王国正，吴韶波，王 冲，杨霁琦，桑庆威

（北京信息科技大学 信息与通信工程学院，北京 100101）

0 引 言

疫情期间，各高校采取多种措施减少人员聚集，而公共浴室的洗浴人数常常不可控制，导致人员扎堆聚集。为了满足防疫要求，急需合理控制洗浴人数，调配人员的洗浴时间。本文采用物联网技术，基于传感器、单片机等硬件以及HTTP协议栈和WiFi协议等软件平台对浴室温湿度、人员流动和物资使用等情况进行检测和控制，从而实现校园浴室的智能化管理。

1 需求分析

针对大学校园公共浴室的使用需求开展调研和分析，得到智慧浴室管理系统的需求如下：（1）衣柜预约与排队，合理利用衣柜资源；（2）检测环境参数，通过手机端小程序给出合理建议；同时在显示屏显示，调节电机控制参数；（3）设立租售机，解决洗浴用品忘记携带的问题；（4）控制洗浴人流量，实时监测使用衣柜及喷头情况，通过小程序进行反馈。

2 方案设计

智慧浴室管理系统应用物联网技术进行设计，通过RFID、温湿度传感器等信息传感设备，按相关通信协议，将衣柜、喷头等设施与互联网相连接，进行信息交换和通信。其中物联网技术的应用主要分为三大层面：感知层、传输层和应用层。应用HTTP协议进行网络数据的获取与传输，如图1所示。

图1 设计方案示意图

2.1 智慧浴室管理感知层设计

浴室管理系统信息感知主要通过温湿度传感器和RFID技术实现。温度传感器采用DS18B20 防水型数字温度传感器。系统以PC机为上位主机，以单片机为核心的数据采集模块为下位机，单片机与DS18B20 串接和通信，同时与PC机连在一起，构成三位一体的主从分布式控制系统。使用校园一卡通中的RFID进行身份识别与操作记录，RFID用于版块之间的数据交换，串联起一个极其复杂的系统。当有持卡人的状态被记录时，这些状态会被发往网关做进一步处理。

2.2 网络层设计

网络通信主要是采用短距离无线方式，将电磁波作为传输介质。无线组网可避免布线烦恼，防止浴室内部温湿度较高对线圈的损坏，易于日常维护及故障检测。

考虑到浴室不存在供电问题，且WiFi可以轻松接入校园网，方便信息上传网关，智慧浴室管理系统中采用WiFi技术进行组网，基本配备包括WiFi模块及一台AP。

2.3 应用层设计

智能校园浴室管理系统建立了一个统一的标准化平台，实现校园浴室内部各智能设备的互联和信息共享，并通过Internet接口实现远程监控。客户端计算机或控制设备要获取校园浴室设备的实时信息或执行控制必须通过Internet或其他远程协议将请求或控制命令发送到校园浴室网关，由校园浴室网关处理并转发给终端设备。

3 硬件实现

智能校园浴室主要应用STM32单片机作为下位机，同时应用温湿度传感器以及RFID设备。

租售机基本原理如图2所示。使用嵌入式系统为学生提供洗浴用品，租售机使用LCD显示屏幕，按键输入完成商品选用以及支付，下方使用开关设备进行拖鞋的借用；内部设有紫外线杀菌灯，保证洗浴设备的整洁与无菌；侧部设立折叠板凳，上方含有烘干机，通过设计湿度阈值控制开关，保证折叠板凳的正常使用，通过防水舵机控制折叠板凳的开合。

图2 租售机基本原理

租售机服务流程如图3所示。系统通过矩阵键盘来选择货物的种类与数量后自动售货机提示投币。自动售货机的货币识别器对所投货币进行识别，根据金额大小将商品选择权通过LCD液晶屏显示给客户；客户按键选择后，CPU控制芯片发出指令将所选商品从储备料道中送达取物口，同时在租售机后台进行商品数量的更新。

图3 租售机服务流程

4 理论支持

4.1 排队论模型的基本假设

在本文研究的智慧浴室管理系统中，将浴室喷头以及衣柜称为浴位服务设备，要求得到服务的人员称为顾客，两者组成一个随机服务系统（即排队系统）。为简化这一排队系统模型，现对该系统做如下假设：首先，先到先服务，即顾客进入系统后接受服务的顺序是公平合理的；其次，假定每个浴室的服务性能是一样的。

4.2 排队论具体模型的构建

以本校为例，该智慧浴室管理中的排队原理如下：

（1）排队规则：结合我校公共浴室的实际情况，采用排队服务机制。

（2）输入过程：在此排队系统中，顾客的来源和系统的容量都可看作是无限的，同时顾客的到达是随机的，且进入系统的时间间隔相互独立。假设系统中有个浴位可为顾客提供服务，并且各自的服务时间是相互独立的，每个浴位的服务时间服从参数为（平均服务时间）的负指数分布。该系统的客源和容量无限，同时单位时间内进入系统的顾客流和每个浴位的服务时间分别服从参数为和的负指数分布。因此可将该随机服务系统简化为M/M/m模型表示。易知整个系统的服务设备使用强度=/（），并记单个服务设备的使用强度=/。

5 实践结果

5.1 系统框架搭建

通过家居3D DIY和SketchBook设计浴室外观和租售机外观，如图4所示。

图4 浴室整体外观设计

5.2 程序设计

软件部分一方面应用腾讯云服务技术存储用户数据到数据库中；另一方面应用微信小程序技术创建小程序，显示浴室内部的情况，预约衣柜时用户可以在小程序上自主完成相关操作。小程序界面如图5所示。

图5 小程序界面

学生根据程序界面颜色判断浴位状态，绿色代表正常，黄色代表已被使用，红色代表故障，蓝色代表已被预约。如果浴室的浴位已被预约完，可以点击底部的“快速预约”进行排队，可查看正在排队的人数；通过腾讯云数据库分析出预计等待的时间，有浴位时会有通知提醒，无须再前往浴室查看排队的情况。通过JS逻辑完成用户预约衣柜的流程，如图6所示。通过服务器调用学生信息，每一位学生预约衣柜时响应后端处理函数，并确认预约。

图6 预约衣柜的后台数据处理

6 结 语

针对疫情期间高校传统公共浴室在管理方式上存在的诸多不足，从硬件和软件层面对现存浴室管理系统进行了改进。通过对智慧浴室管理系统的设计，解决了大学校园中经常出现的洗澡排队以及洗浴用品忘带、洗浴时间冲突等问题。系统采集的数据可以帮助学校后勤管理部门进一步了解学生的需求，如根据洗浴数据推断浴室的清洁度、错开洗浴高峰进行清洁等等。