摘" 要：近年来，校园宿舍安全事件频繁发生，严重威胁大学生的人身安全。基于此，文章应用STM32单片机作为主控设备，采用Keil µVision 5.0和机智云平台进行开发，设计一款可以实时监控宿舍内环境信息的智能宿舍系统。此系统包含多个环境监测模块，如温湿度模块、光敏模块、空气质量检测模块等，当检测到的有害气体浓度高于设定的阈值时，会自动触发报警模块进行报警。系统通过Wi-Fi模块与手机建立通信，用户可通过APP实时查看相关参数，同时系统配有多个执行机构，可以对电灯、窗帘进行远程控制。通过实验验证表明系统预设功能运行稳定，具有一定的实用价值。
关键词：智能宿舍；环境检测；STM32单片机；Wi-Fi模块
中图分类号：TP368.1；TP311" 文献标识码：A" 文章编号：2096-4706（2024）21-0169-07
Design of Intelligent Dormitory System Based on STM32 and Gizwits Platform
YE Hongna1， ZHAO Xingna1， FANG Jianchang2
（1.Shandong Huayu University of Technology， Dezhou" 253034， China;
2.Shouguang Xinsheng State-owned Assets Operation Management Co.， Ltd.， Weifang" 262724， China）
Abstract： In recent years， campus dormitory security incidents have occurred frequently， which seriously threaten the personal safety of college students. Based on this， this paper applies STM32 single-chip microcomputer as the master device， uses Keil µVision 5.0 and Gizwits platform for development， and designs an intelligent dormitory system which could monitor the dormitory environmental information in real time. This system contains multiple environmental monitoring modules， such as temperature and humidity module， light sensor module， air quality detection module， and so on. When the detected harmful gas concentration is higher than the set threshold， it will automatically trigger the alarm module to alarm. This system establishes communication with the mobile phone through the Wi-Fi module， and users can view the relevant parameters in real time through the APP. At the same time， the system is equipped with multiple actuators for remote control of electric lamps and curtains. Experimental verification shows that the preset function of the system runs stably and has a certain practical value.
Keywords： intelligent dormitory; environmental detection; STM32 Single-chip Microcomputer; Wi-Fi module
0" 引" 言
近年来，校园宿舍安全事件不断发生，严重威胁着当代大学生的人身安全，同时，宿舍是学生长期生活和居住的地方，宿舍的便捷和舒适度直接影响了大学生的生活质量和学习效率。而且宿舍的管理依靠人工，存在成本高、工作强度大的问题，从而导致管理效率降低。因此需要积极引入高效智能化的技术，实现对校园宿舍内的设备进行智能化控制，从而提高校园宿舍居住环境的安全性、便利性、舒适性。
随着物联网、大数据的发展，一些学者也对高校宿舍智能化控制进行了研究，例如马刚等[1]设计并实现基于告警自动触发的高校智能客服系统，将其与宿舍管理系统和房屋管理系统进行数据互通，实现工单内容自动填写的功能；张凯蒙等[2]对高校宿舍智能锁的控制进行了研究；李梦园等[3]利用所提出的改进遗传算法实现了宿舍智能分配；李涛等[4]提出了一种融合NB-IoT远距离无线网络远程管理与用户移动终端蓝牙近距离高可靠性无线网络学生公寓智能门锁管理系统结构。因此，为了增强高校学生宿舍的舒适度、温馨度和智能化程度，实现更好的人机交互，通过机智云平台，本文设计了一款基于STM32的智能宿舍控制系统，提升学生的舒适度和幸福感，更好的预防校园安全的问题的发生，并且可以减少人力成本。
1" 总体设计方案
系统采用STM32单片机进行总体控制，由温湿度模块、光敏模块、MQ系列检测模块、显示模块、报警模块、步进电机模块、按键模块、Wi-Fi模块等组成。其中，通过温湿度、光敏传感器获取环境中温湿度与光线强度的数据，通过MQ系列模块对环境中各种危害气体含量进行检测，并增加检测种类，提高室内环境安全性。经主控芯片的分析、处理后，将所有数据采集并传递到手机APP上，用户可以实时了解宿舍内环境状况，并且可以在手机APP上下达操作指令，例如开启或关闭灯光、窗帘等，这些指令会被Wi-Fi模块传回单片机进行识别和执行，从而实现人际交互。系统总体架构如图1所示。
2" 硬件电路设计
单片机作为主控芯片，通过对温湿度模块、光敏模块、烟感模块、MQ系列检测模块（包括烟雾检测模块、一氧化碳检测模块、空气质量检测模块）采集得到的数据进行处理分析，然后通过ESP8266 Wi-Fi模块传输到手机APP上进行数据显示，可以有效地保障宿舍的环境安全。智能宿舍控制系统总体电路如图2所示。
2.1" 主控芯片
主控芯片是系统的控制核心。本系统采用STM32F103C8T6单片机作为主控芯片，其主要用于控制任务的数据分析、处理和执行，同时，在任务分配与协调方面发挥重要作用[5]。鉴于STM32F103系列微控制器相较于51等单片机具有高集成度、可靠性好、低功耗等特点，所以选择STM32单片机进行总体控制，系统总体由单片机、晶振、复位和电源等电路组成。与设计电路协同工作，将传感器收集的信息转化为自动识别和处理的信号，实现居住环境监控、集中显示和控制功能。
2.2" 数据采集模块
数据采集是本设计的“中坚力量”，包括温湿度采集模块、光敏模块、MQ系列空气质量检测模块等实现对宿舍当前环境的实时数据收集，为外围控制设备提供准确的数据支撑。
2.2.1" 温湿度数据采集
系统采用的是DHT11温湿度模块。DHT11是一款具有A/D转换功能的传感器，可以同时检测周围环境的两个物理量：温度和湿度，并将检测的数据以数字信号的形式输出。将DHT11模块的DO引脚连接到单片机的PA8引脚进行数据通信，获得的温湿度值可以作为监测居住环境的评估依据[6]。利用光敏电阻在特定波长光的照射下，其阻值迅速减小，将光信号转换为电信号。将系统中输出端子直接连接到单片机的PA7端口。通过检测光敏传感器模块的输出端子的高低电平，单片机可以判断环境的光强；此模块一般包含1个传感器元件和1个集成电路，具有高精度和稳定性的特点，而且成本低廉，温湿度测量范围完全能够满足日常生活的需要[7]。DHT11模块引脚图如图3所示。
2.2.2" 光照数据采集
系统采用光敏传感器模块来检测光强度。输出端子直接连接PA7端口。在实际的运行过程中可检测光敏电阻的输出端电平，单片机可以判断环境的光强。当满足控制单元的窗帘交换开关的初始条件时，交换单元可以直接运行工作，通过电路控制步进电机自动打开窗帘。光敏电阻引脚图如图4所示。
2.2.3" MQ系列数据采集
系统采用MQ模块采集宿舍内的环境数据，MQ系列模块具有高灵敏度、稳定性和快速响应等优点[8]，本设计通过多个传感器对宿舍内环境做到全面、精准的采集。具体介绍如下：
1）MQ2模块对检测丙烷和氢气的敏感度高，同时也适用于检测天然气和其他可燃气体。模块的4（AOUT）引脚和PA4引脚保持连接。在工作过程中检测到烟雾浓度大于设定的阈值时，输出低电平信号。单片机接收到该信号后，系统会发出报警声，并在OLED显示屏和手机APP上显示检测的数据，通过单片机读取模数转换芯片输出的数字信号，并且进行转换和处理。MQ2模块引脚图如图5所示。
2）采用MQ7模块检测一氧化碳浓度，MQ7的引脚4（AOUT）连接至单片机PA5引脚，通过单片机读取模数转换芯片输出的数字信号，经过处理后，单片机分别在显示屏上显示和通过无线通信功能将数据发送到用户界面。如果检测到危险情况，警报将发出并进行相应的警示，实现报警功能。MQ7模块引脚图如图6所示。
3）MQ135模块检测空气质量，例如空气中的氨、甲醛、苯、二氧化碳，MQ135模块有AO和DO输出模式，本系统采用AO输出模式，模块的引脚4（AOUT）连接至单片机PA6引脚。当宿舍内二氧化碳等气体浓度超过设定的阈值时，其输出低电平，然后在指令作用下驱动蜂鸣器报警，并在OLED和手机APP上显示检测的数据。MQ135模块如图7所示。
2.3" 系统执行模块
执行模块是本设计的行为反馈，包括OLED显示模块、步进电机驱动模块、蜂鸣器等。采集得到的数据反馈给单片机，做出相应的指示。具体介绍如下：
1）OLED显示模块采用4针I2C串行通信方式；为满足窗帘、窗户自动控制相关要求，选择步进电机驱动模块ULN2003进行控制[9]，通过改变I/O口的输出PWM来控制电机的旋转方向，包括电机的开始、停止和转速。窗帘开关模拟控制模块引脚图如图8所示。
2）报警电路使用一支S9013 NPN型三极管作为开关，将其基极连接到STM32单片机的PA12接口，通过控制PA12输出高低电平来实现报警功能。当传感器模块的输入信号达到设定阈值，系统将触发报警功能，并控制蜂鸣器自动发出警报提示。报警电路图如图9所示。
3）按键电路需要4个键作为输入模式来设置系统参数。K1的功能为切换到设置参数页面；K2的功能为返回键；K3的功能为设置参数增加键；K4的功能为设置参数减小键。当按键按下时，PB口的相应输出电平发生变化，即按下按钮时为低电平；反之，处于高电平。单片机通过检测按键对应的PB引脚电平的变化来实现按键功能。按键电路图如图10所示。
3" 软件程序设计
3.1" 程序开发环境
C语言是通用的高级编程语言，被广泛应用于系统编程、嵌入式设备等领域。它具有简洁、高效的特点，可适用于多种平台和操作系统。使用C语言进行软件功能开发是单片机最常见的方法。Keil5 MDK版是一种集成开发环境，用于嵌入式软件开发，提供了一个全面的工具链，能够帮助程序员高效地编写、测试和调试嵌入式应用程序。Keil5 MDK版支持多种处理器架构和芯片型号，包括ARM、Cortex-M等。与此同时，提供了许多实用的功能，如代码优化、版本控制、性能分析等，开发界面如图11所示。
3.2" 主程序设计流程
系统在设计过程中选择STM32F103C8T6单片机作为主控制器，实现四大功能：温湿度、烟雾、一氧化碳等模块检测数据功能；处理0.96英寸OLED显示屏的数据功能；控制报警功能和窗帘、电灯的开与关；手机APP的远程监测与控制。控制系统启动后，将进入一个连续的执行循环过程。手动模式下较为简单，不再赘述。远程控制模式下，主程序流程图如图12所示。
3.3" 机智云平台设计与实现
机智云平台是机智云提供的一系列云计算产品和服务的集合，例如云服务器、云数据库、云存储等[10]。为了降低自主的搭建服务器难度和节省开发成本，本设计选择通过家用Wi-Fi网络接入机智云平台的服务器。机智云平台提供了连接管理、应用程序开发、第三方连接和智能决策等功能，以此来满足用户的需求。云平台数据点创建如图13所示。
4" 系统测试
4.1" 温湿度功能测试
在测试环境温度检测功能时，采用电吹风加热的方法来改变周围环境温度。当吹风机未加热时，OLED屏显示26 ℃。当吹风机加热后，此时OLED上显示的温度数据将逐渐升高至57 ℃；停止加热后，OLED上显示的温度数值下降，并恢复到正常室温。环境温度测试结果如图14所示。在测试环境湿度监测功能时，采用加湿器加湿的方法来改变周围环境湿度。当加湿器未加湿时，OLED屏显示湿度为35%；当加湿器加湿后，OLED显示的湿度数据将逐渐增加到69%；停止加湿后，OLED显示的湿度数值下降，并恢复到正常环境湿度值。
4.2" 报警功能测试
为了测试报警功能，将系统的烟雾浓度、一氧化碳浓度、空气质量的阈值人为设置为100×10-6、26×10-6、500AQI，并使用打火机释放丁烷来改变空气中有害气体的含量。如果传感器检测到环境中的气体浓度低于人为设置的阈值，蜂鸣器将不会发出警报；反之，如果任意一个传感器检测到的信息等于或者超出了设定值，蜂鸣器进行报警提示，且发送信息到应用终端。因此报警功能测试符合要求。报警功能测试界面如图15所示。
具体测试数据如表1所示。
4.3" 窗帘自动控制功能测试
系统利用光敏电阻和步进电机，自动控制窗帘的开合。使用黑盒子来改变周围环境的光线强度，进行窗帘控制功能的测试，结果表明系统能够控制步进电机动作，以此来完成窗帘的开合和LED的亮灭。因此窗帘的自动控制功能测试通过。窗帘控制功能测试如图16所示。
4.4" 远程控制功能测试
本系统与手机APP进行连接，连接成功后，在对应的应用程序界面中可观察到温度、湿度、光强、空气质量的数据，即远程监控功能正常，如图17（a）所示。将OLED的设置界面中的Working md的参数改为“1”，即可启动远程自动控制模式，若将Working md参数设置为“0”，即可启动手动控制模式，如图17（b）所示。
在远程遥控模式下，若将LED灯和窗帘电机的开关切换到“开”位，窗帘控制开关模块会启动电机并点亮LED灯；若将开关切换到“关”位，则窗帘控制开关模块会关闭电机，同时LED灯熄灭。远程控制LED灯和窗帘的开关功能测试通过。测试结果如图18所示。
5" 结" 论
以STM32单片机为主控芯片，结合传感器技术、无线通信技术、机智云平台，设计出一款智能宿舍控制系统，成功实现了对宿舍内温湿度、环境质量的实时监测和设备智能化控制，同时可以通过手机端进行人机交互。通过实验测试得知，本系统表现效果良好，可切实保障高校学生宿舍安全。
参考文献：
[1] 马刚，尤杨，张闯，等.告警自动触发的高校智能客服系统设计和实现 [J].福州大学学报：自然科学版，2023，51（5）：621-626.
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作者简介：叶洪娜（1994—），女，汉族，山东德州人，助教，硕士，研究方向：信号与信息处理、数据压缩、人工智能；赵兴娜（1983—），女，汉族，山东德州人，副教授，硕士，研究方向：电子与通信技术、智能控制；方建昌（2000—），男，汉族，山东潍坊人，本科，技术员，研究方向：电子信息工程。
基金项目：德州市大数据与智能感知技术工程研究中心
