規(guī)定，熄燈后在床邊點(diǎn)燭炬看書，燭火點(diǎn)燃蚊帳引起大火；1986年9月的一天下午，某大學(xué)體育班的一位同學(xué)私下使用電爐，正遇上停電，他未切斷電源就去上課，寢室內(nèi)沒有人，來電后，電爐烤燃桌子引起火災(zāi)，將整個(gè)寢室燒毀等等這些事件時(shí)而發(fā)生，這些事情都說明了學(xué)生宿舍監(jiān)管系統(tǒng)存在許多缺陷。在國(guó)外，因生活方式不同，學(xué)生宿舍一般不視為教育資源的一部分，只是從生活服務(wù)上提供最為人性的保障如安全、舒適、溫馨等，在這樣環(huán)境下培養(yǎng)學(xué)生的良好習(xí)慣，即所謂環(huán)境育人；在國(guó)內(nèi)，幾乎所有的學(xué)校無不列外的采用宿管阿姨加攝像頭監(jiān)控模式，當(dāng)然還有管理者不定期的抽查模式，這種管理方式存在許多弊端：如不能準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、在線監(jiān)控學(xué)生宿舍情況；對(duì)一些不易察覺的隱形危險(xiǎn)如電流、電壓、煙霧毒等危害發(fā)生無法實(shí)時(shí)監(jiān)控；紅外攝像頭監(jiān)控?zé)o法保證學(xué)生隱私等，而且基本上只能對(duì)發(fā)生事情后提供一些證據(jù)，不能進(jìn)行預(yù)處理和報(bào)警。本論文針對(duì)這些問題提出新的監(jiān)控模式的系統(tǒng)設(shè)計(jì)——學(xué)生智能監(jiān)控系統(tǒng)。

1 硬件設(shè)計(jì)
    智能宿舍監(jiān)控系統(tǒng)包括了計(jì)數(shù)器模塊、外宿監(jiān)測(cè)模塊、電流電壓檢測(cè)模塊、煙霧毒氣監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)采集和分析模塊、數(shù)據(jù)通信模塊以及PC機(jī)等。如圖1所示。

1．1 外宿監(jiān)測(cè)模塊
    計(jì)數(shù)器模塊主要在學(xué)生宿舍門安裝人體感應(yīng)器和計(jì)數(shù)器芯片，它主要判斷宿舍有人、無人，并能動(dòng)態(tài)計(jì)數(shù)和顯示宿舍內(nèi)的人數(shù)變化。外宿監(jiān)測(cè)模塊主要在宿舍床上安裝壓力傳感器和溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)，壓力傳感器采用了高精度電阻應(yīng)變式壓力傳感器。
    電阻應(yīng)變式壓力傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成，內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時(shí)，電阻應(yīng)變片(轉(zhuǎn)換元件)受到拉伸或壓縮應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化(增大或減小)，從而使電橋失去平衡，產(chǎn)生相應(yīng)的差動(dòng)信號(hào)，供后續(xù)電路測(cè)量和處理。通過床上的重量來判斷床上是否有學(xué)生的監(jiān)控模式，相對(duì)紅外攝像監(jiān)控有很多的好處，不僅可以充分地保證學(xué)生的隱私，而且更關(guān)鍵的是可以根據(jù)學(xué)生實(shí)際到寢的情況進(jìn)行預(yù)報(bào)警和預(yù)處理。
    當(dāng)然單憑床上的重量不能足以證明床上躺著的就是學(xué)生，也有可能是學(xué)生在床上放有其他重物，所以同時(shí)在床上加裝溫度傳感器，其采用普通的溫敏電阻，主要作用是監(jiān)控床上在相對(duì)時(shí)間內(nèi)是否有溫度的變化來進(jìn)一步監(jiān)測(cè)床上是人還是物。
1．2 電壓、電流監(jiān)測(cè)
    電壓電流監(jiān)測(cè)模塊主要是檢測(cè)是否有學(xué)生在使用大功率器件，本監(jiān)測(cè)模塊特別能在停電后再來電檢測(cè)電壓和電流值是否正常，如果停電后再來電監(jiān)測(cè)的電壓或電流值超出正在范圍(范圍可人工設(shè)定)，即報(bào)警和自行關(guān)斷電源處理，以充分保證學(xué)生宿舍用電安全。該監(jiān)控系統(tǒng)采用ZMPT107系列精密電流型電壓互感器來采集電壓變化的信號(hào)，用ZMCT103系列精密電流互感器來采集電流變化的信號(hào)和采用ZMPT107系列精密電流互感器來采集電流變化的信號(hào)，ZMPT107采用環(huán)氧樹脂的密封材料構(gòu)成，額定輸入電流為2 mA，額定輸出電流為2 mA，變比是1 000：1 000，ZMPT107具有較好的線性度(0．1％)和較高的精度等級(jí)(0．2級(jí))。能夠滿足監(jiān)控學(xué)生宿舍電壓的要求，監(jiān)控電壓的電路圖如圖2所示。

    硬件部分主要由三個(gè)類似的ZMPT107系列電流型電壓互感器構(gòu)成的電壓檢測(cè)部分和LM358N雙運(yùn)放芯片構(gòu)成精密整流電路的處理部分組成。檢測(cè)部分對(duì)三根相線的相電壓進(jìn)行檢測(cè)。然后輸出一個(gè)交流電流經(jīng)過采樣電阻轉(zhuǎn)換成交流電壓。處理部分將檢測(cè)電路獲得的微弱的交流電壓轉(zhuǎn)換成電壓值為交流電壓的有效值的直流電壓。
    電流檢測(cè)使用ZMCT103系列精密電流互感器來采集電流變化的信號(hào)，ZMCT103系列精密電流互感器采用環(huán)氧樹脂的密封材料構(gòu)成，額定輸入電流為5 A，額定輸出電流為5 mA，變比是1 000：1，ZMCT103具有較好的線性度(0．2％)和較高的精度等級(jí)(0．2級(jí))。能夠滿足監(jiān)控實(shí)驗(yàn)室電流的要求。硬件部分主要由ZMCT103系列精密電流互感器構(gòu)成電流檢測(cè)部分和LM358N雙運(yùn)放芯片構(gòu)成精密整流電路的處理部分組成。檢測(cè)部分采用了三個(gè)電流互感器對(duì)三根相線的線電流進(jìn)行檢測(cè)。然后輸出一個(gè)交流電流經(jīng)過采樣電阻轉(zhuǎn)換成交流電壓。處理部分將檢測(cè)電路獲得的微弱的交流電壓轉(zhuǎn)換成電壓值為交流電壓的有效值的直流電壓。電路如圖3所示。

    電路圖中J2為ZMCT103精密電流互感器，J1為采集信號(hào)的輸出端，如果是三相電，可以做三個(gè)類似的電路進(jìn)行監(jiān)測(cè)。檢測(cè)到的信號(hào)送入虛擬儀器公司的采集卡PCI-6221進(jìn)行處理。
    宿舍停電后突然來電可能會(huì)造成較為嚴(yán)重的安全隱患。本系統(tǒng)采用的保護(hù)措施是用虛擬儀器公司NIPXI-6221數(shù)據(jù)采集卡中的一個(gè)通道來專門監(jiān)測(cè)停電后來電信號(hào)，當(dāng)停電后又來電信號(hào)識(shí)別成功后，立即測(cè)量電壓和電流值，如果監(jiān)測(cè)到的電壓和電流值兩者之一在非正常范圍內(nèi)，說明有高功率的用電器在工作，NI PXI-6221數(shù)據(jù)采集卡將立即輸出一個(gè)信號(hào)控制繼電器關(guān)斷電源總開關(guān)進(jìn)入保護(hù)模式并報(bào)警，框圖如圖4所示。

1．3 煙霧、毒氣監(jiān)測(cè)模塊
    煙霧、毒氣的監(jiān)測(cè)模塊主要用來檢測(cè)學(xué)生宿舍失火的監(jiān)控和報(bào)警、學(xué)生宿舍天然氣中毒的監(jiān)測(cè)和報(bào)警處理機(jī)制。采用MQ-2煙霧傳感器檢測(cè)有害氣體的信號(hào)，MQ-2氣敏傳感器使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在煙霧、明火或易燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中煙霧的濃度、明火的熱量大小或易燃?xì)怏w的濃度的增加而增大。有害氣體的檢測(cè)使用MQ-135氣敏傳感器來檢測(cè)有害氣體的信號(hào)。檢測(cè)電路如圖5所示。

2 軟件設(shè)計(jì)
    學(xué)生宿舍智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件部分采用美國(guó)虛擬儀器公司的LabVIEW 8．5．1軟件平臺(tái)，數(shù)據(jù)采集卡采用的是虛擬儀器公司M系列的NIPXI-6221，其作用是將硬件電路采集到的信號(hào)進(jìn)行分析和處理，將分析和處理的結(jié)果進(jìn)行智能分析和判斷是否有安全隱患，如果有將產(chǎn)生指令對(duì)執(zhí)行結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作并報(bào)警。并將執(zhí)行的情況在人機(jī)交互界面進(jìn)行顯示。宿舍智能監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試圖如圖6所示。

    智能宿舍監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)交互界面如圖7所示。由于整個(gè)系統(tǒng)監(jiān)控模塊比較多，如防盜、電壓、電流等，圖8是學(xué)生宿舍電流監(jiān)控人機(jī)交互示意圖，其他模塊不一一列出。

3 結(jié)語
    本系統(tǒng)在湖南科技學(xué)學(xué)生宿舍15棟進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和試運(yùn)行，如果學(xué)生宿舍出現(xiàn)了學(xué)生外宿或晚歸情況，智能監(jiān)控系統(tǒng)即時(shí)報(bào)警并顯示外宿學(xué)生的宿舍和床號(hào)。如果出現(xiàn)用火、用電、用氣等安全隱患，系統(tǒng)立即報(bào)警并自動(dòng)執(zhí)行命令如斷電、開窗等，對(duì)學(xué)生宿舍進(jìn)行安全保護(hù)。整個(gè)系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行，安全可靠，對(duì)學(xué)生宿舍智能監(jiān)控發(fā)揮出較好的作用。