摘" 要：近些年来，我国就业压力剧增，考公考研人数越来越多，人们对于自我学习能力的需求不断扩大，共享自习室便成为“备考族”的首选。目前，市场上很多自习室在运营上依然采用传统人力管理的形式，这种运营模式耗费人力、营收较低、用户体验感较差。针对以上问题，文中设计了基于STM32的共享自习室控制系统。该系统以STM32为核心控制器，利用监测到的实时环境数据控制系统执行模块发出相应的动作，并利用Wi-Fi模块将所获取的数据上传至云平台，实现室内环境的远程监测控制和报警提示。与此同时，用户还可通过手机APP对座位进行查看和预约支付，完成自习室门锁与灯光的开启。系统操作简单，方便快捷。
关键词：共享自习室；STM32单片机；Wi-Fi模块；OneNET云平台
中图分类号：TP273" " 文献标识码：A" 文章编号：2096-4706（2024）09-0039-04
Design of Shared Self-study Room Control System Based on STM32
HE Liu， ZHANG Min
（School of Information Engineering， Shaanxi Xueqian Normal University， Xian" 710100， China）
Abstract： In recent years， the employment pressure in China has increased sharply， and the number of people taking the public and postgraduate entrance exams is increasing. Peoples demand for self-learning ability is constantly increasing. As a result， shared self-study rooms have become the preferred choice for“exam preparers”. At present， many shared self-study rooms in the market operate in the form of traditional human resource management， which consumes manpower， has low revenue，and has a poor user experience. In response to the above issues， a shared self-study room control system based on STM32 is designed in the paper. The system uses STM32 as the core controller， utilizes monitored real-time environmental data to control the system execution module to take corresponding actions， and uses Wi-Fi module to upload the obtained data to a cloud platform， achieving remote monitoring， control， and alarm prompts for indoor environment. At the same time， users can also view and make appointment and payment for seats through the mobile APP， and complete the opening of the shared self-study room door lock and lights. The system operation is simple， convenient and fast.
Keywords： shared self-study room; STM32 Single-Chip Microcomputer; Wi-Fi module; OneNET cloud platform
0" 引" 言
近年来，传统产业的下滑和新兴产业的发展不平衡导致许多企业发展困难，就业岗位供给严重不足，人们的就业压力显著提高，自我学习能力提升的需求不断增加，有越来越多的人选择考公考研，公共图书馆已远远不能满足公众对学习空间的需求，再加上大部分年轻人更加看重个人空间[1]，“共享自习室”的产生正好可以将公共区域与私人空间进行有效的资源整合，形成“共享空间”。这样不仅能缓解公共资源短缺的压力，还能为急于寻求私密化学习空间的“备考族”提供一个安静舒适、功能完善的个性化学习场所[2]。然而，当前市场上大多数自习室盈利模式较为单一，人工管理成本高，同质化严重，过分依赖会员制办卡模式，无法产生核心竞争力，顾客受众面较小，客源较为固定，难以发展新顾客。
针对以上问题，本文设计一款基于STM32的共享自习室控制系统。一方面，用户可通过手机APP在到达自习室前查看座位的空闲情况，完成预约支付；在到达自习室后，进行门锁和灯光的开启控制。另一方面，管理人员可利用ONE NET云平台远程查看和实时监测系统中的环境信息，获取危险报警提示，及时提醒用户逃生，保证用户的生命财产安全。
1" 系统总体设计
基于STM32的共享自习室控制系统由下位机硬件部分和上位机软件部分组成，其总体设计框图如图1所示。
硬件部分包含电源模块、数据采集模块、数据执行模块和无线通信模块。电源模块为整个系统提供电源，使各个模块正常工作。数据采集模块通过温湿度传感器、光照传感器、烟雾传感器进行自习室温湿度、光照、烟雾浓度等信息的实时采集；数据执行模块包含报警模块、灯光模块、电子锁模块，其中报警模块主要是在室内烟雾浓度过高时发出警报，提醒用户快速逃离；灯光模块实现室内灯光的自动调节；电子锁模块负责自习室门禁的开启控制。无线通信模块使用ESP8266 Wi-Fi实现系统硬件部分和软件部分的通信功能，可将硬件部分采集到的环境信息上传至远程上位机。
软件部分包含ONE NET云平台和手机APP。ONE NET云平台主要提供给管理人员使用，管理人员可通过该平台远程查看自习室的环境信息，进行相应的灯光调节；手机APP主要提供给用户使用，用户可通过手机APP查看和预约座位，并在到达自习室时控制自习室门锁和灯光的开启。
2" 硬件设计与实现
2.1" 控制芯片
系统采用STM32F103C8T6单片机作为核心控制器，该控制器属于ST公司微控制器中的STM32系列，选用Cortex-M3内核，硬件采用LQFP48封装。该型号有7通道DMA控制器，支持SPI、I2C、ADC和USAPT等多个外设。拥有丰富的存储器，分别为64或128千字节的闪存储存器和高达20千字节的SRAM。除此之外，还有2个12位模数转换器，多达80个快速I/O端口和9个通信接口，为接入多个外设提供充足的条件。
2.2" 数据采集模块
温湿度传感器主要用于采集自习室的温湿度信息。本设计采用广州奥松有限公司生产的DHT11温湿度传感器，该传感器是温湿度一体化、由单个数据引脚端口完成输入输出双向传输的单总线数字传感器，包括一个电阻式测湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能的8位单片机相连。通过单片机等微处理器简单的电路连接就能够实时采集本地湿度和温度[3]。传感器内部湿度和温度40 bit的数据一次性传给单片机，在校验数据时采用校验和的方式进行，可以充分保证数据传输的准确性[4]。DHT11在5 V电源电压下工作，功耗低，最大平均工作电流为0.5 mA。在本系统中，该传感器的电源端与STM32的3.3 V电源直接连接，数据端连接STM32的PB12，GND接地。
光照传感器用来采集自习室的光照强度数据，以便用户手动或自动调节灯光强度。本设计采用数字式光照传感器模块GY-30作为光照强度传感器。GY-30模块是一款由双向数据线SDA和时钟线SCL组成的16 bit串行通信数字型传感器[5]。模块以BH1750数字型光强感应芯片为核心，包含一些外围驱动电路。BH1750是数字型光强度传感器集成电路，内部由光敏二极管、运算放大器、ADC采集、晶振等组成。其工作原理是通过光生伏特效应将PD二极管的光信号转变为电信号，经由放大电路放大，再通过逻辑电路将ADC采集的电压数据转换成16位二进制数字存储在内部的寄存器中[6]。此过程不仅省去了复杂的计算，还区分环境光源，且其光谱灵敏度接近视觉灵敏度。光照传感器中VCC与STM32的3.3 V电源连接，SCL引脚和SDA引脚分别与STM32的PB10、PB9引脚连接，GND接地。
烟雾传感器用来获取自习室的烟雾浓度。本设计使用了MQ2烟雾传感器，该传感器基于氧化还原反应原理，当传感器表面氧化物与有害气体接触发生反应时会导致传感器电阻发生变化，传感器与电路配合检测出空气中存在的有害气体。该传感器的核心部分为氧化物半导体陶瓷管电阻，当吸入空气中的烟雾、燃气等有害气体时电阻会发生变化，电阻值越小表示空气中的有害气体浓度越高[7]。采用SMD贴片工艺可通过检测空气的方式来检测可燃气体、烟雾及二氧化碳等易燃气体，使用范围广。在本系统中，该传感器的数据端AO连接STM32的PB6。
2.3" 数据执行模块
当烟雾传感器检测到烟雾浓度超过5%时，报警模块进行蜂鸣器预警，提示用户紧急逃离。本设计采用无源蜂鸣器，基于音圈接入交变电流后形成的电磁铁与永磁铁相吸或相斥的原理来推动振膜发声。蜂鸣器与STM32的PA2引脚连接。
当自习室内有人，且光照传感器检测到光照强度低于29%时，灯光模块开始工作，以为用户提供一个光线充足的学习环境。本设计的灯光模块采用LED灯来实现，价格低廉，可满足本系统的照明需求。灯光模块的I/0口与STM32的PA3引脚连接。
用户扫码支付成功后，电子锁模块打开，待用户进入自习室后电子锁自动关闭。本设计的电子锁模块采用X07C电磁锁（基于电生磁的工作原理），相比于传统的锁具，采用该电磁锁的电子锁具有更高的安全性、可靠性和实用性。
2.4" 无线通信模块
本设计选用ESP8266 Wi-Fi模块作为整个系统的无线通信模块。该模块是一款由乐鑫科技推出的集成式无线通信模块，采用了先进的芯片设计和封装技术，集成了强大的处理器和丰富的接口，有超低功耗32位微型MCU，包含16位精简模式，主频支持80 MHz和160 MHz，具有GPIO、PWM、I2C、ADC等功能。支持标准的Wi-Fi通信协议，可与无线网络连接，实现设备之间的数据传输和互联互通。ESP8266 Wi-Fi模块内置了强大的处理器，可以运行复杂的应用程序，实现数据处理、逻辑控制等功能[8]。此外，该模块还支持多种通信接口和传感器接口，可以与其他设备进行数据交互，具有低功耗、高性能和可靠性的特点，在物联网应用中得到了广泛的应用。
ESP8266 Wi-Fi模块在本系统中用来实现硬件部分和软件部分的通信，将在下位机硬件部分采集到的环境数据传输至云平台，再将上位机中云平台或手机APP的控制命令传送到硬件控制器。
3" 软件设计与实现
本系统上位机软件部分主要包含PC端ONE NET云平台的数据显示与安卓手机APP的智能控制。其中ONE NET云平台主要用来实时监测室内的光照、温湿度与烟雾值，手机APP的主要功能是查看预约和器件控制（控制门锁和灯光的开关）。
3.1" 云平台程序设计与实现
系统使用ONE NET云平台远程控制传感器数据的显示。本系统的平台搭建需要先在中国移动ONE NET云平台上注册用户，然后创建产品与设备，并在设备内创建所需的数据流，与此同时，记录平台内自己产品的ID、设备ID和密码，再将STM32与ESP8266 Wi-Fi模块进行连接，连接成功后编写ESP8266 Wi-Fi模块子程序与ONE NET云平台建立TCP连接，实现数据传输[9]。图2为搭建出的ONE NET云平台功能界面。
图2" ONE NET云平台显示界面
在ONE NET云平台界面中，可同时监测并显示4个环境数据：光照强度、温度、湿度、烟雾浓度。4个功能模块分别利用各自的开关按钮来控制是否实时显示对应的环境数据，当烟雾值超过所设定阈值的5%时，烟雾浓度指针会闪烁提醒。
3.2" 手机APP控制平台设计与实现
系统上位机中的手机APP是采用C语言设计开发的。该手机APP的功能分为两个部分：查看预约和器件控制。用户在打开手机APP后，默认进入查看预约界面，该界面可实时显示自习室内座位的空闲状态，用户选择预约座位并完成支付[10]。用户到达自习室时，可通过点击“器件控制”进入器件控制界面，进行自习室门锁和灯光的开启控制。手机APP界面如图3所示。
4" 系统测试与分析
系统硬件部分实物搭建完成后，结合上位机软件的ONE NET云平台和安卓手机APP进行整个系统的功能测试，具体的测试用例如表1、表2所示。
综合表1和表2可知：无论在任何状态下，云平台控制、监测显示及烟雾浓度报警皆可响应操作；手机APP查看预约、预约支付、器件控制（灯光和电子锁）均能正常工作，因而整个自习室控制系统的测试结果均符合功能需求。
5" 结" 论
在科技迅速发展的今天，人们急于通过学习来快速提升自己的竞争力，公共图书馆的学习空间已无法满足人们的需求。为此，本文设计了共享自习室控制系统，旨在为人们提供一个安静舒适、智能便捷的学习环境。该系统以STM32单片机为核心控制器，通过光照传感器、温湿度传感器和烟雾传感器采集自习室环境数据，然后通过Wi-Fi将这些数据上传至ONE NET云平台，ONE NET云平台接收显示数据并给出预警提示；电子锁和灯光模块由手机APP中的器件控制功能完成开启和关闭。除此之外，用户通过手机APP还可以进行座位的查看预约，提前在线上预定指定座位并完成费用支付。该系统功能完备，实用易用，对急需提升自我能力的“备考族”来说具有重要意义。
参考文献：
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[10] 范崎昊，穆宇航，崔颖，等.基于Android平台的高校图书馆座位管理APP的设计 [J].电子元器件与信息技术，2021，5（6）：44-46.
作者简介：何柳（1992—），女，汉族，陕西西安人，助教，硕士研究生，研究方向：模式识别与智能控制；张敏（2001—），女，汉族，陕西商洛人，本科在读，研究方向：物联网工程。
