基于STM32單片機-Node-RED智能學習桌設計與實現

摘 要：近年來，我國青少年群體中存在的不良習慣對他們的視力健康和身體發育造成了嚴重的危害，這些危害不僅會給他們的學習和生活帶來不便，還會影響他們對世界的認知。因此，設計了一款能夠根據使用者身高調節高度的智能學習書桌。系統的硬件開發板由STM32F103RCT6單片機、電容觸摸按鍵、LCD液晶顯示屏、環境監測模塊、PWM調光燈照明模塊、高度調節電機模塊、語音助手模塊以及ESP8266通信模組等組成，采用Node-RED程序對硬件開發板進行開發，采用C/S通信模式實現雙向通信。系統根據周圍環境數據，通過軟件調節燈光的亮度；當學生坐姿不正確時，提醒坐姿錯誤；同時，加裝液晶顯示屏，可以顯示時間、日期，并提供語音助手，實現對書桌照明和高度的智能控制。總體來說，設計的智能學習桌可以滿足青少年的個性化、精準化使用需求，為他們提供更好的學習環境。

關鍵詞：STM32F103RCT6；LCD液晶顯示屏；PWM調光燈；ESP8266通信模組；Node-RED；C/S通信模式

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）04-00-03

0 引 言

近年來，我國青少年群體中存在的不良習慣對他們的視力健康和身體發育造成了嚴重的危害。例如，不正確的讀寫姿勢、不合適的光照條件成為導致學生視力下降的主要因素[1-2]；不正確的讀寫姿勢使學生脊柱和頸椎發生形變。這些危害不僅會給他們的學習和生活帶來不便，還會影響他們對世界的認知[3]。

目前，傳統的學習桌已無法滿足青少年的個性化、精準化使用需求，本文將智能科技與學習桌相結合，設計了一款能夠根據使用者身高調節高度的智能學習書桌[4-5]，以領先的智能硬件和軟件為青少年提供更好的學習環境。

1 系統設計

在分析青少年實際需求后，對系統進行設計，如圖1所示。該系統分為軟件程序與硬件設施。軟件程序即智能學習桌控制中心，包括電腦端網頁控制及手機端軟件控制。硬件設施即無線智能學習桌，包括主控芯片、語音助手模塊、坐姿報警模塊、照明模塊、液晶顯示模塊、風扇模塊、學習桌高度調節模塊以及環境監測模塊。

2 系統硬件設計

主控芯片在整體設計中占據重要地位，起到了對其余各模塊的控制作用。它控制各模塊的運行，并且將各模塊的功能集成后，實現系統各模塊間的協同工作[6]。主控芯片采用STM32F103RCT6單片機，配套外部高速晶振、BOOT電路與復位電路。系統帶有虛擬串口ST-LINK下載器，能夠實現一鍵供電、下載、串口通信[7]。

通信模組型號為ESP-12F，即WiFi模塊。該模塊在較小尺寸封裝中集成了業界領先的TensilicaL106超低功耗32位微型MCU，型號為ESP8266。其硬件接口電路如圖2所示。

語音助手模塊是針對低成本離線語音應用方案開發的一款通用、便攜、低功耗、高性能的語音識別芯片，采用了第3代語音識別技術，支持DNN/TDNN/RNN等神經網絡及卷積運算，具備語音識別、聲紋識別、語音增強、語音檢測等功能。該語音助手在ASRPRO基礎開發板上集成了下載芯片，利用一根Type-C線便可下載程序，并且開發板上有自動斷電電路，可以實現一鍵下載。該語音助手使用串口自動發送十六進制數據，實現了串口輸出十六進制數據的功能[8]。語音助手模塊硬件接口電路如圖3所示。

音樂音響模塊的主要構件為蜂鳴器喇叭，通過召喚語音助手或者電腦端/手機端智能開啟音響播放音樂。

坐姿報警模塊由電容觸摸按鍵組成。將此模塊放置于智能書桌的合適位置，當坐姿不良時將觸碰到該按鍵，即發出不良坐姿警報，提醒使用者更換正確坐姿。

照明模塊的功能借助PWM調光燈實現。其根據室內光線的強弱，通過語音助手選擇是否開燈，并當使用電腦/手機訪問時，可以查看環境監測模塊數據，調節燈光的亮度，使燈光保持最佳亮度[9]。

液晶顯示模塊選用LCD1602，其可顯示該智能書桌的當前日期、時間及語音助手提示。

高度調節模塊由步進電機、伺服電機等組成。通過電力驅動裝置對系統進行高度調節，還可通過召喚語音助手，調整書桌桌面高度，讓使用者可以以一個舒適的坐姿使用書桌，減少了因坐姿不規范導致的眼部、頸部、腰部等健康問題。調節桌面角度，可以滿足青少年書寫、閱讀、繪畫等需求。

環境監測模塊由各類傳感器構成，包括感濕式探測器（電位器）、感溫式探測器（AHT21）、感光式探測器（GL5528）、可燃氣體火災探測器（MQ-2），其中傳感器數據會在電腦端/手機端界面顯示。

風扇模塊使用繼電器控制。根據環境監測模塊的數據，決定是否通過召喚語音助手打開風扇。

3 系統網絡設計

3.1 通信協議

硬件模塊雙向通信協議見表1，傳感器雙向通信協議見表2。

3.2 C/S通信模式

通信流程如下所示：

（1）服務器端首先啟動監聽程序，監聽指定的端口，等待接收客戶端的連接請求[10]。

（2）啟動客戶端程序，請求連接服務器的指定端口。

（3）服務器收到客戶端的連接請求后與客戶端建立套接字（Socket）連接[11]。

（4）連接成功后，客戶端的輸入流連接到服務器端的輸出流，服務器的輸入流連接到客戶端的輸出流，由此進行雙向通信。

（5）通信完畢后，客戶端與服務器端兩邊各自斷開連接。

（6）客戶端為連接的請求方。在未建立連接之前，客戶端必須知道服務器的地址才能發送請求，而服務器無需知道客戶端的地址；建立連接后，服務器能夠得到客戶端的地址。

4 Node-RED程序設計

系統軟件程序采用Node-RED。作為一種編程工具，其可將硬件設備、API和在線服務聚合。它提供了一個基于瀏覽器的編輯器，可以輕松組合調色板中各式各樣的節點連線，然后一鍵部署運行。Node-RED是一種基于流程的可視化編程開發工具，最初由IBM開發，用于將硬件設備、API和在線服務連接、聚合，是物聯網的一部分[12]。

4.1 電腦端界面設計

電腦端界面如圖4所示。在該界面可調節燈光亮度，打開風扇及音樂音響，并且可觀察環境監測模塊傳感器采集的數據以便進行智能調節。

4.2 數據流設計

系統的數據流設計如圖5所示。使用TCP in節點收到數據后，首先對數據進行分流。根據通信協議，數據幀頭的0xA5代表命令的響應，0xB5代表周期性匯報的傳感器數據。然后對數據進行判斷，根據通信協議選出風扇與音樂設備，并設定風扇模塊、音樂音響的執行狀態，分別用儀表板的switch節點顯示。最后拼接數據命令，通過撥動風扇模塊、音樂音響的switch按鈕，或者滑動照明燈的滑塊，產生新的數據流。新產生的數據流只包含一種執行設備的動作，而一條控制語句需要包含三種執行設備的動作，因此要使用全局變量或者上下文記錄另外兩種執行設備的狀態，并按照通信協議對控制命令進行拼接。

5 結 語

本文設計的智能學習桌基于物聯網技術，使用語音助手對硬件設備進行智能控制，并且基于Node-RED對程序進行設計，實現了控制的線上智能化。該書桌的主要特點是可根據周圍環境的明亮程度，通過軟件調節燈光的亮度；當青少年坐姿不正確時，提醒其改正錯誤坐姿；同時，加裝液晶顯示屏，可以顯示時間、日期，并提供語音助手提示，實現對書桌照明和高度的智能控制。智能學習桌發展前景廣闊，為現代教育帶來了許多創新和改進。隨著技術的不斷進步以及技術應用的深入推廣，未來智能學習桌的功能和性能將不斷提升，為青少年提供更好的學習幫助和體驗。

參考文獻

[1]呂敏之，何鮮桂，王明進.學生讀寫姿勢研究進展[J].中國學校衛生，2017，38（5）：795-798.

[2]王雁，薛金山，銀麗高，等.青少年兒童近視的影響因素及防治[J].中國藥物經濟學，2013（6）：175-177.

[3]方躍偉，潘松濤，段蔣文.辦公室坐姿作業肌肉骨骼疾患健康危害及對策[J].健康教育與健康促進，2014（4）：326-328.

[4]郭葉瑩子，易熙瓊，陳浩淼.智能家具概念及產品設計方法探析[J].家具，2016（1）：70-73.

[5]吳智慧，張雪穎，徐偉，等.智能家具的研究現狀與發展趨勢[J].林產工業，2017，44（5）：5-8.

[6]楊代華，葉敦范，王典洪.單片機原理及應用[M].武漢：中國地質大學出版社，2000：109-114.

[7]吉忠科.可穿戴微流體生物傳感貼片數據采集系統設計[D].大連：大連理工大學，2021.

[8]鐘璐榕，許哲昊，胡芳雨，等.基于智能語音助手的桌面懸浮APP的設計及研究[J].電腦知識與技術，2022，18（35）：50-52.

[9]劉寧，李楠，舟尤田.一種帶輔助光源可升降的智能學習桌設計與實現[J].吉林化工學院學報，2021，37（11）：79-84.

[10]葉曉彤.利用WINSOCK實現網絡編程的幾個關健技術[J].自貢師范高等專科學校學報，2002（4）：60-62.

[11]陳建銳.面向校園網絡學習環境的改進技術方案研究[D].重慶：重慶大學，2008.

[12]謝作如，林淼焱.用Node-RED讓物聯網數據可視化[J].技術與應用，2019（11）：78-81.