本发明涉及学生宿舍安全监控领域，特别是涉及一种学生宿舍安全监控系统及方法。
背景技术：
近年来随着高校的扩招，更多的学生可以走进大学校园，而学生在宿舍的活动时间是最长的。通常高校宿舍用电都是按照能够满足学生基本生活需要配置的。部分学生为了方便自己，在房间内使用大功率的用电设备，如电炉子、热得快、电熨斗等违章电器，由于违章电器的使用引起火灾的事故时有发生，给国家的财产造成了严重的损失，同时也对大学生的生命构成了一定的威胁。虽然各个高校都制定了各种规章制度，但由于学生的变化大、来源复杂、层次不一，效果不明显，百分之一的同学违规使用大功率电器，就可能危害百分之九十九学生，给学校用电安全管理带来巨大隐患。现阶段高校还没有一个针对每个宿舍功能齐全的安全监控系统。
现在高校宿舍通常用电表计量用电量，而电表安装在宿舍楼的指定位置，学生无法获取用电量信息；且宿舍楼只能采用超过固定功率断电方法限制学生用电，无法辨别学生是否使用违章电器；火灾监控装置通常安装在楼道内，无法实时监控每个宿舍的安全。
因此，现有技术的缺陷和不足：
1.现有高校宿舍电表都集中安装在某一特定位置，学生不能实时了解宿舍的用电状况；同时，宿舍的火灾报警系统大多安装在楼道内，不能对每个宿舍的安全隐患进行监控。
2.目前国内高校对大功率电器限制主要采用两种方式：一种是普通电流控制，通过限制最大电流总值，线路保护，这种就是普通的保险丝功能，宿舍管理人员无法实时获得每个宿舍的安全信息，且无法得知哪个宿舍使用违章电器，全宿舍楼停电，对学生的生活起居带来十分不便；另一种是采用智能限电单片机，通过检测电流通过某一寝室的相位变化情况，最终判断纯电阻电路部分的功率，进而加以控制，这种方式只对纯电阻电路部分进行了限制，而对于波形改变的电器却没有限制作用，可能会存在漏监控的想象，无法从多方面对宿舍安全进行监控，从而导致监控结果的准确性低。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种学生宿舍安全监控系统及方法，以解决现有技术无法对每个宿舍的安全隐患实时监控，无法从多方面对宿舍安全进行监控，从而导致监控结果的准确性低的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种学生宿舍安全监控系统，包括：单片机、功率/电能测量电路、温度测量电路、烟雾检测电路、时钟电路、电压测量电路、显示电路、报警电路、gsm模块、继电器输出电路、存储电路以及上位机；
所述功率/电能测量电路、所述温度测量电路、所述烟雾检测电路、所述时钟电路、所述电压测量电路、所述显示电路、所述报警电路、所述gsm模块、所述继电器输出电路、所述存储电路以及所述上位机分别与所述单片机连接；所述学生宿舍安全监控系统安装在每个宿舍内，用于监测每个宿舍内的宿舍安全。
可选的，所述功率/电能测量电路具体包括：电阻、电容、计量芯片、稳压管、压敏电阻、第一三端稳压集成电路、光电耦合器以及晶体振荡器；
所述电阻包括i个电阻，0＜i≤26；所述电容包括j个电容，0＜j≤16；
第一电阻至第十二电阻串联，得到电阻串联串；所述电阻串联串分别与第十二电容至第十四电容以及第十三电阻至第十四电阻并联，得到并联串；所述并联串与所述计量芯片相连接；第二十一电阻分别与第十一电容以及所述计量芯片连接；第二十二电阻分别与第十二电容以及所述计量芯片连接；锰铜电阻并联在所述第二十一电阻和所述第二十二电阻之间；
所述稳压管与所述压敏电阻并联；第一电容、第二十三电阻以及所述稳压管串联在一起；所述稳压管、第二电容至第五电容、所述第一三端稳压集成电路、第十五电容以及第十六电容并联在一起；所述稳压管和所述第二电容之间设有第一二极管；第四电容和第五电容之间设有第二十四电阻；
所述计量芯片与光电耦合器相连接；所述光电耦合器与第二十六电阻相连接；所述光电耦合器还与发光二极管相连接；所述发光二极管与第二十五电阻相连接；所述计量芯片分别与所述晶体振荡器以及第九电容相连接；所述第九电容和第十电容串联。
可选的，所述温度测量电路具体包括：温度传感器以及第三十四电阻；
所述温度传感器与所述第三十四电阻并联。
可选的，所述继电器输出电路具体包括：两个继电器输出模块；
所述继电器输出模块包括二极管、三极管以及电阻；
所述三极管的发射极与所述二极管相连接；所述三极管的集电极接地；所述三极管的基极与所述电阻相连接。
可选的，所述电压测量电路具体包括：双线圈、整流桥、转换器、第二三端稳压集成电路以及第十七电容至第二十电容；
所述双线圈与所述整流桥相连接；所述第二三端稳压集成电路与并联的第十七电容以及第十八电容相连接；所述第二三端稳压集成电路还与并联的第十九电容以及第二十电容相连接。
可选的，所述报警电路具体包括：三极管、蜂鸣器以及电阻；
所述三极管的发射极与电源相连接；所述三极管的集电极与所述蜂鸣器相连接；所述三极管的基极与所述电阻相连接。
可选的，所述存储电路具体包括：存储器件、第三十一电阻以及第三十二电阻；
所述第三十一电阻与所述第三十二电阻分别与所述存储器件的不同接口相连接。
一种学生宿舍安全监控方法，所述监控系统包括：单片机、功率/电能测量电路、温度测量电路、烟雾检测电路、时钟电路、电压测量电路、显示电路、报警电路、gsm模块、继电器输出电路、存储电路以及上位机；所述功率/电能测量电路、所述温度测量电路、所述烟雾检测电路、所述时钟电路、所述电压测量电路、所述显示电路、所述报警电路、所述gsm模块、所述继电器输出电路、所述存储电路以及所述上位机分别与所述单片机连接；所述学生宿舍安全监控系统安装在每个宿舍内，用于监测每个宿舍内的宿舍安全；
所述监控方法包括：
获取每个宿舍的当前温度值；
判断所述当前温度值是否超出温度阈值，得到第一判断结果；
若所述第一判断结果表示为所述当前温度值超出温度阈值，发出警报；
若所述第一判断结果表示为所述当前温度值未超出温度阈值，获取每个宿舍的烟雾浓度值；
判断所述烟雾浓度值是否超出烟雾浓度阈值，得到第二判断结果；
若所述第二判断结果表示为所述烟雾浓度值超出烟雾浓度阈值，发出警报；
若所述第二判断结果表示为所述烟雾浓度值未超出烟雾浓度阈值，获取每个宿舍的用电电能；
根据所述用电电能计算每个宿舍的用电功率；
判断所述用电功率是否超出功率安全值，得到第三判断结果；
若所述第三判断结果表示为所述用电功率超出功率安全值，对超出功率安全值的相应宿舍断电并将宿舍信息发送至客户端；所述客户端包括上位机以及宿舍管理中心工作人员的手机。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开了一种学生宿舍安全监控系统，将安全监控系统安装于每个宿舍内，可以实时对用电状况实时测量并显示，同时系统兼有火灾检测及报警功能，系统还实时显示室内的温度、烟雾浓度以及时间信息，该安全监控系统具有多个监控模块，因此，可以全方面的监控每个宿舍安全，提高监控结果的准确性；同时，本发明还公开了一种学生宿舍安全监控方法，对使用违章电器进行监控，当超过规定的功率上限时断电处理，同时使用违章电器的宿舍信息上报给管理人员，使管理人员可以第一时间去现场进行处理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的学生宿舍安全监控系统结构图
图2为本发明实施例所提供的功率/电能测量电路的电路图；
图3为本发明实施例所提供的温度测量电路的电路图；
图4为本发明实施例所提供的继电器输出电路的电路图；
图5为本发明实施例所提供的电压测量电路的电路图；
图6为本发明实施例所提供的报警电路的电路图；
图7为本发明实施例所提供的存储电路的电路图；
图8为本发明实施例所提供的学生宿舍安全监控方法流程图；
图9为本发明实施例所提供的结合所述学生宿舍安全监控系统的整体软件方法流程图；
图10为本发明实施例所提供的学生宿舍安全系统内部结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种学生宿舍安全监控系统及方法，对每个宿舍的安全隐患实时监控，从多方面对宿舍安全进行监控，提高监控结果的准确性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例所提供的学生宿舍安全监控系统结构图，如图1所示，一种学生宿舍安全监控系统，包括：单片机1、功率/电能测量电路2、温度测量电路3、烟雾检测电路4、时钟电路5、电压测量电路6、显示电路7、报警电路8、全球移动通信系统(globalsystemformobilecommunication，gsm)模块9、继电器输出电路10、存储电路11以及上位机12；所述功率/电能测量电路2、所述温度测量电路3、所述烟雾检测电路4、所述时钟电路5、所述电压测量电路6、所述显示电路7、所述报警电路8、所述gsm模块9、所述继电器输出电路10、所述存储电路11以及所述上位机12分别与所述单片机1连接；所述学生宿舍安全监控系统安装在每个宿舍内，用于监测每个宿舍内的宿舍安全。
本发明采用型号为at89c52的单片机作为控制器，采用adi公司型号为ade7755的电能计量专用芯片对宿舍用电计量和测量功率；电压测量电路6通过电压互感器将电压信号变为电流信号，再将电流信号变为电压信号；再将电压信号发送到型号为adc0832的转换器进行数据转换，并测量电压峰值，最后通过单片机1内部运算计算出有效电压。
本发明通过型号为ds18b20的温度传感器对宿舍内的温度进行测量；利用型号为qm-2的烟雾传感器对宿舍内烟雾进行检测。
将测量出的电能、功率、电压、温度、时钟通过型号为lcd1602的液晶显示屏进行显示。
当宿舍发生火灾警情或使用大功率违章电器时，发出报警并把信息传到上位机12和通过gsm模块9将信息以手机短信的形式发送到宿舍管理中心。
在实际应用中，如图2所示，所述功率/电能测量电路具体包括：电阻、电容、计量芯片、稳压管、压敏电阻、第一三端稳压集成电路、光电耦合器以及晶体振荡器；所述电阻包括i个电阻，0＜i≤26；所述电容包括j个电容，0＜j≤16；第一电阻至第十二电阻串联，得到电阻串联串；所述电阻串联串与第十二电容至第十四电容以及第十三电阻至第十四电阻并联，得到并联串；所述并联串与所述计量芯片相连接；第二十一电阻分别与第十一电容以及所述计量芯片连接；第二十二电阻分别与第十二电容以及所述计量芯片连接；所述锰铜电阻并联在所述第二十一电阻和所述第二十二电阻之间；所述稳压管与所述压敏电阻并联；第一电容、第二十三电阻以及所述稳压管串联在一起；所述稳压管、第二电容至第五电容、所述第一三端稳压集成电路、第十五电容以及第十六电容并联在一起；所述稳压管和所述第二电容之间设有第一二极管；第四电容和第五电容之间设有第二十四电阻；所述计量芯片与光电耦合器相连接；所述光电耦合器与第二十六电阻相连接；所述光电耦合器还与发光二极管相连接；所述发光二极管与第二十五电阻相连接；所述计量芯片分别与所述晶体振荡器以及第九电容相连接；所述第九电容和第十电容串联。
在实际应用中，如图3所示，所述温度测量电路具体包括：温度传感器以及第三十四电阻；所述温度传感器与所述第三十四电阻并联。
在实际应用中，如图4所示，所述继电器输出电路10具体包括：两个继电器输出模块；所述继电器输出模块包括二极管、三极管以及电阻；所述三极管的发射极与所述二极管相连接；所述三极管的集电极接地；所述三极管的基极与所述电阻相连接。
在实际应用中，如图5所示，所述电压测量电路6具体包括：双线圈、整流桥、转换器、第二三端稳压集成电路以及第十七电容至第二十电容；所述双线圈与所述整流桥相连接；所述第二三端稳压集成电路与并联的第十七电容以及第十八电容相连接；所述第二三端稳压集成电路还与并联的第十九电容以及第二十电容相连接。
在实际应用中，如图6所示，所述报警电路8具体包括：三极管、蜂鸣器以及电阻；所述三极管的发射极与电源相连接；所述三极管的集电极与所述蜂鸣器相连接；所述三极管的基极与所述电阻相连接。
在实际应用中，如图7所示，所述存储电路11具体包括：存储器件、第三十一电阻以及第三十二电阻；所述第三十一电阻与所述第三十二电阻分别与所述存储器件的不同接口相连接。
本发明采用型号为at89c52的单片机作为控制器；采用ade7755电能专用测量芯片对电能和功率进行测量，测量得到的电能在断电前存储在型号为24c02的存储器件中，通电以后单片机读取上次存储的电能。
多功能电能可根据ade7755芯片输出脉冲个数计量电能，根据两脉冲的时间间隔即可计算负载所消耗的功率；当宿舍电器功率超过安全值时，单片机控制继电器实现宿舍断电功能，能有效限制大功率用电器的使用。当宿舍使用违章电器时，进行断电处理，3分钟后接通电源，把相关信息通过gsm模块9以短信的方式发送到宿舍管理中心工作人员手机中，同时把信息发送给上位机12，使管理人员第一时间赶去处理。
多功能电能表收到宿管理中心通过上位机12发送的抄表信息后，通过gsm模块9将电能以手机短信的形式发送到宿舍电能管理中心，实现无线抄表功能。
本发明通过ds18b20温度传感器对宿舍温度进行测量，方便同学了解宿舍内温度；采用qm-2烟雾传感器检测宿舍内烟雾，用于宿舍火灾检测，一旦有火灾发生时，周边环境温度相应的升高，空气中充满一定浓度的烟雾。当温度超过安全值或烟雾传感器检测到烟雾时有火灾发生，蜂鸣器发出声音报警，并将报警信息通过gsm模块9以短信的方式发送到宿舍管理中心工作人员手机中，同时把信息发送给上位机12。
本发明还通过交流电压互感器对电网电压进行采样、滤波，通过adc0832实现电压的测量；采用lcd1602液晶显示屏显示电能、功率、温度、电压、时钟等。
图8为本发明实施例所提供的学生宿舍安全监控方法流程图，如图8所示，一种学生宿舍安全监控方法，包括：
步骤801：获取每个宿舍的当前温度值；
步骤802：判断所述当前温度值是否超出温度阈值，若是，执行步骤803，若否，执行步骤804；
步骤803：发出警报；
步骤804：获取每个宿舍的烟雾浓度值；
步骤805：判断所述烟雾浓度值是否超出烟雾浓度阈值，若是，执行步骤806，若否，执行步骤807；
步骤806：发出警报；
步骤807：获取每个宿舍的用电电能；
步骤808：根据所述用电电能计算每个宿舍的用电功率；
步骤809：判断所述用电功率是否超出功率安全值，若是，执行步骤810，若否，返回步骤801；
步骤810：对超出功率安全值的相应宿舍断电并将宿舍信息发送至客户端；所述客户端包括上位机以及宿舍管理中心工作人员的手机；当学生上课期间，有人进入宿舍，或有火灾发生时，发出声音报警，还可以将警情传到每个学生手机中。
图9为本发明实施例所提供的结合所述学生宿舍安全监控系统的整体软件方法流程图，如图9所示，为了满足宿舍安全的需要，急需改变现有的用电管理方法，本发明采用限制功率方法限制宿舍大功率电器使用，兼具有电能计量、无线抄表、电压和温度测量等功能，同时增加了时钟显示，火灾报警等辅助功能；本发明具体实现如下功能：
(1)实现电能和功率的测量，误差±1％；
(2)实现通过gsm无线抄表；
(3)实现温度测量，误差±1℃；
(4)实现烟雾检测功能；
(5)实现火灾声音报警；
(6)实现通过gsm发送火灾报警信息；
(7)实现电压的测量；
(8)实现液晶显示屏显示电能、功率、温度、电压、时间日期等；
(9)实现上位机监控。
本发明所提供的宿舍安全监控系统一共分为两层：pc上位机监控web界面和下位机监控单元电路模块。系统结构设计方案如图10所示。
上位机系统界面采用成熟的springmvc3+hibernate3进行开发，数据库采用了高性能、稳定的oracle11g数据库。在权限控制中采用的是springsecurity设计。项目全程采用注解方式实现，避免了传统的配置文件的繁琐配置。项目更加便于管理和运行。设计的下位机通过wi-fi通讯技术将数据传输到中心服务器，上位机通过程序控制读取服务器端口的数据信息，完成远程pc机的实时监测，能够实时观测到每个宿舍相关信息。
下位机各个监控单元构成监控节点，每个单元独立运行，并通过wi-fi模式经数据传输到上层服务器，每个节点自由安放在宿舍内的每个位置，由上位机统一监控。
下位机由主控制单元、火灾监测模块、用电监测模块、防盗监测模块、时钟电路模块、液晶显示模块、报警模块、控电模块、存储电路模块组成。
(1)主控制单元主要功能是将各个监测模块传输过来的大量信息进行统一整理及处理，并将处理好的信号信息，通过搭载在主控芯片上的wi-fi通信模块传输到远程pc机上进行显示。由于宿舍环境较为复杂，存在强烈的干扰信号，因此需要选择功能强大、运行速率快、抗干扰性强、价格低廉、体积小的主控芯片，本系统选择stc89c52单片机。
(2)火灾监测模块包括温度监测模块和烟雾监测模块，主要负责采集宿舍内的温度和烟雾浓度。温度传感器选择ds18b20，烟雾传感器选择qm-2。
(3)用电监测模块由电能/功率监测电路、电压监测电路和电流监测电路组成。
电能采集和功率测量主要是对ade7755采集的模拟信号转化成频率信号。ade7755通过计算通道1和通道2两个输入电压v1、v2乘积，经lpf(低通滤波)消除高频杂波干扰后，送入数字脉冲转换器。
电压测量采用南京泽明电子公司的zmpt101微型精密电压互感器降压测量。zmpt101是一款毫安级精密电压互感器，输入额定电流为2ma，额定输出电流为2ma，变化为1000：1000，线性度为0.1％。使用时需要将输出电流信号转换成电压信号。来自电网的电压通过50k水泥电阻限流，输入到南京泽明电子公司的微型精密电压互感器输入端。
(4)控电模块通过控制继电器来实现，当宿舍用电功率过大时，通过单片机发出断电信号，继电器由闭合状态变成断开状态，切断宿舍电源。三分钟后恢复供电，能有效限制宿舍大功率电器的使用。当宿舍出现火灾时，单片机发出断电信号，当宿舍恢复正常后恢复供电。
(5)采用ds1302时钟芯片实现时钟，ds1302是一种高性能、低功耗、带ram的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周、时、分、秒计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5v～5.5v。
(6)采用lcd1602字符液晶显示器，能够同时显示16×02即32个字符。1602液晶驱动简单，性价比相对较高，接口电路简单，可以和单片机直接相连。
采用本发明所提供的学生宿舍安全监控方法及系统能够达到以下效果：
(1)功耗低
安全监控单元的硬件电路中所采用的均为性能高、能耗低、成本低的元器件，能够有效的降低监控单元的能耗和成本。能够实现监控单元模块的长时间工作，实现节约能源，体现环境绿色的设计理念。
(2)监控精度高
本系统主要功能是监测宿舍内的电能、电压、温度、烟雾浓度等参数，并要实现高精度的检测，数据的精准程度直接关系到其他子系统的相关工作状态，同时也能为学生提供一个更加放心、安全的居住环境。由于系统采用的都是高精密传感器，能够实现参数高精度监测：电能测量误差<±1％；电压测量误差<±2％；温度测量精度小于±0.5℃；烟雾浓度测量精度达到0.1％。
(3)体积小
每个监控单元都作为一个监测节点，设计小巧、简单科学、美观实用，wi-fi传输模块与pcb板结合实现监测功能，可以极大的节省室内的空间。
(4)成本低
由于目前市场上没有一款产品包括了火灾报警装置、电能监测装置、时钟装置，即可以实现火灾报警、电能监测和断电、时钟能功能。市面上这些功能由不同厂家生产，每个产品都由各自的智能芯片控制，如果全部购买这三个产品，造成了成本的升高。本系统采用一个智能芯片来实现这多方面的功能，成本会大大降低。
(5)功能齐全
现阶段市面上还没有一款集火灾预警、电能监控和时钟显示功能于一体的产品。本系统可以实现的功能：实现电能和功率的测量；实现大功率断电；实现判断用电设备类别；实现电压测量；实现火灾预警；实现液晶显示屏显示电能、功率、温度、电压、烟雾浓度、时间日期等；实现上位机监控。
(6)可靠性高
由于该系统的功能是实现宿舍相关参数的实时监测，并实时传输到远程pc机中进行显示，所以每个单元节点与上位机之间的通讯非常频繁。因此需要在信号传输过程中提高信号传输的可靠性。随着4g技术的发展，wlan技术也在备受人们的关注，wi-fi技术也逐渐成为大家关注的焦点。选用wi-f传输技术作为数据传输的无线通信技术，该技术传输距离远，覆盖面广；因无需布线，成本低廉；wi-fi发射功率小，安全性强。
(7)容错性好
系统中的每个终端节点能保证独立工作，即使其中某个节点的硬件监测模块发生故障，也不会影响到其他单元和整体系统的运行。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。