物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的校園自習室優(yōu)化推薦系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

曹麗娟，鐘浩賢，周楊景

（東莞理工學(xué)院城市學(xué)院，廣東東莞，523419）

0 引言

近年來，大學(xué)生的數(shù)量因為高校的擴招變得越來越多，學(xué)生人數(shù)的增加，使得學(xué)校自習室的座位越來越緊缺，尤其是在期末復(fù)習、考研等考試期間，許多學(xué)生為了尋找自習室奔波于各個樓層，浪費了大量寶貴的學(xué)習時間[1]。此外，學(xué)校的自習室分布較廣，導(dǎo)致自習室的使用不均勻，有些自習室空位緊張，而有些自習室卻只有幾個人，學(xué)生對各個自習室的使用情況不清楚時，會耽誤學(xué)生尋找合適自習室的時間以及降低自習室的有效利用率。另一方面，自習室也存在各種各樣的用電浪費問題，由于自習室過于多，管理人員難以顧及到每一個自習室，經(jīng)常出現(xiàn)有些自習室空無一人，燈或風扇卻仍在工作。針對這些問題，研究設(shè)計一個方便學(xué)生和管理人員使用的自習室優(yōu)化推薦系統(tǒng)具有一定現(xiàn)實意義?？紤]到自習室的優(yōu)化推薦系統(tǒng)的研究，以前也有很多人做，所以，本文先重點說明一下該系統(tǒng)“在傳統(tǒng)的自習室優(yōu)化推薦系統(tǒng)”上的改進方面，具體如下：

（1）自習室優(yōu)化推薦系統(tǒng)的顯示方式的改進與發(fā)展

某些傳統(tǒng)的自習室優(yōu)化推薦系統(tǒng)，如參考文獻[2]中所講，通常把采集到的人流量數(shù)據(jù)，用液晶屏幕的方式進行展示，而屏幕的位置放置在一樓大廳或者是自習室門口，學(xué)生只能通過屏幕來選擇合適的自習室。

顯然，這種方式存在一定的局限性，如果學(xué)生不在一樓大廳或者自習室分布過于廣泛，就無法及時知道自習室的使用情況。本文設(shè)計的系統(tǒng)可通過手機APP來查看自習室的使用情況，只要有無線網(wǎng)絡(luò)，學(xué)生只需查看自己的手機APP上的實時數(shù)據(jù)，就能獲取自習室的信息，以便高效尋找合適的自習室。

（2）自習室優(yōu)化推薦系統(tǒng)的無線通信方式的改進與發(fā)展

某些傳統(tǒng)的自習室優(yōu)化推薦系統(tǒng)， 采用“藍牙模塊”作為無線傳輸。然而，由于“藍牙”無線通信距離較短，一個“藍牙網(wǎng)”內(nèi)所支持的設(shè)備數(shù)量有限，使用也是不太方便。

本文設(shè)計的系統(tǒng)選用的是傳輸距離較遠的Wi-Fi模塊作為無線傳輸，學(xué)生和管理人員只需通過智能設(shè)備連接設(shè)定好的Wi-Fi就可以及時連接上服務(wù)器，查看自習室的使用情況。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖如圖1所示，主要由物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三大層次組成，感知層是系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的核心部分，負責整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和上傳；網(wǎng)絡(luò)層是系統(tǒng)信息的傳輸樞紐，負責數(shù)據(jù)的交互、轉(zhuǎn)發(fā)以及處理；應(yīng)用層是系統(tǒng)與用戶之間的接口，負責系統(tǒng)信息與用戶之間的人機交互。其中，感知層包含STM32F103C8T6單片機核心板、溫濕度檢測模塊、光照強度檢測模塊、人流量檢測模塊、液晶顯示模塊和無線傳輸模塊；網(wǎng)絡(luò)層包含Java虛擬服務(wù)器；應(yīng)用層包含手機APP客戶端。

圖 1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件電路主要由STM32F103C8T6單片機核心板、人流量檢測模塊、溫濕度檢測模塊、光照強度檢測模塊、液晶顯示模塊和無線傳輸模塊等幾部分組成。其中，主控制器STM32F103C8T6功能強大、性能穩(wěn)定，且功耗較低，具有豐富的片上外設(shè)；人流量檢測模塊用于檢測人的進出情況，主要是借助于光電開關(guān)傳感器實現(xiàn)的，當有人經(jīng)過的時候，光電開關(guān)的輸出信號變?yōu)榈碗娖?。單片機STM32F103C8T6可以通過采集“PB7和PB8”兩個IO口的電平變化情況，來判斷人的進出情況。溫濕度檢測模塊用于檢測室內(nèi)的溫濕度情況，主要借助于DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，實現(xiàn)對室內(nèi)的溫、濕度數(shù)據(jù)的采集，并通過單片機的PB9引腳，將采集的數(shù)據(jù)送給單片機；光照強度檢測模塊用于檢測室內(nèi)的光照強度情況，主要借助于光敏電阻構(gòu)成的分壓電路來實現(xiàn)，隨著光照的改變，光敏電阻的阻值和對應(yīng)的分壓值也會隨著變化，通過單片機的PB0端口將采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過單片機內(nèi)部自帶的AD轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)將光照強度對應(yīng)的電壓模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，實現(xiàn)室內(nèi)的光照監(jiān)控；以上監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，均借助于LCD12864液晶顯示模塊來予以數(shù)據(jù)的實時顯示；而無線傳輸模塊為“數(shù)據(jù)的上傳”提供了可能，無線傳輸模塊（ESP8266Wi-Fi模塊）的TXD和RXD引腳分別接到單片機的PA2和PA3引腳中，單片機通過串口通信實現(xiàn)對無線傳輸模塊的配置，把Wi-Fi模塊配置成STA模式，同時配置相應(yīng)的IP地址和端口號，為接到相應(yīng)的服務(wù)器做準備，實現(xiàn)對采集的各個數(shù)據(jù)的上傳。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖如圖2所示，首先開啟Java虛擬服務(wù)器，然后給整個系統(tǒng)上電，系統(tǒng)各模塊進行初始化，等待連接上虛擬服務(wù)器后，STM32單片機不斷讀取各模塊采集到的數(shù)據(jù)，并且將其顯示到LCD12864屏幕上；每隔2秒 ，STM32單片機定時器產(chǎn)生中斷方式，把采集到的數(shù)據(jù)，通過無線傳輸模塊，上傳到虛擬服務(wù)器；手機APP連接成功后，虛擬服務(wù)器將會把單片機采集到的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)給APP客戶端，數(shù)據(jù)會顯示到APP客戶端上。

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

本自習室優(yōu)化推薦系統(tǒng)的硬件部分如圖3所示。主要由液晶顯示模塊、人流量檢測模塊（光電開關(guān)模塊）、光照強度測量模塊、無線傳輸模塊（ESP8266 WIFI模塊 ）、溫濕度檢測模塊和主控模塊STM32單片機組成。

圖3 系統(tǒng)實物圖

系統(tǒng)上電后，ESP8266 Wi-Fi模塊進行初始化，即將連接到對應(yīng)的服務(wù)器，此時液晶顯示模塊無任何顯示，等到ESP8266 Wi-Fi模塊初始化完成后，LCD12864液晶屏幕顯示自習室內(nèi)部情況的相應(yīng)數(shù)據(jù)，其現(xiàn)象如圖4所示。

圖 4 ESP8266 Wi—Fi模塊成功初始化顯示圖

當學(xué)生通過光電開光時，液晶屏幕上的數(shù)據(jù)會發(fā)生改變，當通過人數(shù)大于或者等于設(shè)定值時，液晶屏幕會顯示當前自習室為“擁擠”狀態(tài)，現(xiàn)象如圖5所示；當通過人數(shù)小于設(shè)定值時，液晶屏幕會顯示當前自習室為“推薦”狀態(tài)，現(xiàn)象如圖6所示。

圖 5 “擁擠”狀態(tài)下的顯示圖

圖 6 “推薦”狀態(tài)下的顯示圖

自習室優(yōu)化推薦系統(tǒng)的另一部分由Java虛擬服務(wù)器和Android APP組成。Java服務(wù)器成功開啟后的調(diào)試控制臺圖如圖7所示。當有客戶端連接時，控制臺輸出如圖8所示。APP客戶端連接上服務(wù)器后，服務(wù)器將不斷把單片機采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到APP客戶端上，如圖9所示。

圖7 Java服務(wù)器成功開啟控制臺輸出圖

圖8 客戶端連上Java服務(wù)器控制臺輸出圖

圖9 手機APP客戶端顯示頁面圖

5 總結(jié)

本系統(tǒng)將人工智能、云計算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有機融合，在易澇點下水道布置“具有監(jiān)測水位、水流速、地理信息、土壤含水量、當前下水道水流速等參數(shù)”的傳感器，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上傳到云服務(wù)器，在云服務(wù)器上，結(jié)合該地理位置的上游水流速、下游水流速等參數(shù)，引進人工智能算法，進行易澇概率的預(yù)測，并將數(shù)據(jù)實時顯示在指定的手機APP、網(wǎng)頁，在地圖上，有利于相關(guān)部門及時排除隱患，降低城市內(nèi)澇的發(fā)生，從而達到有效避免和延緩城市內(nèi)澇的發(fā)生。

本文提出的自習室優(yōu)化推薦系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計的，以STM32單片機為系統(tǒng)主控制器，通過一對光電開關(guān)實現(xiàn)對人流量的檢測，通過DHT11溫濕度傳感器實現(xiàn)對自習室內(nèi)部溫濕度的檢測，通過光敏電阻電路實現(xiàn)對自習室內(nèi)部光照強度的檢測，以及通過ESP8266 Wi-Fi模塊實現(xiàn)對采集的數(shù)據(jù)進行上傳。同時，利用Java實現(xiàn)了一個虛擬的服務(wù)器來模擬學(xué)校的服務(wù)器，該服務(wù)器可以對上傳的數(shù)據(jù)進行處理；用Android Studio設(shè)計一個的手機APP，當該APP連接到學(xué)校的服務(wù)器時，服務(wù)器能夠把單片機上傳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到APP上，用戶端可以通過手機APP來觀察自習室的實時數(shù)據(jù)，從而方便學(xué)生高校的尋找到適合的自習室。此外，自實習管理人員也可以通過APP上的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控自習室的用電情況。

該系統(tǒng)是針對現(xiàn)實生活中實際存在的問題進行設(shè)計的，以節(jié)省學(xué)生尋找自習室的時間，提高自習室的利用率和優(yōu)化自習室用電資源。相信隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，自習室優(yōu)化推薦系統(tǒng)的智能化，將會為有限的自習室座位資源實現(xiàn)更合理的分配使用提供了可能。同時，在疫情防控常態(tài)化的要求下，該系統(tǒng)可以進一步升級、拓展、延伸，應(yīng)用到很多公共場所，如食堂、超市等。