一種智能的圖書(shū)館環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

王 通，周 帥，謝印慶

（大連理工大學(xué)城市學(xué)院，遼寧 大連 116600）

0 引 言

近年來(lái)，全國(guó)各地圖書(shū)館日人流量逐漸增長(zhǎng)，對(duì)圖書(shū)館環(huán)境的要求越來(lái)越高。然而傳統(tǒng)的圖書(shū)館只有基礎(chǔ)的風(fēng)扇或者空調(diào)，很少有完整的智能控制系統(tǒng)。圖書(shū)館雖是封閉場(chǎng)所，但人流量的增加和減少難免會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)的溫濕度隨之變化，不舒適的溫度和濕度環(huán)境不僅會(huì)影響讀者的閱讀體驗(yàn)，對(duì)書(shū)籍的長(zhǎng)期保存也是影響極大[1-2]。本文設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為硬件，并與軟件相結(jié)合，適合于圖書(shū)館環(huán)境的智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)環(huán)境并能根據(jù)當(dāng)前環(huán)境做出相應(yīng)反應(yīng)的功能[3]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)是在以STM32F103C8T6為主控單片機(jī)的基礎(chǔ)上，結(jié)合RC522射頻模塊、DHT11溫濕度傳感器、MQ-2煙霧傳感器、OLED液晶顯示屏、WiFi模塊以及按鍵進(jìn)行設(shè)計(jì)的。其中，采用RC522射頻模塊作為門禁系統(tǒng)，通過(guò)刷卡來(lái)記錄圖書(shū)館的人流量數(shù)據(jù)；使用按鍵將溫濕度和煙霧濃度數(shù)值設(shè)置到合適數(shù)值；利用DHT11溫濕度傳感器采集圖書(shū)館內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)。此時(shí)單片機(jī)結(jié)合相應(yīng)的軟件程序進(jìn)行判斷，依據(jù)所收集到的數(shù)據(jù)對(duì)模塊發(fā)出指令，采用MQ-2煙霧濃度傳感器收集煙霧濃度并傳給單片機(jī)，使用OLED作為顯示屏來(lái)顯示圖書(shū)館內(nèi)環(huán)境溫度、濕度和煙霧濃度數(shù)據(jù)，給管理員直觀的數(shù)據(jù)顯示。采用WiFi模塊連接OneNET服務(wù)器，通過(guò)WiFi模塊將溫度、濕度、煙霧濃度、人流量數(shù)據(jù)上傳到OneNET服務(wù)器，以便實(shí)現(xiàn)在服務(wù)器實(shí)時(shí)監(jiān)控圖書(shū)館內(nèi)部的環(huán)境數(shù)據(jù)[3]。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 圖書(shū)館環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

在使用時(shí)，先將主控模塊通電，各傳感器會(huì)進(jìn)行初始化，WiFi模塊連接上OneNET服務(wù)器；之后單片機(jī)會(huì)接收到來(lái)自DHT11溫濕度傳感器和MQ-2煙霧傳感器的數(shù)據(jù)，單片機(jī)在接收到數(shù)據(jù)后會(huì)將數(shù)據(jù)顯示在OLED液晶屏上，同時(shí)做出相應(yīng)判斷。假如溫度高于按鍵設(shè)置的閾值，則會(huì)打開(kāi)風(fēng)扇降溫；如果濕度低于按鍵設(shè)置的閾值，則會(huì)打開(kāi)水泵加濕；同理，如果煙霧濃度超過(guò)設(shè)置閾值，蜂鳴器會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警[4]。通過(guò)RC522射頻模塊對(duì)進(jìn)入圖書(shū)館的人數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)。如果有人刷卡進(jìn)入，則單片機(jī)會(huì)將人數(shù)進(jìn)行加1操作，最終單片機(jī)將溫濕度、煙霧濃度和圖書(shū)館人流量數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi模塊上傳至OneNET服務(wù)器，流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程

3 主要硬件模塊

3.1 主控模塊

單片機(jī)是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，發(fā)揮著計(jì)算控制的作用。本設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6作為主控單片機(jī)[5]，這款單片機(jī)是STM32系列中采用LQFP封裝的一款增強(qiáng)型單片機(jī)，包含64 KB的FLASH，適用溫度在-40～85 ℃范圍內(nèi)，共有144個(gè)引腳。與51單片機(jī)相比具有更多的優(yōu)勢(shì)，STM32單片機(jī)的I/O口資源較多、處理速度更快，同時(shí)還有多個(gè)定時(shí)器、多個(gè)串口可供使用。這款單片機(jī)的系統(tǒng)電路非常簡(jiǎn)單，只需一個(gè)晶振就能讓單片機(jī)工作，在晶振起振時(shí)并上兩個(gè)22 pF的小電容即可。綜合來(lái)看，此款單片機(jī)比較適合本設(shè)計(jì)。

3.2 RC522射頻模塊

本設(shè)計(jì)選擇采用RC522射頻模塊作為圖書(shū)館的門禁系統(tǒng)來(lái)記錄圖書(shū)館人流量，進(jìn)入圖書(shū)館的人需要刷卡，單片機(jī)檢測(cè)到RC522模塊有刷卡數(shù)據(jù)之后將人流量數(shù)據(jù)加1，同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至WiFi模塊[6]。RC522射頻模塊采用SPI協(xié)議與單片機(jī)通信，使用時(shí)需要將RC522的SPI接口連接到主控單片機(jī)的SPI接口上。

3.3 溫濕度傳感器模塊

DHT11溫濕度傳感器可以同時(shí)測(cè)量環(huán)境的溫度和濕度數(shù)據(jù)，溫度測(cè)量精度為±2 ℃，濕度測(cè)量精度為±5%[7]；采用單總線的方式與單片機(jī)通信，占用的I/O資源較少，僅有3個(gè)引腳，一個(gè)接地，一個(gè)接電，另一個(gè)與單片機(jī)的I/O口相連接，使用起來(lái)方便簡(jiǎn)單，比較適合于本文的研究。

3.4 煙霧報(bào)警模塊

選用MQ-2煙霧傳感器采集煙霧濃度數(shù)據(jù)[8]。MQ-2煙霧傳感器的使用較簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)以模擬量的方式輸出，工作時(shí)只需給MQ-2煙霧傳感器供電，然后將數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的ADC接口相連，單片機(jī)即可通過(guò)ADC采集到煙霧傳感器的數(shù)據(jù)。當(dāng)煙霧濃度達(dá)到設(shè)置的數(shù)值時(shí)，會(huì)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警，蜂鳴器的電路設(shè)計(jì)只需一個(gè)三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)即可工作。

3.5 OLED顯示屏模塊

為了更直觀地觀察到圖書(shū)館的內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)，還需要一個(gè)屏幕進(jìn)行顯示，不同的屏幕顯示的方式也有所不同，可顯示的信息量也不同。綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用OLED顯示屏，這款顯示屏可以顯示文字、字母、圖片，且使用簡(jiǎn)單[9]。同時(shí)，采用SPI通信，編程簡(jiǎn)單，占用的I/O資源少。

3.6 WiFi聯(lián)網(wǎng)模塊

由于本設(shè)計(jì)需要將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳到OneNET服務(wù)器[10]，而生活中常用的藍(lán)牙模塊數(shù)據(jù)傳輸距離一般只在50 m內(nèi)，且無(wú)法使用TCP/IP功能上傳數(shù)據(jù)；傳統(tǒng)的GSM模塊是2G模塊，傳輸數(shù)據(jù)速度慢，且成本高。綜合考慮，在此考慮使用WiFi模塊。WiFi模塊可以采用遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，且成本低，可以通過(guò)TCP/IP協(xié)議連接OneNET服務(wù)器。在工作時(shí)，可以通過(guò)WiFi模塊將溫濕度、煙霧濃度、人流量等數(shù)據(jù)上傳到OneNET服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。WiFi模塊在使用時(shí)只需與單片機(jī)進(jìn)行串口通信來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和WiFi模塊的數(shù)據(jù)交換。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，為了避免因數(shù)據(jù)上傳過(guò)于頻繁而造成的錯(cuò)誤，可以在電路中加入一個(gè)定時(shí)器，并將定時(shí)器定時(shí)為10 s。

4 軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試

軟件方面與本文中的硬件設(shè)備相互嵌套。傳感器模塊將采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)送于單片機(jī)主控模塊中進(jìn)行運(yùn)算，并與程序上設(shè)置的臨界數(shù)值進(jìn)行比較和判斷。最終將符合的數(shù)據(jù)輸出顯示在OLED顯示屏中，完成對(duì)數(shù)據(jù)的檢測(cè)。通過(guò)以上硬件和軟件的相互結(jié)合，完成了圖書(shū)館環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，各項(xiàng)功能可以正常運(yùn)行，圖書(shū)館管理員可以實(shí)時(shí)看到圖書(shū)館的環(huán)境，達(dá)到了本設(shè)計(jì)的目的。

5 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以STM32F103C8T6單片機(jī)為核心，使用了以RC522射頻模塊構(gòu)建的門禁系統(tǒng)，利用DHT11溫濕度傳感器和MQ-2煙霧傳感器對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，使用WiFi模塊將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至OneNET服務(wù)器，便于后臺(tái)監(jiān)測(cè)。與傳統(tǒng)的圖書(shū)館環(huán)境相比，本設(shè)備更加智能，圖書(shū)館管理員無(wú)須重復(fù)日常的繁瑣操作，同時(shí)能夠使圖書(shū)館內(nèi)部環(huán)境始終保持相對(duì)舒適，便于提升讀者在圖書(shū)館內(nèi)的閱讀體驗(yàn)以及對(duì)書(shū)籍的保存。