基于LabVIEW学生宿舍智能监控系统研究

摘要：目前学生宿舍管理普遍采用的是查勤老师、值班阿姨和红外设备等监控方式，这些方式存在不能全面监控宿舍情况、不能有效保证学生隐私和对管理者来说费时费力等许多不足之处。在此基础上，采用“物联网”技术和NI PXI-6221数据采集卡以及网络通信等技术组合采构建学生宿舍智能监控系统，该系统能实现实时显示、网络查询、存储与管理、报警和解除危险等宿舍智能监控和管理功能。
关键词：智能监控；学生宿舍；LabVIEW；网络查询

0 引言
    2004年云南大学宿舍发生轰动全国的“马加爵事件”令无数的学生管理工作者不寒而栗；而2010年12月11日，云南楚雄紫溪中学学生宿舍发生的“云南学生宿舍惨案”，再次震惊全国，同时也成为学生管理者的焦点。当然，还有像1990年4月某大学女大学生宿舍发生火灾，原因是一女同学违反规定，熄灯后在床边点烛炬看书，烛火点燃蚊帐引起大火；1986年9月的一天下午，某大学体育班的一位同学私下使用电炉，正遇上停电，他未切断电源就去上课，寝室内没有人，来电后，电炉烤燃桌子引起火灾，将整个寝室烧毁等等这些事件时而发生，这些事情都说明了学生宿舍监管系统存在许多缺陷。在国外，因生活方式不同，学生宿舍一般不视为教育资源的一部分，只是从生活服务上提供最为人性的保障如安全、舒适、温馨等，在这样环境下培养学生的良好习惯，即所谓环境育人；在国内，几乎所有的学校无不列外的采用宿管阿姨加摄像头监控模式，当然还有管理者不定期的抽查模式，这种管理方式存在许多弊端：如不能准确、实时、在线监控学生宿舍情况；对一些不易察觉的隐形危险如电流、电压、烟雾毒等危害发生无法实时监控；红外摄像头监控无法保证学生隐私等，而且基本上只能对发生事情后提供一些证据，不能进行预处理和报警。本论文针对这些问题提出新的监控模式的系统设计——学生智能监控系统。

1 硬件设计
    智能宿舍监控系统包括了计数器模块、外宿监测模块、电流电压检测模块、烟雾毒气监测模块、数据采集和分析模块、数据通信模块以及PC机等。如图1所示。

1．1 外宿监测模块
    计数器模块主要在学生宿舍门安装人体感应器和计数器芯片，它主要判断宿舍有人、无人，并能动态计数和显示宿舍内的人数变化。外宿监测模块主要在宿舍床上安装压力传感器和温度传感器来实现，压力传感器采用了高精度电阻应变式压力传感器。
    电阻应变式压力传感器主要由弹性体、电阻应变片电缆线等组成，内部线路采用惠更斯电桥，当弹性体承受载荷产生变形时，电阻应变片(转换元件)受到拉伸或压缩应变片变形后，它的阻值将发生变化(增大或减小)，从而使电桥失去平衡，产生相应的差动信号，供后续电路测量和处理。通过床上的重量来判断床上是否有学生的监控模式，相对红外摄像监控有很多的好处，不仅可以充分地保证学生的隐私，而且更关键的是可以根据学生实际到寝的情况进行预报警和预处理。
    当然单凭床上的重量不能足以证明床上躺着的就是学生，也有可能是学生在床上放有其他重物，所以同时在床上加装温度传感器，其采用普通的温敏电阻，主要作用是监控床上在相对时间内是否有温度的变化来进一步监测床上是人还是物。
1．2 电压、电流监测
    电压电流监测模块主要是检测是否有学生在使用大功率器件，本监测模块特别能在停电后再来电检测电压和电流值是否正常，如果停电后再来电监测的电压或电流值超出正在范围(范围可人工设定)，即报警和自行关断电源处理，以充分保证学生宿舍用电安全。该监控系统采用ZMPT107系列精密电流型电压互感器来采集电压变化的信号，用ZMCT103系列精密电流互感器来采集电流变化的信号和采用ZMPT107系列精密电流互感器来采集电流变化的信号，ZMPT107采用环氧树脂的密封材料构成，额定输入电流为2 mA，额定输出电流为2 mA，变比是1 000：1 000，ZMPT107具有较好的线性度(0．1％)和较高的精度等级(0．2级)。能够满足监控学生宿舍电压的要求，监控电压的电路图如图2所示。

    硬件部分主要由三个类似的ZMPT107系列电流型电压互感器构成的电压检测部分和LM358N双运放芯片构成精密整流电路的处理部分组成。检测部分对三根相线的相电压进行检测。然后输出一个交流电流经过采样电阻转换成交流电压。处理部分将检测电路获得的微弱的交流电压转换成电压值为交流电压的有效值的直流电压。
    电流检测使用ZMCT103系列精密电流互感器来采集电流变化的信号，ZMCT103系列精密电流互感器采用环氧树脂的密封材料构成，额定输入电流为5 A，额定输出电流为5 mA，变比是1 000：1，ZMCT103具有较好的线性度(0．2％)和较高的精度等级(0．2级)。能够满足监控实验室电流的要求。硬件部分主要由ZMCT103系列精密电流互感器构成电流检测部分和LM358N双运放芯片构成精密整流电路的处理部分组成。检测部分采用了三个电流互感器对三根相线的线电流进行检测。然后输出一个交流电流经过采样电阻转换成交流电压。处理部分将检测电路获得的微弱的交流电压转换成电压值为交流电压的有效值的直流电压。电路如图3所示。

    电路图中J2为ZMCT103精密电流互感器，J1为采集信号的输出端，如果是三相电，可以做三个类似的电路进行监测。检测到的信号送入虚拟仪器公司的采集卡PCI-6221进行处理。
    宿舍停电后突然来电可能会造成较为严重的安全隐患。本系统采用的保护措施是用虚拟仪器公司NIPXI-6221数据采集卡中的一个通道来专门监测停电后来电信号，当停电后又来电信号识别成功后，立即测量电压和电流值，如果监测到的电压和电流值两者之一在非正常范围内，说明有高功率的用电器在工作，NI PXI-6221数据采集卡将立即输出一个信号控制继电器关断电源总开关进入保护模式并报警，框图如图4所示。

1．3 烟雾、毒气监测模块
    烟雾、毒气的监测模块主要用来检测学生宿舍失火的监控和报警、学生宿舍天然气中毒的监测和报警处理机制。采用MQ-2烟雾传感器检测有害气体的信号，MQ-2气敏传感器使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在烟雾、明火或易燃气体时，传感器的电导率随空气中烟雾的浓度、明火的热量大小或易燃气体的浓度的增加而增大。有害气体的检测使用MQ-135气敏传感器来检测有害气体的信号。检测电路如图5所示。

2 软件设计
    学生宿舍智能监控系统软件部分采用美国虚拟仪器公司的LabVIEW 8．5．1软件平台，数据采集卡采用的是虚拟仪器公司M系列的NIPXI-6221，其作用是将硬件电路采集到的信号进行分析和处理，将分析和处理的结果进行智能分析和判断是否有安全隐患，如果有将产生指令对执行结构进行动作并报警。并将执行的情况在人机交互界面进行显示。宿舍智能监控系统的现场调试图如图6所示。

    智能宿舍监控系统人机交互界面如图7所示。由于整个系统监控模块比较多，如防盗、电压、电流等，图8是学生宿舍电流监控人机交互示意图，其他模块不一一列出。

3 结语
    本系统在湖南科技学学生宿舍15栋进行现场调试和试运行，如果学生宿舍出现了学生外宿或晚归情况，智能监控系统即时报警并显示外宿学生的宿舍和床号。如果出现用火、用电、用气等安全隐患，系统立即报警并自动执行命令如断电、开窗等，对学生宿舍进行安全保护。整个系统能稳定运行，安全可靠，对学生宿舍智能监控发挥出较好的作用。