基于STM32的圖書館占座監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)*

關(guān)志艷

(山西工程科技職業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，山西 太原030619)

0 引言

高校圖書館“占座”現(xiàn)象普遍，如何有效管理圖書館座位，是現(xiàn)在需要解決的一個(gè)問題。劉大杰[1]等人采用人體紅外傳感來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)座位前是否有人，但單純只用紅外傳感器容易監(jiān)測(cè)出座位附近其他人而非本人，造成監(jiān)測(cè)誤判。徐海東[2]等人引入人臉識(shí)別和視頻監(jiān)控模塊，但這樣成本太高。

針對(duì)以上情況，本設(shè)計(jì)提出基于STM32的圖書館占座監(jiān)測(cè)裝置，采用人體紅外傳感器和壓力傳感器，雙重監(jiān)測(cè)判斷是否“占座”，一旦發(fā)現(xiàn)此座位連續(xù)一個(gè)小時(shí)沒人，即通過GSM模塊將座位號(hào)，使用狀態(tài)以短信的形式發(fā)送給圖書館自習(xí)室管理員，以便將不來的學(xué)生物品放置專指地點(diǎn)，這樣其他同學(xué)就可以有效利用此座位。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)需要雙重監(jiān)測(cè)以保障“占座”有效，在該座寫字桌上安置紅外傳感器，在學(xué)生座椅上安裝壓力傳感器，為了減少課桌到座椅的連體布線，本設(shè)計(jì)采用主機(jī)與從機(jī)分別監(jiān)測(cè)，再將從機(jī)上的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過無線藍(lán)牙傳輸?shù)街鳈C(jī)上，主機(jī)再綜合判斷，這樣無線傳輸而不用擔(dān)心因?yàn)椴季€導(dǎo)致的桌椅間的挪動(dòng)不方便。從機(jī)部分用于桌面人體紅外線傳感器探測(cè)，主機(jī)部分為座位壓力傳感器探測(cè)，同時(shí)定時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)的時(shí)間。若規(guī)定時(shí)間內(nèi)該學(xué)生又返回,則計(jì)時(shí)時(shí)間清零，重新開始查詢。若規(guī)定時(shí)間結(jié)束該學(xué)生仍未回來，主機(jī)單片機(jī)向GSM模塊發(fā)送指令進(jìn)行短信通知管理員“xxx座位被違規(guī)占用！”。系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。

圖1 整體設(shè)計(jì)框圖

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

傳感器信息采集模塊：紅外線傳感器模塊監(jiān)測(cè)書桌前是否有人，壓力傳感器監(jiān)測(cè)座椅上是否有人。

獨(dú)立按鍵輸入模塊：設(shè)置時(shí)間和監(jiān)控模式。

液晶顯示器輸出模塊：顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)間。

無線通信模塊：藍(lán)牙用于主從機(jī)通信，GSM用于主機(jī)與管理員手機(jī)通信。

2 硬件設(shè)計(jì)

主從機(jī)單片機(jī)的最小單片機(jī)系統(tǒng)及電源部分都相同，采用3.3 V供電。本設(shè)計(jì)的電路是在Aultium Designer軟件下進(jìn)行繪制與設(shè)計(jì)的。

2.1 主機(jī)電路設(shè)計(jì)

在主機(jī)系統(tǒng)中，采用STM32F103C8T6最小單片機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，連接壓力傳感器HX711、藍(lán)牙模塊HC05、GSM模塊Air208、連載基礎(chǔ)外設(shè)LED、蜂鳴器、獨(dú)立按鍵、LCD1602。

圖2 主機(jī)整體電路圖

單片機(jī)的PA1，PA0引腳連接壓力傳感器模塊；PA4，PA5，PA6，PA7分別連接按鍵模塊；PB10，PB11分別連接藍(lán)牙模塊；PA9，PA10分別連接短信通知模塊；PC14，15連接信號(hào)指示燈；PB3-PB9引腳分別接LCD1602顯示屏；PC13連接蜂鳴器。在從機(jī)系統(tǒng)中，PA1引腳連接紅外傳感器模塊；PA9，PA10連接藍(lán)牙模塊；PC13，PC14連接信號(hào)指示燈。

1) STM32F103C8T6最小單片機(jī)系統(tǒng)

STM32F103C8T6是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，含有豐富的外設(shè)功能，如GPIO、NVIC、EXTI、TIM、DAM等，足夠本設(shè)計(jì)所需，也是主流單片機(jī)之一。

2) 壓力傳感器模塊電路

選擇HX711作為本設(shè)計(jì)中檢測(cè)座椅物體重量的模塊，HX711芯片通過對(duì)電壓進(jìn)行采樣，并通過A/D轉(zhuǎn)換輸出轉(zhuǎn)換值，再通過單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。此模塊在組裝設(shè)計(jì)時(shí)需要兩塊亞克力板，在組裝時(shí)要保護(hù)好傳感器的線。壓力傳感器模塊的實(shí)物和仿真如圖3所示。

圖3 壓力傳感器模塊實(shí)物與仿真

3) 藍(lán)牙模塊電路設(shè)計(jì)

HC05藍(lán)牙模塊主要用于主從機(jī)數(shù)據(jù)的傳輸，將從機(jī)中的人體感應(yīng)模塊的信號(hào)傳輸給主機(jī)單片機(jī)中，主要利用STM32自帶的串口中斷功能，主機(jī)單片機(jī)對(duì)接收的從機(jī)藍(lán)牙模塊傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行判斷。

4) GSM模塊電路設(shè)計(jì)

GSM模塊主要用于通知管理員違規(guī)占用座位的信息。其通過使用標(biāo)準(zhǔn)的AT命令來實(shí)現(xiàn)無線通信的功能。GSM模塊使用相對(duì)簡(jiǎn)單，有效引腳只有兩個(gè)，分別連接PA9端和PA10端，剩余兩個(gè)引腳分別連接電源的正負(fù)極。GSM模塊仿真圖如圖4所示。

圖4 GSM模塊仿真

5) 按鍵模塊電路設(shè)計(jì)

使用了四個(gè)按鍵用于時(shí)間的設(shè)置和監(jiān)控模式的開關(guān)。按鍵1和2可以調(diào)整監(jiān)測(cè)時(shí)間；按鍵3和4為監(jiān)控開關(guān)。在手動(dòng)模式下，按下按鍵1可增加規(guī)定時(shí)間，按下按鍵2可減少規(guī)定時(shí)間，按下按鍵3為打開監(jiān)控，按鍵4的功能為關(guān)閉監(jiān)控模式。按鍵模塊仿真圖如圖5所示。

圖5 按鍵模塊仿真

2.2 從機(jī)電路設(shè)計(jì)

從機(jī)的基礎(chǔ)電路和主機(jī)相同，在此不在贅述，選擇HC-SR501型號(hào)的感應(yīng)模塊用作檢測(cè)桌前座位是否有學(xué)生在使用。此元件通過高低電平的判斷產(chǎn)生警報(bào)信號(hào)[3]。由于自習(xí)室座位間距離較近，為避免檢測(cè)誤差，可調(diào)節(jié)其檢測(cè)距離系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。圖6為從機(jī)整體電路圖。

3 軟件設(shè)計(jì)

基于STM32的實(shí)時(shí)管理圖書館自習(xí)室占座系統(tǒng)的程序采用KEIL5軟件進(jìn)行程序編程，主要分為主機(jī)程序和從機(jī)程序兩部分。由于從機(jī)搭載外設(shè)較少，相對(duì)簡(jiǎn)單，在此描述主機(jī)程序基本流程如下：

系統(tǒng)初始化:由于使用壓力傳感器HX711AD模塊、GSM模塊、LCD1602、STM32的GPIO口、中斷、定時(shí)器、ADC轉(zhuǎn)換等都需要進(jìn)行初始設(shè)置。HX711AD模塊有三種工作模式，A通道128增益、B通道32增益、A通道64增益。對(duì)應(yīng)不同的增益，其滿額度差分輸入信號(hào)幅值也不同，因此需要初始化設(shè)置。GSM模塊需要選擇休眠方式、電話號(hào)碼等初始化設(shè)置。LCD1602模塊需要進(jìn)行顯示模式、輸入模式、數(shù)據(jù)線位數(shù)等初始化設(shè)置[4]。初始化配置是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

圖6 從機(jī)整體電路圖

傳感器采集傳輸：紅外傳感器、壓力傳感器分別檢測(cè)到數(shù)據(jù)，紅外檢測(cè)到的負(fù)跳沿變化通過藍(lán)牙模塊實(shí)時(shí)傳輸給主機(jī)。

定時(shí)器中斷：STM32內(nèi)的定時(shí)器、中斷在初始化后，一旦主機(jī)經(jīng)過綜合判定座位無人，啟動(dòng)定時(shí)器，進(jìn)入計(jì)時(shí)狀態(tài)。

GSM傳輸：主機(jī)計(jì)時(shí)1小時(shí)，GSM啟動(dòng)短信功能，送指令通知管理員“xxx座位被違規(guī)占用！”。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)經(jīng)過測(cè)試基本實(shí)現(xiàn)了較準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)座位“占座”情況，但只是整個(gè)圖書館座位管理系統(tǒng)中的一小部分，要想更好服務(wù)于學(xué)生，還需將其嵌入到圖書館座位管理系統(tǒng)中。將來還可擴(kuò)展功能，學(xué)生可以在手機(jī)上選座，及時(shí)提醒有空座，長(zhǎng)時(shí)間“占座”收到警告并及時(shí)回去學(xué)習(xí)。要想建立一個(gè)良好、沒有矛盾問題的公共場(chǎng)所，還需要每位使用者的自我約束。